半导体激光器在干涉测量系统中的应用(3)
1.2本文的研究背景和意义
光源是激光干涉测试系统的核心部件，构架整体的脉络，具有举足轻重的地位。对于常用高精度测试系统而言，需要使用相干性好、频率及强度稳定的激光光源。目前常用的光源主要有固体激光器、半导体激光器和气体激光器等[5]。固体激光器是激光是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，最常采用的固体工作物质有红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等。固体激光器的特点是：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达吉瓦、几十太瓦），结构紧凑牢固耐用。气体激光器是以气体或蒸汽作为工作物质的激光器。He-Ne激光器是在1960年研制成功的第一种气体激光器。由于它具有优质的出射光束、良好的功率稳定性和优良的激光参数，至今仍然是最广泛的一种气体激光器。半导体激光器是以半导体材料为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜，以及可以高速工作等一系列优点。半导体激光器自1962年问世，尤其是20世纪80年代以来发展极为迅速，是目前光通讯系统的最重要的光源，并且在激光打印、全息照相、激光准直及医疗等许多方面都取得了成功应用[6]。
由于半导体激光器的体积小、重量轻、转换效率高等优点，已经逐渐广泛应用在光学干涉测量中。半导体激光器的使用，方便了光源的调制，减小了光源体积，降低干涉仪的成本，与计算机技术的结合更大大提高了干涉信号的处理速度。近几年上海恒益光学精密机械有限公司开发研制了一种小口径立式球面/平面激光干涉仪—SP-25A。该干涉仪光源采用波长635nm的半导体激光器，配有CCD接收和监视器显示，有效口径25mm。另外南京英特飞光电技术有限公司也精心研制了一种小型便携式“Smarc干涉仪”，旨在用于小球面/平面加工现场生产线检测。该仪器也是采用的半导体激光器（λ=632.8nm），其整机设计紧凑，在工作时仅需极小的空间，仪器有效口径为25mm [7] 。
虽然激光器和固体气体激光器的输出光束质量比较好（单色性、光束方向性及稳定性等），然而其在体积、环境要求等方面却不及半导体激光器。在一定测量精度的斐索型干涉仪中，半导体激光器如果能代替He-Ne激光器，那么干涉仪的体积可以大大减小，便于仪器的外形设计，也便于车间的快速检测，更可以降低开发成本和难度，促进光学企业的优化。
现有的适用于生产线的干涉仪口径都较小，扩大干涉仪的测量口径是必然趋势。随着光学制造加工业的迅速发展，对光学元件的检测仪器不仅要大口径小型化，同样也不能降低测量精度。本论文通过使用剪切干涉、夏克-哈特曼传感器等波面检测方法测试半导体激光干涉仪的出射波面质量，对比不同口径时小型斐索干涉仪的出射波前变化，从而分析半导体激光器的光束性质。以此验证半导体激光器在干涉测量中实现高精度测量的可行性，分析其在大中口径光学元件检测中的应用范围。
1.3本文的主要内容
本文基于对半导体激光干涉仪出射波面的测量研究，分析半导体激光器在中小型口径斐索干涉仪中的应用。主要内容有：
1.从半导体激光器的工作原理出发，分析半导体激光器的出射光模型，并根据瑞利-索末菲衍射积分公式和稳相法推导准直后远场光束模型。通过matlab仿真分析准直前后半导体激光的光强特性。
2.用剪切板定性分析半导体激光束波前质量，并对干涉系统进行适当的调整，使出射光波的波前质量达到最佳。
3.分析夏克-哈特曼传感器的工作原理，熟悉传感器的使用方法。检测干涉系统自带的半导体激光器的出射波面，检测其出射波面，并分析其波面质量和像差来源。