基于光纖多波長激光器的相位延遲高精密測量系統設計

馬文斌，張海慶

(1.貴州民族大學 機械電子工程學院，貴陽 550025； 2.西安工業大學 光電工程學院，西安 710021)

0 引言

激光器波片屬于典型偏振光學元件之一，可以對特定波長的光波產生一定的相位延遲，被廣泛地應用在許多與偏振有關的光學系統中[1-2]。相位延遲是激光器波片最重要的參數指標，而波片的加工精度和測量精度直接影響著波片應用系統的質量。對激光器波片相位延遲的影響因素很多，如受環境溫度、受薄板厚度影響的加工均勻性和應力雙折射等。其中，參量大小對激光器可靠性能的影響很大，應用系統質量也有很大影響。利用晶體雙折射特性的激光波片作為相位延遲器件，通過偏振器在特定波長上對光進行有效的偏振調節[3-4]。

相關領域研究學者對相位延遲測量進行了研究，并取得了一定的研究成果。文獻[5]設計基于彈光調制與數字鎖相技術的波片測量系統。利用彈光調制器調制檢測激光，采用基于FPGA的數字鎖相技術，對調制信號進行提取，解調波片相位延遲量和快軸方位角，實現波片測量。該方法能夠有效優化重復度，但相位延遲測量精度較低。文獻[6]提出基于雙彈光差頻調制的中紅外相位延遲精確測量方法，采用硒化鋅型彈光調制器的差頻降低系統，對頻率進行調制，生成相位延遲低頻調制信號，根據調制后差頻幅值，計算波片相位延遲，實現相位延遲測量。該方法能夠有效抑制光強波動，但偏振器的方位角容易對激光強度造成很大影響。為此，設計了基于光纖多波長激光器的相位延遲高精度測量系統。

1 系統總體架構設計

以光纖激光為光源，將偏振波片置于光纖激光外腔中，可使兩個正相交的諧波產生相位差，實現對相位延遲的測量。通過在多波長光纖激光器中，放置能在兩個方向折射光的波片，可將起偏器分裂成兩個不同物理長度的起偏器腔，每個腔內都會產生偏振頻率，由此測量相位延遲。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

根據圖1所示，光纖多波長激光光路被垂直對齊，由上而下分為強光探測器、激光探測器、頻差探測器和計算機自動控制的測量程序[7-9]。采用工作波長為632.8 nm的半腔光纖多波長激光器，諧振腔由一只或兩只鏡片組成，反射面安裝在壓電陶瓷表面，以激光器軸方向對腔長進行調節；在光纖激光室開口安裝波片支架，將待測波片與偏置波片分開放置；將溫度傳感器安裝在晶片框架附近，實時記錄溫度，用于檢測和補償環境溫度對晶片測量的影響；利用數據采集器實時記錄測量過程中光強變化曲線，快速確定頻差測量工作點；頻率計數器就是兩種正交偏振型的頻差檢測器，可以對工作點進行多次測量[10]。利用微機程序接收光強和頻差信號，通過改變壓電陶瓷的驅動電壓、控制光纖多波長激光腔長度等方法，能夠自動測量波片，并根據波片不同的相位延時進行計算，得到最終的測量結果。

2 系統硬件結構設計

基于光纖多波長激光器的相位延遲高精密測量系統硬件結構主要由光源器件、伺服電機、光電探測器和人造偏振片組成。其中，光源器件采用532 nm半導體激光器，伺服電機將轉子作為驅動裝置，利用永磁體特性驅動U/V/W三相電磁場，并使用SGX5528光電探測器，選取聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振薄膜，完成系統硬件結構設計。在多波長光纖激光器進入該系統后，當入射光功率超過一定閾值時，被介質吸收，使介質密度呈現周期性變化，從而形成光柵折射率?；诠饫w散射現象的多波長激光器相位延遲高精密測量系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

在圖2所示的精密測量系統中，采用光纖耦合器轉角的大小，利用光電探測器采集監測信息并傳輸到計算機中[11-12]?；诙嗖ㄩL激光源，運用半導體激光器，測量監測信息，以提高數據測量的可靠性。利用光纖起偏器，改善偏振態消光比，結合補償器，調整激光偏振狀態，能夠對光學器件產生的小相移進行補償。通過數據采集卡，結合電機驅動器，控制伺服電機。將偏振片加入檢測器中，可根據偏光片的偏振角來計算待測樣品的相位延遲時間，即待測偏光片的偏振角。利用成像透鏡，分析偏振性能，使用光電探測器，將光能轉化為電能，實現電勢差的檢測。采用單色儀分析光譜并對光譜特性進行測量，再應用探測器，記錄光譜線的位置和強度，實現相位延遲的高精密測量。

2.1 光源器件

根據系統的多波長波片結構的特點，在設計和測試初期就采用了多波長激光源，而不需要進行強度測試。因此，采用532 nm半導體激光器，它具有高功率、高質量、低噪聲、多波長等優點，能有效提高數據測量的可靠性。該激光器的激光參數的穩定性和一致性較好，不受功率、批量和工作溫度的影響。

2.2 伺服電機

伺服電機的精度決定于編碼器精度，其結構如圖3所示。

圖3 伺服電機結構

由圖3可知，脈沖器是伺服電機的定位功能，每次收到脈沖器時，就轉動脈沖器相應的角度來實現位移。脈沖與伺服馬達經反復一次旋轉角度后，形成回波或閉環，系統根據脈沖進行發送或收回[13-14]。伺服電機采用轉子為驅動裝置，利用其永磁體的特性來驅動U/V/W三相電磁場，使電機的轉動能夠被非常精確地控制，從而實現電機的精確定位。

2.3 光電探測器

使用SGX5528光電探測器，該檢測器是通過半導體材料將光能轉化為電能，以此檢測電勢差。SGX5528光電探測器結構如圖4所示。

圖4 SGX5528光電探測器

由圖4可知，光電導電效應是電子吸收光子能量，由鍵態變為自由態，因而在光的作用下，會產生電導率的變化[15]。這種物理現象是由光輻射材料的電導率的變化所引起的，在強光輻射下，通過光子光學材料，使光導體的電導率增大，吸收后再產生光生載流子，從而改變半導體的電導率。

2.4 聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振片

聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振薄膜結合力強，不脫色，耐潮濕，能滿足極化、選擇性成膜的要求，極化薄膜可通過縱光或橫光屏蔽和穿透入射光。聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振片的合成材料有黑白和彩色兩種，并能進行透射、反透射和反射。在網狀聚乙烯醇薄膜中浸入碘鹽溶液，再用硼酸溶液還原穩定。聚合物經過4～5次重組后，排列有序，由網狀結構轉變為線狀結構，使碘分子在膜表面得到均勻吸附，從而實現極化檢測。

3 系統軟件部分設計

3.1 高精密測量設計步驟

基于光纖多波長激光器的相位延遲高精密測量系統的測量步驟如下所示：

步驟一：保證每個器件在底座上的穩定性，調節光路以滿足外形、同軸要求。通過前后限幅約0.6 mm的光孔，光束進入光電探測器中，避免系統的束流過大。

步驟二：激光發射光分成兩束輸出，其中一束是通過偏光片、電光調制器、相位補償器、偏光片及光電探測器輸出至顯示裝置，另一束輸出到激光單色儀，用于測量光源的波長。

步驟三：輸出光強由偏振鏡調整為最大或最小，確保二者為正交。

步驟四：調整電光調制器晶軸的方向，將其放置在偏振鏡和光鏡之間，使光通過信號線與電光調制器相連接，保證光纖與光學表面的90°角[16-18]。調節光電調制器的方向，使激光光束旋轉到消光位置，保證偏振方向與激光光束平行，并調整到倍頻器可識別的0°和45°范圍，以保證測量結果的準確性。

步驟五：在被測器件之間的光路中放置相位延時為零的補償器和電光調制器，并對測波片的晶軸方位進行調整。通過被測儀的光學表面的光一定是垂直的，通過被測儀的旋轉，光的傳播方向就會傳遞到消光位置。隨后將該裝置旋轉45°，示波器通過使該裝置的長軸方向與補償器的長軸方向一致來顯示混合信號。當示波器倍頻信號再次出現時，可對補償器的測量螺桿進行調節，能夠準確計算相位延遲，從而實現對基于光纖多波長激光器的相位延遲高精密測量。

3.2 基于直接測量法計算相位延遲

以所測波片波長為基準，測量同一光源的相位延遲。首先用激光把光線分成兩路，一路通過分光鏡到達單色儀，然后由分光鏡測量中心波長的精確值。另一路是要求偏光片具有與激光相同的偏振方向，此時輸出光強達到最大。

假設光纖多波長激光器的偏振方向為y軸方向，激光在二維空間下的矩陣公式可表示為：

(1)

光纖多波長激光在經過了起偏器p后，其矩陣在二維空間下的矩陣公式可表示為：

(2)

電光調制器的感應軸與x軸成45°角，速度與波片和補償器C的速度軸一致，可對電光調制器上施加三分之一的半波電壓，即1 300 V，可以滿足線性測量的要求[19-20]。

加入交流調制信號，由調制信號源加入光電調制器，由此得到電壓為：

V=Vmsin2πf0t

(3)

公式(3)中，Vm表示調制頻率為2 kHz，f0表示交流信號頻率，t表示調制時間。由此產生相位延遲為：

(4)

公式(4)中，Va表示電光調制器半波電壓。

采用光纖多波長激光檢測器[21]，通過選擇窄帶放大器濾除無效信號和噪聲，得到較高的信噪比，從而達到較好的檢測效果。在信號處理電路中，當檢測到基帶信號消失時，只需要對倍頻成分進行完全補償，源頻率就會非常穩定，從而可以有效地確定消光位置，完成相位延遲高精密測量。

4 實驗分析

為了驗證設計的基于光纖多波長激光器的相位延遲高精密測量系統的合理性，進行實驗驗證分析。

4.1 實際參數獲取

在不加測波片的多波長激光器情況下，調整相位補償器到初始位置，記錄此位置為L0；調整相位補償器到2π時，記錄此位置為L1；從示波器上光信號首次出現到光信號消失的記錄位置為L2。針對不同波長光源位置下的平移量，如表1所示。

表1 不同波長光源對應的平移量

從表1中可看出，理想情況下的測量系統平移量誤差較小，其中L0允許誤差為0.019 mm、L1允許誤差為0.008 mm、L2允許誤差為0.003 mm。

4.2 實驗結果與分析

分別使用基于彈光調制與數字鎖相技術的測量系統、基于雙彈光差頻調制的測量系統和基于光纖多波長激光器的測量系統測量不同波長光源對應的平移量，測量結果如圖5所示。

圖5 三種系統不同波長光源對應平移量測量結果

由圖5可知，使用基于彈光調制與數字鎖相技術的測量系統L0位置下的平移量最大值為2.751 mm，最小值為2.735 mm，誤差為0.019 mm；基于雙彈光差頻調制的測量系統L0位置下的平移量最大值為2.751 mm，最小值為2.737 mm，誤差為0.014 mm；而基于光纖多波長激光器的測量系統L0位置下的平移量最大值為2.751 mm，最小值為2.743 mm，誤差為0.008 mm。由此可知，三種系統誤差均在理想誤差范圍內，但相比基于彈光調制與數字鎖相技術的測量系統和基于雙彈光差頻調制的測量系統，基于光纖多波長激光器的測量系統的平移量誤差較小，說明該系統在L0位置下的平移量測量精度較高。

使用基于彈光調制與數字鎖相技術的測量系統L1位置下的平移量最大值為15.040 mm，最小值為15.030 mm，誤差為0.010 mm；基于雙彈光差頻調制的測量系統L1位置下的平移量最大值為15.039 mm，最小值為15.030 mm，誤差為0.009 mm；而基于光纖多波長激光器的測量系統L1位置下的平移量最大值為15.038 mm，最小值為15.030 9 mm，誤差為0.007 1 mm。由此可知，基于光纖多波長激光器的測量系統誤差小于L1允許誤差，說明基于光纖多波長激光器的測量系統在L1位置下的平移量測量結果精準。

使用基于彈光調制與數字鎖相技術的測量系統L2位置下的平移量最大值為12.316 8 mm，最小值為12.313 5 mm，誤差為0.003 3 mm；基于雙彈光差頻調制的測量系統L2位置下的平移量最大值為12.314 5 mm，最小值為12.312 0 mm，誤差為0.002 5 mm；基于光纖多波長激光器的測量系統L2位置下的平移量最大值為12.316 mm，最小值為12.314 mm，誤差為0.002 mm。由此可知，基于光纖多波長激光器的測量系統誤差小于L2允許誤差，說明基于光纖多波長激光器的測量系統在L2位置下的平移量測量結果精準。

綜上所述，基于光纖多波長激光器的測量系統在L0、L1、L2位置下的平移量測量誤差較小，能夠有效提高相位延遲測量精度。

5 結束語

為了減小不同波長光源對應平移量誤差，提高相位延遲測量精度，設計了基于光纖多波長激光器的相位延遲高精密測量系統。通過選取532 nm半導體激光作為系統光源，采用伺服電機為系統供電，使用SGX5528光電探測器實現光轉換為電，利用聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振片，測量偏振片的透振方向和橫軸夾角。利用直接測量法，計算待測波片的相位延遲，通過調整電光調制器晶軸方位，保證光束垂直入射到器件表面，實現相位延遲高精密測量。該系統能夠有效提高測量精度，減小測量誤差。