邓 勇,郭龙秋,马志强,江 奕

(南通大学机械工程学院,江苏 南通 226019)



·激光应用技术·

Nd∶YVO4激光回馈干涉仪

邓 勇,郭龙秋,马志强,江 奕

(南通大学机械工程学院,江苏 南通 226019)

目前研制的Nd∶YAG激光回馈干涉仪的激光器偏振态易发生变化。与Nd∶YAG晶体相比,Nd∶YVO4晶体输出的单纵模线偏振光更稳定,弛豫振荡的中心频率更高,从而增大移频频率,提高测速精度。因此设计制作了Nd∶YVO4激光回馈干涉仪样机,并采用具有外触发功能的数字相位计,经过激光器功率稳定性实验和比对实验,得到激光回馈干涉仪样机目前的指标:激光器3 h内的功率变动值为1.89%,干涉仪400 mm测量范围内的线性度为7.0625×10-6,标准差为0.936 μm。

Nd∶YAG；Nd∶YVO4；单纵模；线偏振光；数字相位计

1 引 言

清华大学张松博士[1-3]采用Nd∶YAG激光器[4]研制的激光回馈干涉仪能够测量压电陶瓷[5]、MEMS元器件以及高透射物体液面[6]等被测目标的位移,但是激光器功率较小,只有几毫瓦,且测量范围有限,两次经过声光移频器发生衍射后,测量光的功率会降低25%。尽管随着LD的泵浦功率的增大,测量光的功率会增大,弛豫振荡的中心频率也会增大；但是Nd∶YAG激光器输出光的偏振态会发生变化,不够稳定,不利于进行远距离的测量。

与Nd∶YAG晶体相比[7-8],Nd∶YVO4晶体具有如下特点:在808 nm处的吸收峰的线宽为Nd∶YAG晶体的3倍,适于LD泵浦；在1064 nm处具有较大的受激发射截面,在a轴方向Nd∶YVO4受激发射截面约为Nd∶YAG的4倍；属于单轴晶体,仅发射线性偏振光。

鉴于此,设计研制了基于Nd∶YVO4激光器的激光回馈干涉仪样机,研制出的回馈干涉仪激光器功率达三十多毫瓦；进行比对实验时,与Nd∶YAG激光回馈干涉仪[1]相比,量程扩大到400 mm左右；同时干涉仪采用具有外触发功能的高测速数字相位计,便于与其他设备组建新的系统,便于进一步拓展回馈干涉仪的应用。

2 原 理

2.1 激光回馈干涉仪的工作原理

图1为激光回馈干涉仪的系统原理图[9],图中LD为泵浦源,GRIN为自聚焦透镜,BS为分光镜,AOM1,AOM2为声光移频器,L为透镜,Mr为参考镜,T为被测目标,PIN为探测器,RF1,RF2为声光移频器的驱动电源,FM为混频器,FD为倍频器,SF为滤波器,SC为适配器,PM为相位计,PC为计算机,SRE为参考电信号,SRO为参考光信号,SME为测量电信号,SMO为测量光信号。其中实心箭头为测量光,空心箭头为参考光。

图1 激光回馈干涉仪测量原理图

如图1所示,LD输出波长为808 nm的光经光纤、自聚焦透镜耦合后,使Nd∶YVO4晶体产生波长为1064 nm的近红外光,通过BS分成两路光,一路光反射进入PIN探测器,一路光透射经过AOM1后分成两束,频率分别为ω和ω-Ω1(Ω1为AOM1的驱动频率)；这两束光经过AOM2后又分成四束光,频率分别为ω、ω-Ω1、ω+Ω2、ω-Ω(Ω2为AOM2的驱动频率,Ω=Ω1-Ω2)。频率为ω-Ω的光经透镜、参考镜,到达待测目标后沿原路返回至Nd∶YVO4激光器中形成调制频率为2Ω的测量光回馈信号；频率为ω的光经透镜,到达参考镜后沿与测量光相平行的光路返回至Nd∶YVO4激光器中形成调制频率为Ω的参考光回馈信号,参考光与测量光呈准共路关系。

在Nd∶YVO4激光回馈干涉仪中存在两种光:参考光和测量光。同时算出测量光与参考光的相位变化,计算两者之差能准确计算出被测目标的位移。参考光由参考镜产生,它被声光移频器移频一次,相应的移频量为Ω,从而产生调制频率为Ω的正弦信号:

(1)

测量光由待测目标反射产生,它被声光移频器移频两次,相应的移频量为2Ω,从而产生调制频率为2Ω的正弦信号:

(2)

其中,△Ir和△Im分别为参考光和测量光的功率调制信号;κr和κm分别为参考光和测量光的外腔反射系数;φ0r和φ0m分别为参考光和测量光信号的初始固定相位;φr和φm分别为参考光和测量光的外腔相位变化。因此Nd∶YVO4激光回馈干涉仪待测目标的位移△L的计算公式为:

(3)

式中,λ0为真空中Nd∶YVO4激光器输出的波长值;n为测量环境中空气的折射率。

2.2 高分辨测量原理

由式(3)可知,Nd∶YVO4激光回馈干涉仪计数的准确性是由测量光、参考光的相位及测量环境决定的,分辨率是由外部设备检测得到的相位分辨率决定的。因此,在该干涉仪中采用了具有外触发功能的高测速数字相位计(PT-1313Bs-1E),该相位计的工作原理是基于脉冲填充和时间平均,完全采用数字电路,特殊设计的鉴相电路可以避免毛刺干扰和提高时间特性。与锁相不同,其分辨率可以通过改变采样速度来加以提高。该相位计的时钟频率为1280 MHz,外触发最高采样频率为100 kHz。根据其设计原理,理论上的测位移分辨率可用下述公式进行计算:

(4)

式中,fsignal为信号频率;fsampling为采样速率;fclock为时钟频率;λ为Nd∶YVO4激光器的出光波长值。在Nd∶YVO4激光回馈干涉仪中,fsignal=2 MHz,fsampling=100 kHz,fclock=1280 MHz,λ=1064 nm,所以理论上测位移的最高分辨率为0.186 nm。至此,采用上述的高测速数字相位计在理论上能够实现Nd∶YVO4激光回馈干涉仪的高分辨测量。

3 实 验

3.1 实验装置及操作软件

如图2(a)所示,为设计制造的Nd∶YVO4激光回馈干涉仪样机,其封装外形是一个梯形盒子,表面采用导电处理工艺,用于屏蔽外部电场、磁场的干扰。图2(b)为基于MFC开发的测量软件界面,其中包括位移显示,测量环境的气温、气压、湿度,被测目标的温度及膨胀系数设置,同时提供开始读数、停止读数、保存数据、复位、外触发模式的功能。

图2 Nd∶YVO4激光回馈干涉仪样机及操作界面

3.2 Nd∶YVO4激光器功率稳定性实验

为了激光器出光功率的稳定性给出一个定量的结果,在实验室环境下,测量了3 h内Nd∶YVO4激光器功率的变化曲线,如图3所示。其中最大功率Pmax=31.3 mW,最小功率Pmax=31.9 mW,平均功率Pmean=31.73 mW,由此计算出3 h内激光器功率的最大相对变动值为:

根据上述结果可以看出,激光器功率是比较稳定的,满足激光回馈干涉仪的测量要求。

图3 激光器功率稳定性实验

3.3 比对实验

将Nd∶YVO4激光回馈干涉仪与Agilent 5299A双频激光干涉仪按如图4所示方式相对放置,它们的共同目标是导轨上的运动平台,并将双方的靶镜固定于平台上,Agilent 5299A双频激光干涉仪的靶镜为角锥棱镜,Nd∶YVO4激光回馈干涉仪的靶镜为平面高反镜。进行实验时,保证Nd∶YVO4激光回馈干涉仪的测量光与Agilent 5299A双频激光干涉仪的测量光同轴,以消除实验装置的系统误差。

图4 比对实验

设定一维平移台的步进电机以脉冲数为1000的步距运动,同时记录下二者的示数,实验数据如表1所示,其中Xi为Agilent 5299A双频激光干涉仪的测量结果,Yi为Nd∶YVO4激光回馈干涉仪的测量结果,并对数据采用最小二乘法进行拟合,拟合后的曲线如图5所示,拟合直线为:Yi=Xi+0.001345。并通过计算得出激光回馈干涉仪的线性度为7.0625×10-6,标准差为0.936 μm。

图5 比对结果

4 结 论

研制出的激光回馈干涉仪样机激光器3 h内的功率变动值为1.89%,在400 mm的测量范围内线性度为7.0625×10-6,标准差为0.936 μm,能够满足一定的测量要求。但研制的样机激光器是采用LD直接泵浦的,测量时激光器的频率会发生漂动,会导致激光回馈干涉仪的测量不够精确,将来采用具有稳频装置的Nd∶YVO4激光器,对提高仪器的测量精度具有重要作用。

表1 LFI与Agilent 5299A比对结果

[1] ZHANG Song,ZHANG Shulian,REN Zhou.Development of laser feedback interferometer based on Nd∶YAG microchip lasers[J].Infrared and Laser Engineering,2011,40(10):1914-1917.(in Chinese)

张松,张书练,任舟.采用 Nd∶YAG 微片激光器的激光回馈干涉仪的研制[J].红外与激光工程,2011,40(10):1914-1917.

[2] ZHANG Song,TAN Yidong,ZHANG Shulian.Measurement speed improvement of microchip Nd∶YAG laser feedback interferometer[J].Review of Scientific Instrument.2014,85(3):036112.

[3] ZHANG Yongqin,ZHANG Song,DENG Yong,et al.Nd∶YAG microchip laser feedback interferometer[J].Chinese Journal of Lasers,2013,40(3):5-10.(in Chinese)

张永芹,张松,邓勇,等.Nd∶YAG微片激光回馈干涉仪[J].中国激光,2013,40(3):5-10.

[4] LIU Ning,DENG Yong,CAO Hongbei.Research on frequency stabilization of Nd∶YAG laser feedback interferometer[J].Laser & Infrared,2014,44(5):506-510.(in Chinese)

刘宁,邓勇,曹红蓓,等.Nd∶YAG激光回馈干涉仪稳频研究[J].激光与红外,2014,44(5):506-510.

[5] DENG Yong,LIU Ning,CAO Hongbei.Nd∶YAG laser feedback interferometer effects based PZT precision measurement technology and system[J].Infrared and Laser Engineering,2014,43(10):3434-3438.(in Chinese)

邓勇,刘宁,曹红蓓,等.基于Nd∶YAG激光回馈干涉效应的PZT精密测量技术与系统[J].红外与激光工程,2014,43(10):3434-3438.

[6] Tan Yidong,Zhang Song,Ren Zhou.Real-time liquid evaporation rate measurement based on microchip laser feedback interferometer[J].Chinese Physics Letters,2013,30(12):124202.

[7] Taira T,Mukai A,Nozawa Y.Single-mode oscillation of laser-diode-pumped Nd∶YVO4microchip lasers[J].Optics letters,1991,16(24):1955-1957.

[8] WANG Guofu,WU Shaofan.Research and development of neodymium doped yttrium vanadate laser crystal[J].Materials China,2010,(10):25-29.(in Chinese)

王国富,吴少凡.掺钕钒酸钇激光晶体的研制和开发[J].中国材料进展,2010,(10):25-29.

[9] REN Zhou,LI Duo,WAN Xinjun,et al.Quasi-common-path microchip laser feedback interferometry with a high stability and accuracy[J].Laser Physics,2008,18(8):939-946.

Nd∶YVO4laser feedback interferometer

DENG Yong,GUO Long-qiu,MA Zhi-qiang,JIANG Yi

(School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)

At present,laser polarization state of Nd∶YAG laser feedback interferometer is easy to change.Compared with Nd∶YAG crystal,a single longitudinal mode linearly polarized light of Nd∶YVO4crystal is more stable,and the center frequency of relaxation oscillation is higher,thus velocity measurement accuracy increases with the increase of shift frequency.Nd∶YVO4laser feedback interferometer prototype is designed and manufactured,and a digital phase meter with external trigger function is used.After the optical power stability experiment and comparative experiment,the indexes of the laser feedback interferometer are obtained.The laser power fluctuation is 1.89% within 3 h,linearity is 7.0625×10-6within the 400 mm measuring range and standard deviation is 0.936 μm.

Nd∶YAG；Nd∶YVO4；single longitudinal mode；linearly polarized light；digital phase meter

1001-5078(2015)10-1180-04

科技部国家重大仪器专项(No.2011YQ04013603)；南通大学研究生科技创新计划项目(No.YKC13012)资助。

邓 勇(1965-),男,副教授,主要从事测试技术及仪器方面的研究工作。E-mail:dengy@ntu.edu.cn

2014-12-10;

2015-03-23

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.007