高功率穩頻激光光源

對干涉測量的重要性

激光光源波長的精度和穩定性，是各類基于干涉原理計量方案的精度基礎。在菲索式激光干涉儀中，相干性更好的激光光源，可以用于更長光程的干涉腔，這在某些應用場合至關重要。

ZYGO菲索式干涉儀，具備QPSI抗振移相采樣，以及Dynaphase動態采樣模式。這些模式都需要在對干涉條紋單幀采樣中，大幅減小快門時間，以在一瞬間“凝固”不斷變化的條紋圖案。

50Hz刷新頻率下，攝像頭標準模式的快門時間為20毫秒，而瞬態模式下快門要求*少達到100微秒的級別，相差了100倍。

在各類瞬態模式下，需要更高功率的穩頻激光光源，配合良好設計的光學系統，才能在微秒級別快門下，獲得足夠信噪比的干涉條紋信號。這是新一代高分辨率菲索式激光干涉儀，采用新的高功率穩頻激光的主要原因。

氦氖激光管基于不同的設計，會有一個特定的增益曲線，如上圖。這一增益曲線，能選擇激光管內特定頻率或波長的激光，保持正反饋震蕩輸出。每一個特定頻率或波長，對應于激光管震蕩腔內一個可能的震蕩模式。

如上圖的增益曲線下的三條實線，就代表三個模式，對應三個波長或頻率有微小差異的激光震蕩輸出。這種多模輸出的激光光源，其相干性也會下降，在特定腔長的位置，干涉條紋的對比度會變弱。

更嚴重的問題是，受環境尤其是溫度影響，普通氦氖激光管的增益曲線還會漂移，造成激光管輸出的激光波長也會發生漂移，嚴重的時候激光管里的模式多少也發生變化，造成干涉條紋的直流光強和條紋對比度都不穩定。

ZYGO干涉儀所用到的高功率穩頻氦氖激光管，都是自己設計制造的；采用了更長的激光管，并專門設計了腔鏡面形，所充氣體成分，從而可以得到更高功率的穩定輸出。*重要的，ZYGO的穩頻激光管還包括一套自適應的主動調整機構，可以根據環境變化，調整激光震蕩腔腔長，以鎖定增益曲線以及對應的模式。*終，通過偏振器件，選取單一模式或頻率的激光，穩定輸出。

ZYGO當前所有型號菲索式式激光干涉儀，都采用穩頻高功率激光光源。輸出功率4mw，比上一代光源提高一倍，并且保證單模穩頻輸出，所有能量都可以用于干涉計量。該激光管穩定可靠，保修三年，預期使用壽命100,000小時，這意味著24小時使用，可預期壽命在十年以上。

如圖，2mw普通非穩頻氦氖激光管，與4mw穩頻激光管輸出功率穩定性的比較。

在18小時內，外界溫度自23.5到25.5攝氏度的變化過程中，非穩頻激光輸出功率在0.5mw至1mw之間大幅波動，而穩頻激光管保持3mw幾乎沒有波動。

在瞬態測量模式下，如果能使用越小的快門時間，就能得到良好對比度的干涉條紋，那說明當前包括穩頻激光管，照明，成像的光學系統的性能越好，能提供更強的干涉光強。

這里條紋對比度良好的具體標準是，干涉條紋圖中開始有像素達到光強飽和。達到飽和不僅取決于穩頻激光管功率，還和以下因素相關：

·     測試更高反射率的參考鏡和標準鏡，反射的激光越強，攝像頭更容易飽和。

·     分辨率越低，多個像素合并后感光的區域越大，也容易達到飽和。

上圖展示了ZYGO Dynafiz動態干涉儀在不同分辨率(1.2k*1.2K或600*600)，反射率不同的參考鏡及標準鏡條件下，能達到飽和的*小快門時間。

大多數攝像頭快門速度都可以達到10-12微秒這一數量級，但并不代表系統可以在任何情況下都能使用*快快門，而不用擔心是否有足夠的條紋對比度及信噪比。上圖給出在不同應用條件下快門設置的參考：

·     1.2K分辨率模式下，4%反射率標準鏡和參考鏡，需要快門時間達到100微秒，才開始有像素光強飽和。

·     600*600分辨率模式下，4%反射率標準鏡和參考鏡，快門27微秒，就開始有像素光強飽和。

·     1.2K分辨率模式下，高反射率標準鏡及參考鏡，僅需要快門時間27微秒，就達到飽和。

·     600*600分辨率模式下，高反射率標準鏡及參考鏡，快門時間12微秒就可以了。