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ZYGO 干涉仪的相干光源

日期:2020-09-20 21:38
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摘要: 高功率稳频激光光源 对干涉测量的重要性 激光光源波长的精度和稳定性,是各类基于干涉原理计量方案的精度基础。在菲索式激光干涉仪中,相干性更好的激光光源,可以用于更长光程的干涉腔,这在某些应用场合至关重要。 ZYGO菲索式干涉仪,具备QPSI抗振移相采样,以及Dynaphase动态采样模式。这些模式都需要在对干涉条纹单帧采样中,大幅减小快门时间,以在一瞬间“凝固”不断变化的条纹图案。 50Hz刷新频率下,摄像头标准模式的快门时间为20毫秒,而瞬态模式下快门要求*...

高功率稳频激光光源

对干涉测量的重要性


激光光源波长的精度和稳定性,是各类基于干涉原理计量方案的精度基础。在菲索式激光干涉仪中,相干性更好的激光光源,可以用于更长光程的干涉腔,这在某些应用场合至关重要。

 

ZYGO菲索式干涉仪,具备QPSI抗振移相采样,以及Dynaphase动态采样模式。这些模式都需要在对干涉条纹单帧采样中,大幅减小快门时间,以在一瞬间“凝固”不断变化的条纹图案。

 

50Hz刷新频率下,摄像头标准模式的快门时间为20毫秒,而瞬态模式下快门要求*少达到100微秒的级别,相差了100倍。

 

在各类瞬态模式下,需要更高功率的稳频激光光源,配合良好设计的光学系统,才能在微秒级别快门下,获得足够信噪比的干涉条纹信号。这是新一代高分辨率菲索式激光干涉仪,采用新的高功率稳频激光的主要原因。

氦氖激光管基于不同的设计,会有一个特定的增益曲线,如上图。这一增益曲线,能选择激光管内特定频率或波长的激光,保持正反馈震荡输出。每一个特定频率或波长,对应于激光管震荡腔内一个可能的震荡模式。

 

如上图的增益曲线下的三条实线,就代表三个模式,对应三个波长或频率有微小差异的激光震荡输出。这种多模输出的激光光源,其相干性也会下降,在特定腔长的位置,干涉条纹的对比度会变弱。

 

更严重的问题是,受环境尤其是温度影响,普通氦氖激光管的增益曲线还会漂移,造成激光管输出的激光波长也会发生漂移,严重的时候激光管里的模式多少也发生变化,造成干涉条纹的直流光强和条纹对比度都不稳定。

 

ZYGO干涉仪所用到的高功率稳频氦氖激光管,都是自己设计制造的;采用了更长的激光管,并专门设计了腔镜面形,所充气体成分,从而可以得到更高功率的稳定输出。*重要的,ZYGO的稳频激光管还包括一套自适应的主动调整机构,可以根据环境变化,调整激光震荡腔腔长,以锁定增益曲线以及对应的模式。*终,通过偏振器件,选取单一模式或频率的激光,稳定输出。

 

ZYGO当前所有型号菲索式式激光干涉仪,都采用稳频高功率激光光源。输出功率4mw,比上一代光源提高一倍,并且保证单模稳频输出,所有能量都可以用于干涉计量。该激光管稳定可靠,保修三年,预期使用寿命100,000小时,这意味着24小时使用,可预期寿命在十年以上。

如图,2mw普通非稳频氦氖激光管,与4mw稳频激光管输出功率稳定性的比较。

 

在18小时内,外界温度自23.5到25.5摄氏度的变化过程中,非稳频激光输出功率在0.5mw至1mw之间大幅波动,而稳频激光管保持3mw几乎没有波动。

在瞬态测量模式下,如果能使用越小的快门时间,就能得到良好对比度的干涉条纹,那说明当前包括稳频激光管,照明,成像的光学系统的性能越好,能提供更强的干涉光强。

 

这里条纹对比度良好的具体标准是,干涉条纹图中开始有像素达到光强饱和。达到饱和不仅取决于稳频激光管功率,还和以下因素相关:

·     测试更高反射率的参考镜和标准镜,反射的激光越强,摄像头更容易饱和。

·     分辨率越低,多个像素合并后感光的区域越大,也容易达到饱和。

 

上图展示了ZYGO Dynafiz动态干涉仪在不同分辨率(1.2k*1.2K或600*600),反射率不同的参考镜及标准镜条件下,能达到饱和的*小快门时间。

 

大多数摄像头快门速度都可以达到10-12微秒这一数量级,但并不代表系统可以在任何情况下都能使用*快快门,而不用担心是否有足够的条纹对比度及信噪比。上图给出在不同应用条件下快门设置的参考:

·     1.2K分辨率模式下,4%反射率标准镜和参考镜,需要快门时间达到100微秒,才开始有像素光强饱和。

·     600*600分辨率模式下,4%反射率标准镜和参考镜,快门27微秒,就开始有像素光强饱和。

·     1.2K分辨率模式下,高反射率标准镜及参考镜,仅需要快门时间27微秒,就达到饱和。

·     600*600分辨率模式下,高反射率标准镜及参考镜,快门时间12微秒就可以了。

 

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