激光位移干涉儀

1、激光干涉儀激光干涉儀是利用光的干涉原理測量光程之差從而測定有關(guān)物理量的一種精密光學(xué)測量儀器。其基本原理和結(jié)構(gòu)為邁克爾遜干涉儀。兩束相干光間光程差的任何變化會非常靈敏地導(dǎo)致干涉場的變化（如條紋的移動等），而某一束相干光的光程變化是由它所通過的幾何路程或介質(zhì)折射率的變化引起，所以通過干涉場的變化可測量幾何長度尺寸或折射率的微小改變量，從而測得與此有關(guān)的其他物理量。測量精度決定于測量光程差的精度，如傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀中干涉條紋每移動一個條紋間距，光程差就改變1/2個波長，所以干涉儀是以光波波長為單位測量光程差的?，F(xiàn)代激光干涉儀是以波長高度穩(wěn)定的穩(wěn)頻激光器為測量工具，其穩(wěn)定度一般優(yōu)于10的7次方。激光

2、干涉儀的測量精度之高是任何其他測量方法所無法比擬的。（一） 第一代激光干涉儀最早的干涉儀以單頻激光器作光源，基本與邁克爾遜干涉儀一樣，只是平面鏡被角錐棱鏡代替，同時加入了兩個探測器來探測干涉場，如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)法使兩個探測器探測到的信號相位差90°，以便實現(xiàn)可逆計數(shù)。參考鏡圖1探測器分光棱鏡激光器測量鏡探測器單頻干涉儀的輸出信號可以表示為其中為直流分量，為交流分量振幅（有用的信號）。在短距離測量時，一般來說直流分量變化不大，認(rèn)為是恒定值，單頻干涉儀以其簡單、反射鏡移動速度不受原理限制、有用信號占有的頻帶范圍較窄等表現(xiàn)出它的優(yōu)越性。但是激光功率的飄移，光電接收系統(tǒng)飄移，長距離測量時測

3、量光束強度下降等因素，使直流分量和交流分量均不斷下降，輕則造成工作點飄移、干涉條紋分?jǐn)?shù)部分測量誤差等，嚴(yán)重時整形電路停止工作，干涉儀失效。因此第一代干涉儀由于可靠性的問題，在實際應(yīng)用中受到很大限制。（二） 第二代激光干涉儀1. 內(nèi)相位調(diào)制干涉儀內(nèi)相位調(diào)制干涉儀是在參考鏡上加上某一振幅和頻率的調(diào)制振動信號，那么干涉儀的光程差就會相對于平均位置正負(fù)的交替變化，干涉儀信號為其中和分別是調(diào)制信號的振幅和圓頻率。當(dāng)以頻率進(jìn)行同步濾波后，去掉直流分量和二次以上諧波分量，就可以得到只?；ǔ煞值男盘?。但是這種方法也有限制，因為高于調(diào)制頻率的信號會全部被濾掉，測量速度就不能高于某一值，否則測量信號將會丟失。2

4、. 外相位調(diào)制干涉儀（雙頻干涉儀）為了克服單頻干涉儀背景和直流放大噪音的問題，惠普公司在20世紀(jì)70年代推出了雙頻激光干涉儀。采用給激光管加縱向磁場的方法產(chǎn)生塞曼效應(yīng)，得到雙頻激光，頻率分別為和。當(dāng)這兩個頻率的光疊加在一起，便會干涉出拍頻信號，其頻率為。當(dāng)測量鏡移動時，探測器與激光光源間的距離改變，相當(dāng)于發(fā)生了相對運動，此時探測器接收到的激光頻率便會發(fā)生多普勒頻移。設(shè)測量鏡的移動速度為u，考慮到其回程特性，探測器接收到的激光頻率變?yōu)椋寒?dāng)測量鏡向分光棱鏡靠近時，取上+下-；當(dāng)測量鏡遠(yuǎn)離分光棱鏡時，取上-下+。由于，上式可以化為：于是多普勒頻移為此時的拍頻信號頻率為，減去之前固定的拍頻頻率就只剩下

5、多普勒頻移量，它和位移的關(guān)系是式中的意義是在到時間內(nèi)由于頻率的改變而導(dǎo)致的周期數(shù)量的改變量。當(dāng)測量鏡遠(yuǎn)離分光棱鏡時，周期數(shù)量減少，反之增加。因為測量鏡不動時測量信號依然具有頻率，所以雙頻干涉儀采用交流放大器，不存在直流飄移，放大倍數(shù)可以很大，當(dāng)光強損耗時還可以采用自動增益電路，允許光強損耗達(dá)95%，這個優(yōu)點使雙頻干涉儀可以適應(yīng)長距離測量和多通道多參數(shù)測量。但是塞曼雙頻激光器頻差不夠高，制約了測量速度，而大頻差的雙頻激光器制造難度大，操作復(fù)雜，對探測器的頻率響應(yīng)要求高。3. 新型單頻激光干涉儀（圓偏振光干涉儀）為了克服第一代單頻激光干涉儀的重重缺點，一種新型的單頻激光干涉儀誕生了圓偏振光干涉儀。

6、用兩束偏振方向相互垂直的線偏振光分別作為參考光和測量光，當(dāng)它們通過一個四分之一波片后，分別變成一個左旋和右旋圓偏振光，兩圓偏振光干涉成線偏振光。而此線偏振光的偏振方向正反映了之前兩束光的相位關(guān)系，且其角度與相位差為線性關(guān)系。要得到兩束圓偏振光的相位關(guān)系，就要測量干涉得到的線偏振光的偏振方向。測量過程中被測物的移動速度、方向等都是不確定的，所以得到的線偏振光的偏振方向也可能是任意方向的，而且隨時都可能在發(fā)生變化。這就要求我們要能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確的測量線偏振光的偏振方向，因此在圓偏振光干涉儀中我們采取了用三個光電探頭同時測量的方法。我們將線偏振光等分成三束，在三個光電探頭D1、D2和D3前放置限偏裝置

7、，使它們的通光方向兩兩互成角。假設(shè)第一束光路（D1）的通光方向水平，第二束光路（D2）的通光方向斜，第三束光路（D3）的通光方向垂直。對于一偏振方向與x軸正方向夾角為的線偏振光，它在三個通光方向上的電場分量為：D1接收到的光強為D2接收到的光強為D3接收到的光強為我們用D1光強減去D2光強，D2光強減去D3光強，得到從上面兩式中我們看到和分別具有同相位的正、余弦信號的特征，其頻率大小取決于線偏振光偏振方向的變化快慢，即被測物移動的快慢。現(xiàn)在來分析測量光路光程的變化與這兩個信號變化的關(guān)系。在圓偏振光干涉儀中，當(dāng)測量光路的光程變化一個波長，則線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，即變化，此時和均變化一個周期。在實際測量中，通常是在被測物上固定一個反射鏡，測量光束射到反射鏡后返回，故被測物移動半個波長，測量光束光程變化一個波長。同樣被測物的移動方向也會反映在線偏振光的旋轉(zhuǎn)方向上，從而在光信號上體現(xiàn)出來。如果我們將和的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，即當(dāng)大于0時輸出高電平，小于0時輸出低電平，那么我們將會得到這兩個信號的時序圖，通過特定的電路，可以判斷出信號的變化方向，同時可以四分之一個波長計數(shù)，在測量中以實現(xiàn)高速計數(shù)，整數(shù)部分測量分辨率為1/8個波長，小數(shù)部分則由最終光強差值來計算得到。總分辨率達(dá)到1nm。Fig.