激光反馈效应是指经外部物体反射或散射后的一部分光,反馈进入激光器谐振腔内,与腔内增益介质相互作用,引起激光器输出功率发生变化的现象^{[1, 2]}。对于激光反馈造成的各种现象,研究人员给出了相应的分析和理论解释。目前激光反馈已被应用于角度^[3]、位移^{[4, 5, 6]}等物理量以及物体三维形貌的测量^{[7, 8]}。

因为激光反馈的作用,当样品前表面处于光路系统的焦平面时,激光器输出功率最大;当样品前表面离开焦平面即有离焦时,激光器输出功率将减小^[7]。由此,可以建立深度测量系统,给出测量算法,即通过测量物体前表面每个点与焦平面的距离,实现物体空间深度的测量,从而完成物体的三维形貌测量。

为了分析半导体激光器反馈效应,用Lang-Kobayashi方程来表示反馈光,即

图 1为半导体激光器反馈光斑耦合光路图。设f₁和f₂分别是透镜L₁和显微物镜L₂的焦距,h是激光器输出光在L₁上的半径高度,h₁,h₂分别是反馈光在L₁和L₂上的半径高度。由于激光器孔径很小,半导体激光器发出的光斑形状可近似为圆形。当样品离焦距离x增大时,根据几何光学原理,反馈光斑经过L₁和L₂后会变大。由于半导体有源层的大小是固定的,因此反馈光耦合系数会随着离焦量x(光传播方向为正方向)的增大而变小,随x的减小而增大,并且在焦点处耦合系数最大。由此可知,激光器输出功率随离焦量增大而减小,在焦点处有最大输出功率。

图 1

Fig. 1

图 1 半导体激光器反馈光斑耦合光路图 Fig. 1 Feedback coupling optical path of the semiconductor laser

实验系统如图 2所示,系统采用半导体激光器模组作为光源,其内部封装有光电二极管,输出功率为5 mW,中心波长为650 nm,产生束腰直径为0.3 mm的点状光斑,其由低噪声激光器驱动板驱动。激光器输出光经显微物镜聚焦,样品前表面位于焦平面附近。光电二极管的引脚与基于ICL7650芯片的电流电压转换电路相连结,选用AC1081数据采集卡采集转换电路的输出电压值。通过编程,由计算机实现数据的采集和三维扫描平台的驱动。

图 2

Fig. 2

图 2 实验系统图 Fig. 2 Experimental system

激光器以及透镜组固定之后,激光器输出光经透镜组会聚的焦平面位置也就随之确定。当物体前表面在焦平面附近移动时,物体反馈的光使得激光器的输出功率发生变化(激光器输出功率由光电二极管测量，当激光器工作时，光电二极管会产生光电流，通过电流电压转换电路将产生的电流信号转换成电压信号。激光器输出功率最终通过转换电路以输出电压表示)。当物体表面在系统焦平面前后移动时，测得输出电压随离焦量的变化曲线如图 3所示,由图可见，当物体表面与焦平面重合时，输出电压最大，即激光器输出功率最大。

图 3

Fig. 3

图 3 样品移动时的输出电压变化Fig. 3 The variation of the output voltage

测量时通过扫描平台移动被测物体,使其前表面位于焦平面处。物体表面上的每个点到焦平面都有对应距离,获得各点对应平台移动的距离就可得到物体的深度信息,最后还原出物体的三维形貌。

图 4为深度测量算法流程图。在测定物体前表面和焦平面之间的距离时,为了提高效率,首先进行大步距的粗扫描,找到一个最大值S_max作为参考值。当第二次沿Z轴正方向扫描时,若采集卡采集电压小于0.95S_max,则表示物体前表面离焦平面还有一段距离;若大于或等于0.95S_max并且小于等于1.05S_max,则表示物体前表面已经接近而没有经过焦平面(取1.05S_max是为了减小采集卡噪声对每次数据最大值判断的影响),此时采用10 μm小步距测量;当采集卡本次采集的电压值小于等于上一次的值时,则认为物体表面已经离开焦平面,记录步进电机运行的距离后,扫描下一个点。

图 4

Fig. 4

图 4 深度测量算法流程图Fig. 4 The flow diagram of the depth measurement algorithm

选择钥匙作为测量样品,X-Y面的采样步距是100 μm,采样点数是40×40;Z轴粗采样步距为50 μm,精确采样步距为10 μm,测量结果如图 5所示。样品扫描范围是钥匙的凹凸起伏部分,图 5显示了完整的凹槽部分,测量的平均深度为400 μm,槽宽为900 μm。作为对照使用游标卡尺对钥匙凹槽进行了测量,测得平均深度为470 μm,槽宽为880 μm。

图 5

Fig. 5

图 5 钥匙凹槽部分三维形貌测量结果Fig. 5 The measurement results of the parts of a key

本文给出的算法可以实现物体的三维形貌测量。由实验结果显示,钥匙表面并不光滑,主要有以下原因:(1)采集卡有噪声,噪声影响了最大值位置的判断;(2)光斑的大小影响X-Y面的采样步距,即X-Y面的分辨率,由于显微物镜的景深很小,当测量表面偏离焦平面时,在测量表面形成的光斑直径就急剧变化,导致反馈光强发生变化,造成采集的电压有误差;(3)半导体激光器由于温度变化产生功率漂移等原因也会造成实验误差变大。下一步的工作将对实验仪器进行改进,比如采用更好的电流源或者电流锁定电路,采用扫描阵镜代替步进电机等,以此来实现更精密的测量。