半导体激光端点测长干涉仪实验系统

　　引　言

　　半导体激光端点干涉测长法是利用半导体激光频率调制特性的一种测量长度的新方法。这种方法区别于其它传统干涉测长法的独特点是,只需要在长度的两个端点位置分别进行测量,就可以得到这两个端点位置之间的长度。这种方法的测量原理在文献[1]中有详细阐述,本文介绍基于这种测长方法研制的半导体激光端点测长干涉仪的实验系统。

　　1　基本测量原理

　　半导体激光端点干涉测长法的基本原理是,在以半导体激光为光源的两臂不等长的迈克尔逊型干涉仪中,在长臂上的两个不同位置分别测量光程差,再计算两个光程差之差而得到这两个不同位置之间的长度。在每个位置测量光程差时,都利用半导体激光的线性调频特性,使两束干涉光的位相差发生变化,通过测量线性调频过程中位相差的改变量而得到光程差。在半导体激光线性调频过程中,两束干涉光的位相差的改变量ΔΦ可用下式表示[1]

式中ν为半导体激光的基准频率,Δν为激光频率的线性调制量,c为光速,2n(R-L)为两束干涉光的光程差,其中n为空气折射率,R和L为干涉仪长臂和短臂的长度。在干涉仪长臂上的两个不同位置a和b处(见图2),以相同的线性频率调制量Δν,分别进行调频过程中的位相差改变量测量,就可以得到求a和b两个位置间的长度l

　　2　实验系统的构成

　　半导体激光端点测长干涉仪实验系统,包括半导体激光器及其线性调制电源和恒温控制装置,干涉仪光路系统,拍频信号探测及其位相计数和细分电路,微机接口和控制软件等。

　　图1是实验系统的构成框图。

　　2.1　半导体激光器及其调制电源和恒温控制

　　半导体激光器要求单模性好、稳定性好、功率合适。实验中采用了单模半导体激光器(SHARP:LT021MD),其输出激光基准波长为780nm,最大输出功率为15mW。半导体激光器由调制电源供电并使输出激光频率成线性变化,由恒温控制装置保持其工作温度恒定。

　　半导体激光器的调制电源由直流基准电源迭加锯齿波调制电源构成。直流基准电源对半导体激光器提供基准电流,使其以基准频率工作;调制电源对基准电流作小范围改变。使激光频率在基准频率附近作小范围变化。这个频率变化必须使用在同一振荡模式内的频率连续变化,因此频率变化范围应以不产生“跳模”为限。采用锯齿波调制电源,利用锯齿波的斜边对半导体激光器电流实行线性调制,利用锯齿波的幅度控制调制范围。实验中用的半导体激光器的基准电流I=75mA,最大调制电流ΔI=15mA,调制周期T=0.01s。半导体激光器的恒温控制装置由温度传感器、半导体致冷器件的控制电路等组成。温度传感器探测激光器的工作温度,再与预置工作温度进行比较,如果探测温度高于预置温度,则由控制电路驱动致冷器件吸收激光器热量,使其温度降低;反之,如果探测温度低于预置温度,则驱动致冷器件对激光器加热,使其温度升高。实验中采用AD590精密温度传感器和日本CP1.4-11-10L半导体致冷器件。