激光外差干涉測長與測振

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1、1-6 激光外差干涉測長與測振,韋 宏 艷,光探測方法,光（強(qiáng)）的探測方法分為直接探測法（非相干探測）和外差探測法（相干探測）。直接探測簡單實(shí)用，外差探測靈敏度高，探測目標(biāo)時的作用距離遠(yuǎn)。 直接探測的基本原理： 所謂直接探測是將待測光信號直接射入到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，探測系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)天線或直接由探測器接收光信號，在其前端可經(jīng)過頻率濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）處理。接收到得光信號入射到光探測器的光敏面上。 光外差探測的基本原理： 外差探測技術(shù)是利用光的相干性對光所攜帶的信息進(jìn)行探測。它只有采用相干性好激光器作光源才能實(shí)現(xiàn)。從理論上說，它能準(zhǔn)確探

2、測到光波振幅和頻率所攜帶的信息，比直接探測有更大的信息容量和更低的探測極限。,引言：單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準(zhǔn)確度的重要原因，信號處理及細(xì)分都比較困難。 為了提高光學(xué)干涉測量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。 概念：光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計算機(jī)檢出干涉場的相位差。 特點(diǎn)：克服單頻干涉儀的漂移問題； 細(xì)分變得容易； 提高了抗干擾性能。,,,,,,,激光

3、外差干涉測試技術(shù),4,激光外差干涉測試技術(shù),(一) 激光外差干涉測試技術(shù)原理 外差干涉技術(shù)原理 設(shè)測試光路和參考光路的光波頻率分別為和+，則干涉場的瞬時光強(qiáng)為,,,,,,,,由于光電探測器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有2的交變項對探測器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。,,干涉場中某點(diǎn)（x，y）處光強(qiáng)以低頻隨時間呈余弦變化,5-5 激光外差干涉測試技術(shù),(一) 激光外差干涉測試技術(shù)原理 外差干涉技術(shù)原理 在干涉場中，放入兩個探測器，一個放在基準(zhǔn)點(diǎn)(x0, y0)處，稱之為基準(zhǔn)探測器，其輸出基準(zhǔn)信號i(x0, y0, t)，另一個放在干涉場某探測點(diǎn)(xi, yi)處，稱之為掃描探測

4、器，輸出信號為i(xi, yi, t) 。將兩信號相比，測出信號的過零時間差t，便可知道二者的光學(xué)位相差,,,,,,,,,,由控制系統(tǒng)控制掃描探測器對整個干涉場掃描，就可以測出干涉場各點(diǎn)的位相差。,激光外差干涉測試技術(shù),（一）激光外差干涉測試技術(shù)原理 激光外差干涉儀的光源 外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。 1）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器可得到12MHz的頻差,,,,,,,,,,2）雙縱模He-Ne激光器頻差約600MHz（較大）,,,3）光學(xué)機(jī)械移頻 當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v 沿光軸方向移動時，則垂直入射的反射光將產(chǎn)生的頻移為 。 如果圓偏振光通過一個旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生

5、兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f 的頻移，即 。,（一） 激光外差干涉測試技術(shù)原理 激光外差干涉儀的光源,,,,,,,,,,,,,3）光學(xué)機(jī)械移頻 在參考光路中放入一個固定的1/4波片和一旋轉(zhuǎn)的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過旋轉(zhuǎn)的1/4波片，使其產(chǎn)生2f的頻移。圓偏振光再次穿過固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移 。 垂直于入射光束方向移動（勻速）光柵的方法也可以使通過光柵的第n級衍射光產(chǎn)生的 頻移，此處f 是光柵的空間頻率，V是光柵移動速度。,激光外差干涉測試技術(shù),（一） 激光外差干涉測試技術(shù)原理

6、 激光外差干涉儀的光源,,,,,,,,,,,,,4）聲光調(diào)制器 利用布拉格盒（BraggCell）聲光調(diào)制器可以起到與移動光柵同樣的移頻效果。這時超聲波的傳播就相當(dāng)于移動光柵，其一級衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動頻率f，而與光的波長無關(guān)。,激光外差干涉測試技術(shù),主要內(nèi)容,一、雙頻激光外差干涉,二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用,三、條紋小數(shù)重合法原理,四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,一、雙頻激光外差干涉儀,光源:,雙頻He-Ne激光器,在全內(nèi)腔單頻HeNe激光器上加上約30010-4T的軸向磁場,由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，使該激光器輸出一束有兩個不同頻率的左旋和右

7、旋圓偏振光 ，它們的頻率差V約為15MHz,雙頻激光器1發(fā)出雙頻激光束,通過14波片2變成兩束振動方向互相垂直的線偏振光(v1垂直于紙面，v2平行于紙面) ，,一小部分被反射到檢偏器5上，檢偏器的透光軸與紙面成450,一部分光束透過分束鏡4沿原方向射向偏振分束棱鏡8。偏振方向互相正交的線偏振光被偏振分束鏡按偏振方向分光， v1被反射至參考角錐棱鏡9， v2則透過8到測量角錐棱鏡10,,工作原理,經(jīng)光束擴(kuò)束器3適當(dāng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，光束被分束鏡4分為兩部分,,,由光電接收器6接收后進(jìn)入交流放大器7，放大后的信號作為參考信號送給計算機(jī),光束返回后重新通過偏振分束鏡10與v1的返回光會合，經(jīng)反射鏡11及透

8、光軸與紙面成450的檢偏器12后也形成“拍” ，其拍頻信號可表示為,若測量鏡以速度V運(yùn)動(移動或振動)，則由于多普勒效應(yīng)，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移,,正負(fù)號由動鏡移動方向決定，當(dāng)動鏡向偏振分束器方向移動時，v為負(fù),拍頻信號被光電13接收后，進(jìn)入交流前置放大器14，最后也被送入計算機(jī),計算機(jī)工作,（1）計算機(jī)先將拍頻信號v0 v 與參考信號v0進(jìn)行相減處理后，就得到所需的測量信息v,設(shè)在動鏡10移動的時間t內(nèi)。由v引起的條紋亮暗變化次數(shù)為N，則有,于是,（2）由v換算成L的工作由計算機(jī)通過軟件自動進(jìn)行，最后由顯示器顯示被測長度值。,優(yōu)點(diǎn)：,前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放

9、大器時所遇到的棘手的直流漂移問題,交流干涉儀抗干擾性能好,測量范圍大(可測大于60m的距離),應(yīng)用 ：,測長外，還可用于測角、測直線度及測振等,穩(wěn)頻措施 ：,塞曼穩(wěn)頻法,二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用,應(yīng)用：,車間現(xiàn)場進(jìn)行精密計量、精密測角,為便于測量，往往將干涉儀的干涉系統(tǒng)作為一個部件裝在被測的機(jī)床上，而把激光器、照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)組合成一體，裝在一個箱體內(nèi)，且與干涉系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地分開，這種結(jié)構(gòu)稱為遙置式結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)：,減少熱氣流的影響,有利于消除閑區(qū)誤差,便于更換干涉儀的組件，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，使雙頻干涉儀成為多功能干涉儀,雙頻激光器1發(fā)出的雙頻激光束,被雙膜塊組下部的偏振分束鏡按偏振方向分開,其中v

10、1光透過偏振分束鏡射向角錐棱鏡I,v2光被反射向上，經(jīng)以膜雙塊上部的普通反射鏡反射到角錐棱鏡II,,工作原理,分別由這兩個角錐棱鏡返回的光束在偏振分光鏡處重新會合，然后經(jīng)反射鏡反射到檢偏振器及光電接收器,(一)雙頻激光干涉儀用于精密測角,干涉系統(tǒng)中用一雙膜塊組取代測長時所用的偏振分束器，另外用一雙角錐棱鏡組分別作為干涉儀的測量鏡和參考鏡,雙角錐棱鏡組安故在被測物體上，當(dāng)它在導(dǎo)軌上平移且沒有擺動時，兩支光路的多普勒頻移v1=v2，會合后經(jīng)檢偏振器產(chǎn)生拍頻，并在拍頻中互相抵消，計算機(jī)無多普勒頻移值出現(xiàn)。,如果雙角錐棱鏡組在移動過程中，由于導(dǎo)軌的直線度偏差而發(fā)生角的傾斜，則兩棱鏡的角點(diǎn)在光軸方向?qū)a(chǎn)

11、生一個相對位移量。此時兩路的多普勒頻移v1和v2不相等，即有v=v1-v,精度：,應(yīng)用 ：,精確測量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度等,測導(dǎo)軌的直線度時，雙膜塊組被固定在適當(dāng)位置，而雙角錐棱鏡組固定在工作臺上，移動工作臺即可測出以角量表示的直線度,測角最小顯示值(分辨率)可達(dá)01。其測角精度在100”范圍內(nèi)可達(dá)0.5，量程可達(dá)土1000”,(二)雙頻激光干涉儀測量直線度(以線量表示),雙頻激光器發(fā)出雙頻激光束,通過半反射鏡至渥拉斯頓偏振分束器上，正交線偏振光v1和v2被分開theta的兩束線偏振光,分別射向雙面反射鏡的兩翼并由原路返回,,工作原理,返回光在渥拉斯頓鏡處重新會和后，經(jīng)半反射鏡、全反射鏡

12、反射到檢偏器。,兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收,,,,（1）若雙面反射鏡沿z軸平移到A點(diǎn)，由于v1和v2所走的光程相等，所以v1=v2，拍頻互相抵消，計算機(jī)顯示器無多普勒頻移顯示。,計算機(jī)工作,（2）在移動過程中由于導(dǎo)軌的直線度偏差而使雙面反射鏡沿y方向下落到B點(diǎn)。,v1光的光程較原來的減少了2AC；與此相反，v2光的光程卻增加了2BD。兩者總差值等于2（AC+BD），根據(jù)這一數(shù)值，即可以算出下落量,測直線度的精度可達(dá)土15m，其分辨率為lm，最大檢測距離可達(dá)3m，最大下落量可測到15mm,精度,(三)雙頻激光干涉用于同軸度的精密測量,雙頻激光直線度測量儀，在長距離上測量直線度，具

13、有很高的精度和可靠性，但是這種儀器能否用于長距離同軸度的精密測量呢？,提出問題,同軸度測量儀器應(yīng)具有以下的特點(diǎn),解決問題,(1)能夠進(jìn)行間斷測量,(2)測量系統(tǒng)對激光束的平漂和角漂具有自適應(yīng)能力，光束漂移應(yīng)不影響測量結(jié)果。,(3)光學(xué)系統(tǒng)對大氣擾動應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗力。,(4)由于同軸度測量時，定心靶必須從一個孔移到另一個孔，還要進(jìn)行找正，測量所用時間較長，因而要求儀器具有較好的長時間穩(wěn)定性。,現(xiàn)有的雙頻激光直線度干涉儀是無法滿足上述要求的,原因,（1）雙頻激光直線度干涉儀在信號處理上采用鎖相倍頻計數(shù)技術(shù)，不允許信號中斷，否則計數(shù)立即無效。,（2）即使對信號處理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，也有近程死區(qū)和測量

14、范圍的矛盾，實(shí)現(xiàn)相位測量的一個必要條件是：在測量范圍內(nèi)相位的變化范圍必須在之間,希望把現(xiàn)有的激光直線度測量儀通過參數(shù)優(yōu)化改造來實(shí)現(xiàn)同軸度是不可能的,結(jié)論,此外，在HP5528中，采用了等光強(qiáng)穩(wěn)頻方案(塞曼穩(wěn)頻)，雖然光頻比較穩(wěn)定，但頻差變化比較大，頻差值也比較高，不利于相位測量。,從以上幾點(diǎn)看、要用雙頻激光干涉法測量同軸度，需重新考慮雙頻激光干涉儀的總體方案。清華大學(xué)精儀系經(jīng)過多年的研究，提出了一種雙頻激光測量同軸度的新方案，并研制了實(shí)用型的SJD3T雙頻激光同軸度干涉儀。,1雙頻激光同軸度干涉儀,雙頻激光頭出射的正交線偏振光通過第一個渥拉斯頓棱鏡W1后，彼此分開一個小角度,再通過第二個涅拉斯

15、頓棱鏡W2變成兩束平行光束,經(jīng)雙面直角棱鏡反射,,工作原理,依次通過W2、W1后又會合成一束光，經(jīng)檢偏振器P后被探測器D2接收，形成測量信號,兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收,,,,SJD3T方案與HP5528主要區(qū)別,(1)SJD3T方案中用了兩個渥拉斯頓棱鏡，而HP5528方案只用一個,(2)SJD3T中反射鏡用的是雙面直角棱鏡，而HP5528用的是兩個具有一定夾角的平面反射鏡,這兩點(diǎn)區(qū)別，使得SJD3T能夠既保持雙頻干涉儀所特有的高精度和穩(wěn)定性，又解決了同軸度測量的難題,參考信號由探測器D1接收。當(dāng)W1(或)W2沿被測表面移動而產(chǎn)生上下橫移時，可使測量信號相對參考信號相位發(fā)生變

16、化，那么通過測量兩者的位相差，可得W1(或W2)的橫向移動量。,結(jié)論,(1)SJD3T采用了兩個握拉斯頓棱鏡和一個直角反射鏡，測量時對兩束光的分離量無特別要求，因而對長距離直線度測量只需一套附件，無近程死區(qū)。而現(xiàn)有的雙頻激光干涉儀對033m，330m直線度測量各需一套測量附件，遠(yuǎn)距離測量附件有近程死區(qū)。,(2)SJD3T在測量中光程差變化對應(yīng)的信號位相變化在一個周期內(nèi)(即土內(nèi))，使位相測量值與渥拉斯頓棱鏡的橫移量單值對應(yīng)，由于位相測量是狀態(tài)測量，程拉斯頓棱鏡移出光路后再放回光路中，測量還能繼續(xù)進(jìn)行，因而可用于同軸度測量,(3)在SJD3T中，干涉的兩束光在30m內(nèi)中心距只有26mm (HP55

17、28)可達(dá)十幾個厘米)，因此對外干擾能很好共模抑制，具有很高的抗干擾能力,2SJD3T對激光頻差穩(wěn)定性的要求,激光波長的穩(wěn)定性,頻差穩(wěn)頻方法：基于8098單片機(jī)系統(tǒng)的智能穩(wěn)頻方法,激光器置于磁鐵架中,用于固定永磁鐵，以形成縱向磁場,給雙頻激光器形成一個密封腔，以減少外界熱擾動對激光器溫度的影響,激光器尾光通過檢偏器由光電探測器測得拍頻信號f,經(jīng)放大整形后由8098單片機(jī)計數(shù)器測量該頻率的大小,單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部程序根據(jù)測得的頻率大小，依一定的算法，利用8098芯片內(nèi)部的DA功能，輸出伺服電壓，該伺服電壓經(jīng)功率驅(qū)動后，通過繞在激光器外殼上的電阻絲對激光管加熱，形成閉環(huán)控制，這樣就可通過控制加熱量的

18、大小獲得穩(wěn)定的頻差,要求,,,作用,,,,,,,,,,,,,,,方解石棱鏡及1/4波片的作用是使測量光束的光路既作發(fā)射光路，又作接收光路。通過o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光學(xué)定向耦合”作用，使發(fā)射與接收的光無損失地通過方解石棱鏡(不考慮光吸收損失)。,頻率fs信號由聲光調(diào)制器的信號源直接輸入混頻器與拍頻信號混頻，把多普勒頻移fD解調(diào)出來。,（五）激光外差測振儀,2.雙光束雙頻激光器,（四）雙頻激光束頻差的確定,1.聲光調(diào)制器,DISA系統(tǒng)與NASA系統(tǒng)的不同之處,它應(yīng)用偏振分光鏡作發(fā)射和接收的光束耦合器，該光學(xué)系統(tǒng)中分束器2為偏振分光器，它防止了返回的測量光回授到激光器的可能性。,該

19、儀器用兩只光電接收器D1和D2來分別接收拍頻信號，并在D1和D2前分別安置檢偏振片P1和P2，又使兩者的光軸互相垂直,其目的是使其起電子共模抑制的作用，以便進(jìn)一步抑制噪聲，提高拍頻信號的信噪比,DISA外差激光測振儀,（六）激光外差表面微觀輪廓儀,測量表面微觀的高低不平，可以確定微觀輪廓及表面粗糙度,應(yīng)用：,儀器要有極高的縱向分辨率及橫向分辨率,要求：,這種高低不平往往只有幾埃的數(shù)量級，有的甚至只有不到1埃,HeNe激光器發(fā)出的光束,被分束器分成兩路,一路經(jīng)聲光調(diào)制器M1、偏振器P1 （P1光軸平行于紙面）,另一路經(jīng)光調(diào)制器M2、偏振器P2（P2光軸垂直于紙面）,,一部分經(jīng)檢偏器P3 該拍頻信

20、號被光電接收器D1接收轉(zhuǎn)換后作為參考拍頻信號,另一部分偏振光進(jìn)入右邊的測量干涉系統(tǒng)，偏振分束器PBS使平行于紙面的偏振光(v1)透過，垂直于紙面的偏振光(v2)反射。,又被分束器BS2分成兩路,工作原理,這兩支光束在檢偏振器P4后產(chǎn)生拍頻信號v1-v2v=v0v，v與被測表面的微觀高低起伏有關(guān),v1光經(jīng)反射鏡M3，l4波片、Ll和L2透鏡后成平行細(xì)光束射到被測表面上，經(jīng)表面反射后沿原路返回復(fù)經(jīng)14波片。由于兩次通過l4波片(其光軸與v1光成45度角)，故其偏振方向改變900，最后被PBS反射并經(jīng)檢偏器P4而被光電接收器D2接收,v2光經(jīng)14波片、反射鏡M4、BS3及物鏡L2后會聚到被測表面，形

21、成光學(xué)探針。由被測表面反射后，也沿原路返回，復(fù)經(jīng)l4波片，偏振方向改變900，最后透過PBS及檢偏振器P4也被光電接收器接收。,該拍頻信號由光電接收器接收，經(jīng)交流前置放大器進(jìn)入混頻器與由從來的參考拍頻信號混頻，從而可解調(diào)出被測信號v,計算機(jī)將根據(jù)接收到的v的變化，求出表面各點(diǎn)的微觀高差，并由此可換算出表征表面粗糙度的各個參數(shù)及表面的微觀三維輪廓,,,(七)具有光程鎖定的激光外差測振儀,應(yīng)用：,測量分辨率為人量級的微振動振幅或微位移,優(yōu)點(diǎn)：,能克服光強(qiáng)波動引起的直流漂移和減少激光功率噪聲，使在現(xiàn)場環(huán)境中也能進(jìn)行穩(wěn)定的干涉測量，且具有很高的測量分辨率(靈敏度),缺點(diǎn)：,不能消除環(huán)境的干擾(外界振動

22、及氣流等)引起的附加程差,程鎖定的目的,窄帶檢測,2.伺服鎖定干涉系統(tǒng),就是為了消除這種附加差以保證微振動或微位移的測量精度,(八)絕對長度(距離)干涉計量(無導(dǎo)軌測長),由于該技術(shù)只測量干涉條紋的尾數(shù)，測量鏡無須移動，因此免除了干涉測長儀中加工困難而又價格昂貴的精密導(dǎo)軌，特別是大長度(距離)的干涉測長，精密導(dǎo)軌的制造及設(shè)置更為困難。因此，這種無導(dǎo)軌干涉測長是大長度測量的發(fā)展方向,基本原理：,條紋小數(shù)重合法,60年代后期興起的，是一種以多波長激光為基礎(chǔ)的大長度計量技術(shù),三、條紋小數(shù)重合法原理,四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng),(一) 3.39m波段雙線He-Ne激光合成波長方案,(二)雙波長紅外鎖定干涉儀,組成,雙波長拍波干涉及鎖定兩部分,目的,精確地測出不同波長的條紋小數(shù)，以便根據(jù)小數(shù)重合法進(jìn)行絕對長度的自動測量,1紅外拍波干涉原理,多波長小數(shù)重合法絕對測量長度時，通常采用下面兩種干涉和探測方式,(1)順序更換單波長干涉探測方式。,（2）多波長同時干涉,2. 紅外拍波干涉儀,He一Ne激光器同時輸出波長133922m和233912m的雙波長紅外激光 ，經(jīng)分束鏡2分出約15的光用于穩(wěn)頻,透射光經(jīng)分束鏡7分成兩部分,另一部分射向參考鏡9,,經(jīng)8和9反射回的光在7上重新會合形成干涉，干涉信號由兩個InAs紅外接收器接收,一部分射向測量鏡8,3.雙波長 紅外鎖定干涉儀,