一种实现高精度稳定Zeeman激光频差的方法

1 稳频差的必要性

利用纵向塞曼效应，用633nm稳频氦氖激光器制成的双频激光干涉仪，由于其卓越的性能，在许多精密测量中已经得到广泛的应用。特别是在一些大尺寸精密测量中，双频激光干涉仪更显示出自己不可替代的作用。

从目前的文献检索来看，在大尺寸高精度直线度测量方面，双频激光干涉仪的稳定性和测量精度更是首屈一指。其测量直线度光路如图1所示。

设被测直线长度为L，δl，δ2分别为f1,f2经握拉斯顿棱镜的附加光程差，f= f1-f2是塞曼分裂的拍频值。则光束返回后，测量信号与参考信号的相位差△P近似为:

其中第二项与被测量成正比，第一项是与频差了及测量长度L有关的误差项。在电路中，相应的测量信号的检测采用的是锁相倍频、计数技术，这就决定了双频激光干涉仪测直线度的局限性，即握拉斯顿棱镜是不能离开光路的，显然更不能进行同轴度的测量。而大长工件同轴度的高精度测量是个一直没有得到很好解决的问题。为了利用双频激光干涉仪测量同轴度以及更方便的测量直线度，就有必要采用比相技术。由于采用比相方法，就要求拍频f具有较高的稳定性。同时了的变化通过(1)式的第一项还会带来测量误差(虽然该项误差在理论上是可以进行修正的，但在实际测量中是很不方便的)，例如，当L取30m，令该项误差不大于0.30，则有

可见拍频值的变化应小于5kHz，同时拍频值的不断抖动还会给比相电路带来很大的麻烦，降低比相精度。

    一般的双频激光干涉仪采用的是左右旋圆偏振光光强相等的等光强稳频方案，以确保光频的稳定，对频差的稳定性不作特别的要求。我们对惠普公司生产的HP5528A双频激光干涉仪的频差进行了实际测量，发现其拍频值在不断变化，振荡周期约为4min，变化范围约为6kHz。同时频差的峰值还在慢慢变小，这显然不能满足比相精度的要求。因此，有必要研究一种专门高精度稳定频差的系统。

    本文提出一种基于8098单片机系统的智能稳频方案，不但保证了频差的稳定性，而且每次开机还能自动搜寻频差极值，从而保证了光频的复现性〔1〕。实验结果达到了令人意的效果。

二、稳频差方案的建模及分析

我们所用的稳频差的方案原理如图2.

    激光器置于一密闭腔中，外加一轴向磁场，在磁场的作用下，激光分裂成频差为f的两束光，用光电探测器测的f信号，由8098系统测频，通过单片机内部程序算法处理，再由D/A输出伺服电压，经功率驱动后，通过缠绕在激光管外壳上的电阻丝对激光管加热，这样就可以控制加热量的大小来获得稳定的频差，其控制原理框图如图3.