半导体激光端点干涉测长法原理探讨

　　引　言

　　半导体激光的频率或波长随谐振腔的注入电流和温度成函数变化。通过控制注入电流或温度变化,能够方便地改变激光的振荡频率或波长,这是半导体激 光器区别于其它激光器所具有的特性。利用这种特性,进行各种新的干涉测量方法的研究,已成为一个活跃的研究领域[1-6]。在温度恒定的情况下,通过控制 注入电流,能够高速度地改变半导体激光的振荡频率和波长。本文以温度恒定为前提,从半导体激光的频率变化和波长变化两个角度出发,探讨一种在长度的两个端 点干涉测量长度的新方法,即半导体激光端点干涉测长法。阐术这种方法测量长度的基本原理,推导这种方法测量长度的公式,并指出这种方法区别于其它干涉测长 方法的独特优点,最后讨论测量中的注意事项以及需要深入研究的问题。

　　1　光程差的测量原理

　　以半导体激光器为光源的干涉仪基本光路如图1所示。图中干涉仪两臂的长度分别为R和L,到达光电探测器相干涉的两光束光程差为2n(R-L),这里n为空气折射率。

　　改变频率或波长测量光程差的基本原理是,在干涉仪光程差不变的情况下,通过调节半导体激光器的注入电流,使输出激光的频率或波长成线性变化,从而引起两束干涉光的位相差发生变化,再通过测量与频率变化或波长变化相应的位相差的改变量,来求得干涉仪的光程差。

　　下面分别从频率变化和波长变化两个角度出发来讨论干涉仪光程差的测量原理。

　　1.1　频率变化型测量原理

　　设在额定电流下,半导体激光器的输出激光频率为M,则在光电探测器相干涉的两光束位相差Φ为

式中c为光速。

　　如果调节电流变化,使半导体激光器的输出激光频率改变,成为(M+),则这时的干涉光的位相差Φ₁为

　　从(1)、(2)两式可以得到,频率从M变化到(M+),两束干涉光的位相差的改变量-Φ为

　　从上式即可得到利用频率变化求干涉仪光程差的公式

　　从公式(4)可以看出,利用频率变化求光程差时,只要测出频率从M变化到(M+)的过程中,两束干涉光的位相差的改变量$<,就可求得干涉仪的光程差2n(R-L)。

　　1.2　波长变化型测量原理

　　根据频率和波长的关系有

　　式中K为相对于频率变化时,波长λ的改变量。将(5)式代入(4)式中,即可得到利用波长变化求干涉仪光程差的公式

　　从公式(6)可以看出,利用波长变化求光程差时,只要测出波长从λ变化到的过程中,两束干涉光的位相差的改变量$<,就可求得干涉仪的光程差2n(R-L)。