高功率稳频激光光源

对干涉测量的重要性

激光光源波长的精度和稳定性，是各类基于干涉原理计量方案的精度基础。在菲索式激光干涉仪中，相干性更好的激光光源，可以用于更长光程的干涉腔，这在某些应用场合至关重要。

ZYGO菲索式干涉仪，具备QPSI抗振移相采样，以及Dynaphase动态采样模式。这些模式都需要在对干涉条纹单帧采样中，大幅减小快门时间，以在一瞬间“凝固”不断变化的条纹图案。

50Hz刷新频率下，摄像头标准模式的快门时间为20毫秒，而瞬态模式下快门要求*少达到100微秒的级别，相差了100倍。

在各类瞬态模式下，需要更高功率的稳频激光光源，配合良好设计的光学系统，才能在微秒级别快门下，获得足够信噪比的干涉条纹信号。这是新一代高分辨率菲索式激光干涉仪，采用新的高功率稳频激光的主要原因。

氦氖激光管基于不同的设计，会有一个特定的增益曲线，如上图。这一增益曲线，能选择激光管内特定频率或波长的激光，保持正反馈震荡输出。每一个特定频率或波长，对应于激光管震荡腔内一个可能的震荡模式。

如上图的增益曲线下的三条实线，就代表三个模式，对应三个波长或频率有微小差异的激光震荡输出。这种多模输出的激光光源，其相干性也会下降，在特定腔长的位置，干涉条纹的对比度会变弱。

更严重的问题是，受环境尤其是温度影响，普通氦氖激光管的增益曲线还会漂移，造成激光管输出的激光波长也会发生漂移，严重的时候激光管里的模式多少也发生变化，造成干涉条纹的直流光强和条纹对比度都不稳定。

ZYGO干涉仪所用到的高功率稳频氦氖激光管，都是自己设计制造的；采用了更长的激光管，并专门设计了腔镜面形，所充气体成分，从而可以得到更高功率的稳定输出。*重要的，ZYGO的稳频激光管还包括一套自适应的主动调整机构，可以根据环境变化，调整激光震荡腔腔长，以锁定增益曲线以及对应的模式。*终，通过偏振器件，选取单一模式或频率的激光，稳定输出。

ZYGO当前所有型号菲索式式激光干涉仪，都采用稳频高功率激光光源。输出功率4mw，比上一代光源提高一倍，并且保证单模稳频输出，所有能量都可以用于干涉计量。该激光管稳定可靠，保修三年，预期使用寿命100,000小时，这意味着24小时使用，可预期寿命在十年以上。

如图，2mw普通非稳频氦氖激光管，与4mw稳频激光管输出功率稳定性的比较。

在18小时内，外界温度自23.5到25.5摄氏度的变化过程中，非稳频激光输出功率在0.5mw至1mw之间大幅波动，而稳频激光管保持3mw几乎没有波动。

在瞬态测量模式下，如果能使用越小的快门时间，就能得到良好对比度的干涉条纹，那说明当前包括稳频激光管，照明，成像的光学系统的性能越好，能提供更强的干涉光强。

这里条纹对比度良好的具体标准是，干涉条纹图中开始有像素达到光强饱和。达到饱和不仅取决于稳频激光管功率，还和以下因素相关：

·     测试更高反射率的参考镜和标准镜，反射的激光越强，摄像头更容易饱和。

·     分辨率越低，多个像素合并后感光的区域越大，也容易达到饱和。

上图展示了ZYGO Dynafiz动态干涉仪在不同分辨率(1.2k*1.2K或600*600)，反射率不同的参考镜及标准镜条件下，能达到饱和的*小快门时间。

大多数摄像头快门速度都可以达到10-12微秒这一数量级，但并不代表系统可以在任何情况下都能使用*快快门，而不用担心是否有足够的条纹对比度及信噪比。上图给出在不同应用条件下快门设置的参考：

·     1.2K分辨率模式下，4%反射率标准镜和参考镜，需要快门时间达到100微秒，才开始有像素光强饱和。

·     600*600分辨率模式下，4%反射率标准镜和参考镜，快门27微秒，就开始有像素光强饱和。

·     1.2K分辨率模式下，高反射率标准镜及参考镜，仅需要快门时间27微秒，就达到饱和。

·     600*600分辨率模式下，高反射率标准镜及参考镜，快门时间12微秒就可以了。