六 相關應用研究
6.2 以對雙共振峰差雷射穩頻方法使用於輪廓量測儀
在許多實驗室裝置或商品化儀器㆗包含了精密測長干涉儀，這些干涉 儀經常使用穩頻氦氖雷射做為其光源。然而，有很多場合，干涉量測系統 的重量與體積受限制，比如說把穩頻氦氖雷射為主體的干涉儀裝在㆒移動 或懸掛的量測頭㆖是有困難的。㆒個可以解決問題的方法是用光纖來導光，
但許多使用光纖的㆟都知道，光纖本身也會引入其它問題，例如當光纖被 移動時，在光纖內傳輸的光也會受到影響，如光的偏極或相位。另外㆒個 較好的選擇是使用體積遠小於氦氖雷射的半導體雷射。相較於氦氖雷射，
半導體雷射也有它實用㆖的困難，如它的線寬遠大於氦氖雷射，且其波面 遠較氦氖雷射差，使其測長範圍受到限制，這可以用㆒些波面修正鏡組及 壓縮線寬的方法，如使用本研究㆗㆒直在使用的延長共振腔來克服 [41]，
但這些方法將使得半導體雷射的體積變大且造價大幅㆖升。半導體雷射還 有㆒個問題就是它的頻率可以調很大的範圍，且每顆雷射的㆗心頻率及可 調範圍經常非常不同，這是它的優點但也是它的缺點，我們不容易找到㆒ 個像氦氖雷射㆒樣簡單可靠的穩頻方法。本研究提出兩個這方面的研究就 是使用 Fabry-Perot 共振腔來穩頻。由於 Fabry-Perot 共振腔有無限多個 共振峰供作鎖頻參考點，在半導體雷射頻率可調範圍㆗，總有幾個共振峰 在波長範圍內，只要適當的設計其共振腔的精細度（Finesse） 及 Free spectral range，也能輕易使雷射重覆鎖在同㆒個縱模㆖，再用其它方法去 校正其頻率。半導體雷射另㆒個重要缺點是對光反饋十分敏感，當用做干 涉儀光源時，有好的光束準直則表示回到雷射的光越多，頻率將受到大幅 度的擾動而造成失敗的量測。
儘管半導體雷射有㆖述諸多缺點，但由於其體積小的好處，因此還是 值得去尋找㆒些實用的方案。本研究企圖應用 657 nm 半導體雷射干涉量 測儀，建立㆒套輪廓量測儀。這個輪廓量測儀主要包括㆒個槓桿探針用來 量測待測物的高度變化，待測物擺在㆒個移動台㆖，用干涉儀同時量測槓 桿探針與移動台的移動量，則可以畫出待測物的輪廓。這套輪廓量測儀過
適合作為干涉儀光源。如緒論㆗所述，我們使用波長 657 nm 的雷射，主 要是考慮這個波長的半導體雷射品質/價格比優於其它波長的雷射。而且在 這波長附近有㆒條以鈣原子光譜為參考波長的建議輻射，未來可供波長校 正用。另外它是可見光，量測比較方便。但我們發現這種雷射有㆒個缺點 就是它有些波長區雖在宣稱的波長可調範圍㆗，但是卻無法藉由雷射溫度 或電流改變來調到這些波長，不像㆒般的Fabry-Perot 雷射大多可以調到。
圖45 是測試 Blue-Sky 公司的微透鏡半導體雷射波長與電流的關係：
圖45 微透鏡雷射波長對雷射電流的關係
在圖㆗雷射溫度的改變由15.5 oC 到 24 oC，每隔 1.5 度量測㆒組數據，每 組數據電流從 50 mA ㆒直測到 80 mA 所組成的波長分佈。從圖㆗可看出 對於同㆒顆雷射調整電流可以微調波長，但只限定在很小的區域變動，要 不然就跳到另㆒個縱模㆖，變成不同的波長。改變雷射溫度可以將波長電 流曲線作小幅度向㆖或向㆘平移，但溫度變化範圍再大就會跳到另㆒個縱 模㆖，所以會有㆒大段波長範圍不管如何調電流、溫度都到不了。由於這 個間隙有0.5 nm (相鄰 1 縱模間距) 到 1 nm (相鄰 2 縱模間距)，所以如果 用這種雷射當干涉儀光源，且打算使用 657 nm 的建議輻射作頻率比對量 測的應用，則㆒開始就要挑選波長(頻率)與建議輻射較接近的雷射。如果要 求較低可以使用波長儀校正波長則不需顧慮。如本文㆗的輪廓儀，要求較
高的垂直方向高度變化只有12 mm，要求量測精度只要到 0.1 µm，雷射波 長只要準到約 10-5~10-6 就夠了。對於調不到的波長，可以改變微透鏡與雷 射反射面間距離來得到，但所需工程複雜，且雷射封裝方式改變，這種方 法便未必可行。
本工作為避免體積太大並未使用光隔離器，取而代之的是正交偏極的 干涉光路，圖 46 就是輪廓量測儀系統圖。在圖 46 ㆗，半導體雷射光束㆒ 部分光做為穩頻用，另㆒部分則經㆒個λ/2 半波片調整適當的偏極方向，之 後進入干涉儀系統。干涉儀參考臂由㆒個λ/4 波片及㆒反射鏡構成，光束反 射回來後則可直接穿透偏極化分光鏡。量測臂則主體是由㆒個直角稜鏡
（Right-angle-prism）所構成的回溯反射器（Retroreflector），及㆒個λ/4 波片以及㆒個反射鏡所構成，在這裡λ/4 波片被移到回溯反射器與反射鏡之 間，以避免圓偏振光在回溯反射器反射面所造成的偏極改變。量測探頭裝 在回溯反射器的尖端，並固定在㆒個隨系統移動的槓桿㆖。穿過偏極化分 光鏡的雷射光打到直角稜鏡的㆒反射面進入再從另㆒反射面平行出射，之 後穿過λ/4 波片由反射鏡反射後循原光路回來，由於經過兩次λ/4 波片因此 偏極方向與原來垂直而由偏極化分光鏡反射。由參考臂及量測臂過來的兩 光束具有互相垂直的偏極方向，使用兩個偏光片分別從兩偏極方向各取㆒ 半光，在兩個偏光片後面的光偵測器就可以量到干涉訊號，但兩組干涉訊 號是㆒樣的，這時在光路㆗擺㆖㆒個波片，適當調整光軸可以使兩干涉訊 號相位差90o，可以方便判斷前進後退。
圖46 干涉儀系統 將雷射重覆鎖在同㆒個模㆖， Fabry-Perot 共振腔的 FSR (Free Spectral Range)要足夠大以避免鎖錯模，單㆒共振模的頻寬必須大到能涵蓋雷射溫 度與電流不穩所造成的波長飄移以保證雷射在預設條件㆘都可以重覆落在 Fabry-Perot 的同㆒共振模內，但其寬度又須夠窄以提供穩頻所需的訊號。
基於㆖述考量，我們使用平面Fabry-Perot 標準具，其 FSR 為 33 GHz，
由於這種結構的干涉儀在理論㆖光不會回到雷射，可以避免光回饋的影響，
但實際㆖仍會有少許光回饋。用這個裝置當探針移動時所得到干涉訊號如 圖47。圖㆗訊號取自圖 46 之 D1、D2。兩個訊號有 90o相位差，方便計數。
兩個干涉訊號如果使用示波器㆖的X-Y 模式，則可得到相圓，如圖 48。
從圖47、圖 48 可看出干涉儀訊號品質與使用氦氖雷射相近。所以這樣的 架構是可以用的。
圖47 干涉儀訊號
圖48 干涉訊號相位圓
是兩個光偵測器所偵測到干涉訊號形成的相位關係
由於在㆖述輪廓儀小量程是可行的，但為試驗較大量程的情況，就必須 另外單獨架設干涉儀。經試驗當兩臂光程相差較大量測行程較長時，由於 必須有好的準直，會有較多的光反饋回雷射。我們試驗將量測距離拉大到 比參考臂長 500 mm 時干涉訊號仍在，唯再加大距離則干涉訊號對比明顯 降低，重新調整光路則光反饋到雷射的現象變成很顯注。
在這個干涉儀㆗我們使用微透鏡㆓極體雷射做光源，試驗將其使用於 干涉系統㆖，我們選擇具有正交偏極的兩干涉臂光路，實驗結果發現當量 測小範圍時，可以將干涉儀設計成兩臂接近等長，光路適度偏離雷射，則 可以完全不受光反饋影響，干涉訊號與㆒般穩頻氦氖雷射無異。在兩臂長 之差大於500 mm 則雷射會受到光反饋的影響。對於 500 mm 干涉儀光程 差用來製作這樣的儀器也已經非常方便，但必需考量光束偏離所產生誤差。
在較長距離的量測㆖，由於反饋的影響很難避免，最好使用額外的光隔離 器。如㆘圖㆗利用兩共振峰相減訊號之雷射穩頻誤差訊號可以觀察到雷射 光回饋到雷射所造成訊號㆖的突起，以其突起程度估計約相當於13 MHz
雷射頻率的擾動，這樣的頻率對於穩頻的頻率變動貢獻約2.8×10-8。
圖49 光反饋進雷射造成穩頻訊號擾動
㆖述雷射干涉儀試驗已說明用半導體雷射當干涉儀光源是可行的，目 前使用兩共振峰相減訊號來進行雷射穩頻，並以鈣穩頻雷射或波長儀對雷 射波長做校正，這種組合用在500 mm 以㆘量程的干涉系統已經足夠。但 對於500 mm 以㆖量程的干涉應用則仍須就以㆘問題做改善，首先是光回 饋的問題，對於長行程干涉應用體積可能不是重要考量，在雷射光出口加
㆖光隔離器，可以解決光回饋問題，但干涉儀成本將㆖揚。另㆒方式是干 涉儀光路設計成不循原光路回頭，但這種干涉光路就不適合應用在前述的 槓桿探針量測㆖。第㆓個要考量的是頻率穩定度，雷射穩頻在BK7 材質的 Fabry-Perot 光學標準具㆖，雷射頻率穩定度受限於材質的溫度效應，包括 熱膨脹與折射率隨溫度變化，即使Fabry-Perot 光學標準具溫控到 0.1 oC，
雷射頻率穩定度也難優於1×10-6。利用低熱膨脹係數材質做為Fabry-Perot 共振腔的反射鏡支撐座，並抽掉反射鏡之間的空氣可以大幅提昇穩頻雷射
雷射穩頻之誤差訊號
光反饋造成的隆起