ZYGO 干涉儀的相干光源
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。