一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源及干涉仪

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源及干涉仪。

背景技术：

1、激光干涉仪是国际上测量光学元件面形偏差或者光学系统波像差的标准仪器。因为具有非接触、高精度、可溯源等优点，激光干涉仪已广泛用于航空侦查、高能激光、半导体检测和天文光学等领域。

2、干涉光源是激光干涉仪的核心模块之一。配合干涉仪的扩束、标准镜及成像等模块形成稳定且对比度高的干涉条纹是干涉光源的主要功能。干涉光源的进步拓展了干涉仪的测量功能，促进了现代光学制造水平的提高。例如，现有技术中提出了一种波长调谐干涉光源，解决了pzt移相器承载不足、大口径干涉仪高精度移相的难题，使干涉仪的测量口径达到米量级，为大口径光学元件和平行平板的光学参数检测提供了切实可行的手段，该光源也是目前国际上最常用的大口径干涉仪光源方案。随着光学制造技术的发展，大口径干涉仪已从传统的实验室校准仪器发展为可用于车间加工和装调的检测设备，可调谐干涉光源也面临新的技术挑战。一方面，车间环境下干涉条纹极易受环境振动干扰，希望可调谐干涉光源能提供更大的输出功率，由此在更短的曝光时间内冻结干涉条纹，实现干涉面形或者波像差的精确解调。另一方面，光学系统常需要在镀膜前装调，低反射率光学系统难以形成一定强度的测试光束，形成有效干涉条纹，因此需要更高功率的可调谐干涉光源。

3、当前，主流大口径干涉仪使用的可调谐光源波段为633 nm，主要为兼容常用氦氖光源激光干涉仪功能模块的工作波长。littman型外腔可调谐激光器相干性好，配合高精度数模转换，可实现fm量级的波长调谐分辨率，是波长调谐干涉光源的理想选择。国内对littman型可调谐激光器的研究大多集中于近红外波段，偏离633nm波段过多，难以用作主流大口径干涉仪的干涉光源。例如，现有技术中提出的基于星形柔性铰链调谐的780 nm波段littman型可调谐激光器、tlb-6804系列激光器、tec-500-0635系列激光器，它们虽然均能输出匹配常用干涉仪的633 nm激光，但其波长调谐光源采用张应变gainp量子阱结构，其异质结的电子势垒较小，有源区载流子容易泄露，在室温下难以实现高功率输出。现有技术中还提出通过设计具有弯曲波导的增益芯片降低激光器内腔反馈，通过在准直透镜后安装分立的1/2波片的方法提高外腔耦合效率，但其并没有解决激光器光电转换效率低的问题，同时该方案本身还需在littman外腔光路中添加半波片固定调节件，增大了外腔激光器的装调难度。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源及干涉仪。相对于传统可调谐干涉光源，本发明特点主要包括：干涉光源工作在algainp/gainp半导体的高增益谱区，提高干涉光源光电转换效率和激光器特征温度，降低了热损耗；干涉光源增益波导采用弯曲波导结构，减弱干涉光源增益波导输出端反馈，提升激光稳定性与单纵模运转功率；干涉光源波导输出光场极化方向与光斑长轴直接平行化，无需在增益芯片封装外设置分立的半波片，从而提高外腔衍射效率，降低谐振腔损耗，减小激光阈值，提升输出功率。在此基础上，本发明提出能兼容传统光源和本发明光源的干涉仪结构，提升干涉仪的工作波长适应范围。

2、实现本发明的技术解决方案为：一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，包括高增益长轴偏振波导、准直透镜、全息光栅、反射棱镜、pzt 、ntc热敏电阻、tec 、恒流驱动电源和温控器、数模转换器；所述高增益长轴偏振波导、准直透镜、全息光栅、反射棱镜共同构成了littman外腔光路结构，数模转换器通过步进电压控制pzt 推动反射棱镜旋转，改变外腔滤波作用的中心波长实现波长调谐，ntc热敏电阻紧贴高增益长轴偏振波导，实时读取其温度，tec 依据ntc热敏电阻读取的温度值进行温控；所述恒流驱动电源和温控器分别与ntc热敏电阻、高增益长轴偏振波导和tec 连接，以提供高精度的温度控制和增益芯片的直流驱动，保障可调谐干涉光源的高功率稳定输出。

3、一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源的干涉仪，包括可调谐干涉光源，以及保偏光纤、pbs 、1/4波片、准直镜、标准镜、测试镜、cmos相机；可调谐干涉光源经保偏光纤输出p偏振态线偏光，p偏振态线偏光由pbs 透射进入1/4波片，变为圆偏振光，最后通过准直镜形成准直光束，准直光束分别依次经过标准镜和测试镜的反射后，第二次经过1/4波片成为s偏振态，再经pbs反射后进入cmos相机，通过cmos相机获取干涉图；外接上位机通过控制可调谐干涉光源的步进电压实现对可调谐干涉光源的波长调谐功能，并最终解算出待测元件面形。

4、与现有波长调谐干涉光源及干涉仪相比，其显著优点在于：

5、（1）本发明首次提出一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源。该波导优化了可调谐干涉光源增益谱中心波长，采用压应变gainp量子阱和algainp势垒有源区设计，有效抑制有源区载流子泄露，具有更高的光电转换效率和接近室温的特征温度，提升了干涉光源的输出功率。

6、（2）本发明优化了一种一端弯曲的单角度面增益波导结构，有效减弱增益波导输出端反馈强度，提升激光稳定性与单纵模运转功率，拓宽了干涉光源的无跳模波长调谐范围。

7、（3）本发明通过在增益波导端面封装半波片的方式，使增益芯片自身能输出长轴偏振光，无需使用分立的半波片元件。增益芯片输出光场极化方向与光斑长轴平行化，提升了外腔衍射效率，降低了激光阈值，提升了输出激光效率和功率。

8、（4）本发明通过基于角谱传输理论的外腔滤波模型对外腔光路参数进行计算优化，在保证干涉光源输出功率和稳定性的同时，尽量减小光路体积，提升了干涉光源的鲁棒性。

9、（5）本发明对斐索干涉光路进行改进，采用零级波片与偏振控制元件，兼容传统干涉光源和本发明所述干涉光源波段，解决了因窄带延迟器件对波长敏感导致的干涉图对比度不均匀问题。

10、（6）本发明通过驱动数模转换器，实现可调谐干涉光源的高分辨、大范围无跳模调谐。同时，可根据光源实际波长进行波段更改，保证了不同波段光源测量结果的一致性。

11、（7）本发明提出一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源的干涉仪，有效缩短了干涉仪的曝光时间，增强干涉仪在光学车间的抗振能力和不镀膜光学系统测量的测量能力。

技术特征：

1.一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，其特征在于：包括高增益长轴偏振波导（10）、准直透镜（11）、全息光栅（12）、反射棱镜（13）、pzt （14）、ntc热敏电阻（15）、tec （16）、恒流驱动电源和温控器（17）、数模转换器（18）；所述高增益长轴偏振波导（10）、准直透镜（11）、全息光栅（12）、反射棱镜（13）共同构成了littman外腔光路结构，数模转换器（18）通过步进电压控制pzt （14）推动反射棱镜（13）旋转，改变外腔滤波作用的中心波长实现波长调谐，ntc热敏电阻（15）紧贴高增益长轴偏振波导（10），实时读取其温度，tec（16）依据ntc热敏电阻（15）读取的温度值进行温控；所述恒流驱动电源和温控器（17）分别与高增益长轴偏振波导（10）、ntc热敏电阻（15）和tec （16）连接，为增益芯片提供直流驱动和高精度的温度控制，保障可调谐干涉光源的高功率稳定输出。

2.根据权利要求1所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，其特征在于：高增益长轴偏振波导（10）包括半波片（10-1）、增益芯片（10-2）和管座（10-3），增益芯片（10-2）倾斜放置在管座（10-3）内，以保证光束自管座（10-3）的输出端垂直输出；高增益长轴偏振波导（10）采用弯曲波导结构，用以降低增益芯片（10-2）的内腔反馈，管座（10-3）的输出端封装有一块半波片（10-1），用以输出长轴偏振光，提升可调谐干涉光源的输出效率。

3.根据权利要求2所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，其特征在于：高增益长轴偏振波导（10）采用压应变gainp量子阱和algainp势垒有源区设计，其应变量子阱光增益系数表述为：

4.根据权利要求3所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，其特征在于：根据基于多光束干涉理论的外腔增益模型、高增益长轴偏振波导（10）的结构以及掺杂材料要求，高增益长轴偏振波导（10）的输出端反馈强度应控制在0.05%以下，以增加干涉光源无跳模调谐范围；为实现反馈强度在0.05%以下的内腔弱反馈，高增益长轴偏振波导（10）采用弯曲波导结构；对于输出端同法线夹角为的波导来说，值由输出端面反馈强度r决定，r表述为：

5.根据权利要求2所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，其特征在于：高增益长轴偏振波导（10）输出光场极化方向与光斑长轴平行，同时垂直于全息光栅（12）刻线方向；

6.根据权利要求1所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源，其特征在于：所述可调谐干涉光源的外腔光路参数由基于角谱传输理论的外腔滤波模型计算优化得到，在保证可调谐干涉光源输出功率和稳定性的同时，尽量减小光路体积，提升干涉光源鲁棒性；根据角谱传输理论和光场重叠积分公式，由波长决定的外腔耦合效率为：

7.一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源的干涉仪，其特征在于：包括如权利要求1~6任意一项所述的可调谐干涉光源（1），以及保偏光纤（2）、pbs （3）、1/4波片（4）、准直镜（5）、标准镜（6）、测试镜（7）、cmos相机（8）；可调谐干涉光源（1）经保偏光纤（2）输出p偏振态线偏光，p偏振态线偏光由pbs （3）透射进入1/4波片（4），变为圆偏振光，最后通过准直镜（5）形成准直光束，准直光束分别依次经过标准镜（6）和测试镜（7）的反射后，第二次经过1/4波片（4）成为s偏振态，再经pbs（3）反射后进入cmos相机（8），通过cmos相机（8）获取干涉图；外接上位机（9）通过控制可调谐干涉光源（1）的步进电压实现对可调谐干涉光源（1）的波长调谐功能，并最终解算出待测元件面形。

8.根据权利要求7所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源的干涉仪，其特征在于：可调谐干涉光源（1）由数模转换器（18）实现不低于0.1nm的无跳模调谐范围，以及精度可达0.1pm的调谐分辨率，以满足干涉仪在不同腔长下测量的需求；根据波长移相干涉测量的移相量计算公式：

9.根据权利要求7所述的基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源的干涉仪，其特征在于：对传统斐索干涉光路进行改进，斐索干涉仪主机中的1/4波片（4）采用零级波片，改善干涉条纹对比度不均匀的问题；外接上位机（9）根据可调谐干涉光源（1）实际波长进行波段更改，保证不同波段光源测量结果的一致性；使用可调谐干涉光源（1），并根据被测系统反射率调整曝光时间和增益系数，实现抗振干涉测量与低反射率系统的干涉测量。

技术总结
本发明公开一种基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源及干涉仪，包括基于高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源、保偏光纤、PBS、1/4波片、准直镜、标准镜、测试镜、CMOS相机。可调谐干涉光源采用高增益长轴偏振波导，配合高精度数模转换控制器，在实现高精度、大范围无跳模调谐的同时，缩短干涉仪的曝光时间，增强干涉仪在光学车间的抗振能力；本发明可根据光源实际波长进行波段更改，通过标定高增益长轴偏振波导的可调谐干涉光源的步进调谐电压进行干涉测量，最终实现振动环境下低曝光快速解算待测元件面形。

技术研发人员：韩志刚,杨顺帆,杨振营,朱日宏,刘明,徐琛
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24