激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)

激光干涉測(cè)長(zhǎng)B08340218 吳國(guó)斌 08測(cè)控（2）班干涉測(cè)量技術(shù)是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的一門技術(shù)。在激光出現(xiàn)以后，加之電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隔振與減振條件的改善，干涉技術(shù)得到了長(zhǎng)足進(jìn)展。干涉測(cè)量技術(shù)大多數(shù)是非接觸測(cè)量，具有很高的測(cè)量靈敏度和精度，而且應(yīng)用范圍十分廣泛。常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫曾德干涉儀、菲索干涉儀、泰曼格林干涉儀等；70年代以后，具有良好抗環(huán)境干擾能力的外差干涉儀，如雙頻激光干涉儀、光纖干涉儀也很快的發(fā)展了起來(lái)。激光干涉儀越來(lái)越實(shí)用，其性能越來(lái)越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越緊湊。干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本光路是一個(gè)邁克爾遜干涉儀（如圖1示）,用干涉條紋來(lái)反映被測(cè)量的信息。干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點(diǎn)連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，它們相互加強(qiáng)形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，它們相互抵消形成暗條紋。兩束光的光程差可以表示為 (1)式中分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率；分別為干涉儀兩支光路的幾何路程。將被測(cè)物與其中一支光路聯(lián)系起來(lái)，使反光鏡M2沿光束2方向移動(dòng)，每移動(dòng)半波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，光束2的光程就改變了一個(gè)波長(zhǎng)，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個(gè)周期的明、暗變化。通過(guò)對(duì)干涉條紋變化的測(cè)量就可以得到被測(cè)長(zhǎng)度。P光束1單模穩(wěn)頻He-Ne激光器光電計(jì)數(shù)器顯示記錄裝置待測(cè)物體激光束光束2光電顯微鏡邁克爾遜干涉儀M1M2可移動(dòng)平臺(tái)圖1 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的原理圖被測(cè)長(zhǎng)度與干涉條紋變化的次數(shù)和干涉儀所用光源波長(zhǎng)之間的關(guān)系是 （2）式（2）是激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本測(cè)量方程。從測(cè)量方程出發(fā)可以對(duì)激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行基本誤差分析 （3）式中分別為被測(cè)長(zhǎng)度、干涉條紋變化計(jì)數(shù)和波長(zhǎng)的相對(duì)誤差。這說(shuō)明被測(cè)長(zhǎng)度的相對(duì)誤差由兩部分組成，一部分是干涉條紋計(jì)數(shù)的相對(duì)誤差，另一部分是波長(zhǎng)也就是頻率的相對(duì)誤差。前者是干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，后者除了激光穩(wěn)頻技術(shù)有關(guān)之外還與環(huán)境控制，即對(duì)溫度、濕度、氣壓等的控制有關(guān)。因此激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)測(cè)量誤差必須根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的組成 除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)還包括激光光源，可移動(dòng)平臺(tái)，光電顯微鏡，光電計(jì)數(shù)器和顯示記錄裝置。激光光源一般是采用單模的He-Ne氣體激光器，輸出的是波長(zhǎng)為632.8納米的紅光。因?yàn)楹つ始す馄鬏敵黾す獾念l率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)激勵(lì)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域里可產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的激光譜線，所以氦氖激光器特別適合用作相干光源。為提高光源的單色性，對(duì)激光器要采取穩(wěn)頻措施?？梢苿?dòng)平臺(tái)攜帶著邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡和待測(cè)物體一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉儀中的干涉條紋移動(dòng)。光電顯微鏡的作用是對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，分別給出起始信號(hào)和終止信號(hào)，其瞄準(zhǔn)精度對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的總體精度有很大影響。光電計(jì)數(shù)器則對(duì)干涉條紋的移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。顯示和記錄裝置是測(cè)量結(jié)果的輸出設(shè)備，顯示和記錄光電計(jì)數(shù)器中記下的干涉條紋移動(dòng)的個(gè)數(shù)及與之對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，可以用專用計(jì)算機(jī)或也可以用通用的PC機(jī)替代。邁克爾遜干涉儀是激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。常用的分光器有分振幅平行平板分光器（圖1）和立方棱鏡分光器。其中立方棱鏡分光器上還可以膠合干涉儀的其他元件，組成整體式干涉儀布局，能與系統(tǒng)的機(jī)座牢固連接減少誤差。在偏振干涉儀系統(tǒng)中需要采用偏振分光器（參見(jiàn)圖6B2），它由一對(duì)玻璃棱鏡相膠合而成，在其中一塊棱鏡的膠合面上蒸鍍偏振分光膜，得到高度偏振的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶軸正交的偏光棱鏡組成,如沃拉斯頓棱鏡。干涉儀中常用的反射器件中最簡(jiǎn)單的是平面反射器，這種器件的偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光程差，在采用多次反射以提高測(cè)量精度的系統(tǒng)或長(zhǎng)光程干涉儀中此項(xiàng)誤差不可忽略。角錐棱鏡反射器（圖2a）的反射光與ABCOEF正入射斜入射LMCC(a)(b)(c)圖2 (a) 角錐棱鏡反射器；(b) 直角棱鏡反射器；(c) 貓眼反射器入射光反向平行，具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除偏轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差，是干涉儀中常用的器件。直角棱鏡反射器（圖2b）只有兩個(gè)反射面,加工起來(lái)比較容易，并只對(duì)一個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)敏感。貓眼反射器（圖2c）由一個(gè)透鏡L和一個(gè)凹面反射鏡M組成，反射鏡放在透鏡的焦點(diǎn)處，若反射鏡的曲率中心C與透鏡的光心C重合，當(dāng)透鏡和反射鏡一起繞著C旋轉(zhuǎn)時(shí)，光程保持不變。貓眼反射器的優(yōu)點(diǎn)是容易加工和不影響偏振光的傳輸，而且在光程不太長(zhǎng)時(shí)還可以用平面反射鏡代替凹面反射鏡，更容易加工與調(diào)整。 激光干涉儀光路的總體布局也有若干可能的選擇。在激光干涉儀光路設(shè)計(jì)中，一般遵循共路原則，即測(cè)量光束與參考光束盡量走同一路徑,以避免大氣等環(huán)境條件對(duì)兩條光路影響不一致而引起的測(cè)量誤差。典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的常用的光路布局，如圖3示。圖3a中角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，這種光路可避免反射光束返回激光器，以免返回光束引起激光輸出頻率和振幅的不穩(wěn)定。角錐棱鏡具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除測(cè)量鏡偏轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差。但是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求配對(duì)加工，而且加工精度要求高，因此也可采用一個(gè)角錐棱鏡作為可動(dòng)反射鏡（圖3b）。參考光路中還可用平面反射鏡作固定反射鏡。使用一個(gè)角錐棱鏡作可動(dòng)反射器還可采用其他幾種光路。如圖3c所示的雙光束干涉儀，它也是一種較理想的光路布局，基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。其它光路布局還有整體式布局、光學(xué)倍頻布局、零光程差的結(jié)構(gòu)布局等，各有其特點(diǎn)和用途。(a)(b)(c)圖3 (a) 雙角錐棱鏡光路；(b) 單角錐棱鏡光路；(c) 雙光程光路激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分是干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理系統(tǒng)。干涉儀在實(shí)際測(cè)量位移時(shí)，由于測(cè)量反射鏡在測(cè)量過(guò)程中可能需要正反兩個(gè)方向的移動(dòng)，或由于外界振動(dòng)，導(dǎo)軌誤差等干擾，使反射鏡在正向移動(dòng)中，偶然有反向移動(dòng)，所以干涉儀中需設(shè)計(jì)方向判別部分，將計(jì)數(shù)脈沖分為加和減兩種脈沖。當(dāng)測(cè)量鏡正向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為正脈沖，而反向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為減脈沖。將這兩種脈沖送入可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行可逆計(jì)算就可以獲得真正的位移值。如果測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有判向能力，光電接收器接收的信號(hào)是測(cè)量鏡正反兩方向移動(dòng)的總和，就不代表真正的位移值。另外為了提高儀器分辨力，還要對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分。為達(dá)到這些目的，干涉儀必須有兩個(gè)位相差為90度的電信號(hào)輸出，一個(gè)按光程的正弦變化，一個(gè)按余弦變化。所以，移相器也是干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法有機(jī)械移相（圖4），翼形板移相，金屬膜移相和偏振法移相。D1D2BM2M1M2ID1D2圖4 機(jī)械法移相原理圖干涉條紋計(jì)數(shù)時(shí)，通過(guò)移相獲得兩路相差/2的干涉條紋的光強(qiáng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個(gè)相位依次相差/2的脈沖信號(hào)（圖5）。若將脈沖排列的相位順序在反射鏡正向移動(dòng)時(shí)定為1、2、3、4，反向移動(dòng)時(shí)定為1、4、3、2；后續(xù)的邏輯電路便可以根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4判斷脈沖的方向，并送入加脈沖門或減脈沖門，便實(shí)現(xiàn)了判向的目的。同時(shí)經(jīng)判向電路后，將一個(gè)周期的干涉信號(hào)變成四個(gè)脈沖輸出信號(hào)。實(shí)現(xiàn)干涉條紋的四倍頻計(jì)數(shù)，相應(yīng)的測(cè)量方程變?yōu)?（4）661233445566789sincossin-sin-coscos21431干涉條紋；2移相系統(tǒng)；3光電接收器；4放大器；5倒相 6微分電路；7可逆計(jì)數(shù)器；8計(jì)算機(jī)；9顯示器圖6-5 判向計(jì)數(shù)原理激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù) 激光的發(fā)明和應(yīng)用使干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)提高了精度，擴(kuò)大了量程并且得到了普及，但是使干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入車間，成為生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制設(shè)備的是激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)，具體來(lái)講就是雙頻激光干涉儀。激光干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋變化頻率與測(cè)量反射鏡的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，在從靜止到運(yùn)動(dòng)再回到靜止的過(guò)程中對(duì)應(yīng)著頻率從零到最大值再返回到零的全過(guò)程，因此光強(qiáng)轉(zhuǎn)化出的直流電信號(hào)的頻率變化范圍也是從零開始的。這樣的信號(hào)只能用直流放大器來(lái)放大處理。但是在外界環(huán)境干擾下，干涉條紋的平均光強(qiáng)會(huì)有很大的變化，以至于造成計(jì)數(shù)的錯(cuò)誤。所以一般的激光干涉儀抗干擾能力差，只能在恒溫防振的條件下使用。為了克服以上缺點(diǎn)，可以在干涉儀的信號(hào)中引入一定頻率的載波，使被測(cè)信號(hào)通過(guò)這一載波來(lái)傳遞，使得干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。利用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的干涉儀稱作外差干涉儀，或交流干涉儀。產(chǎn)生干涉儀載波信號(hào)的方法有兩種，一種是使參與干涉的兩束光產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這樣的兩束光相干的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)光學(xué)拍的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以后得到差頻的載波，另一種是在干涉儀的參考臂中對(duì)參考光束進(jìn)行調(diào)制，與測(cè)量臂的光干涉直接生成載波信號(hào)。前者稱為是光外差干涉，而后者常常稱作是準(zhǔn)外差干涉。本節(jié)以前一種原理的雙頻激光干涉儀為主來(lái)介紹激光外差干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)。雙頻激光干涉儀的光路如圖6所示，其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場(chǎng)，由于塞曼效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光和右旋偏振光（常用的雙頻激光干涉儀把這一頻差設(shè)計(jì)成）。通過(guò)1/4波片后，和變成相互垂直的線偏振光，又被分束鏡分成兩束,其中一束反射到主截面與相互垂直的兩線偏振光偏振方向成45的檢偏器，產(chǎn)生拍頻信號(hào)。光電探測(cè)器對(duì)兩倍光頻的和頻信號(hào)沒(méi)有響應(yīng)，接收到的只是頻率為的參考差頻信號(hào)。另一束光透過(guò)分束鏡向前傳播進(jìn)入偏振分光棱鏡后，偏振方向垂直紙面的被完全反射，偏振方向在紙面內(nèi)的完全透射。再經(jīng)由參考臂反射鏡和測(cè)量臂反射鏡反射回來(lái)合束，通過(guò)類似檢偏器的檢偏器，產(chǎn)生的拍頻信號(hào)被光電探測(cè)器接收。由于測(cè)量反射鏡以速度運(yùn)動(dòng)，光的多普勒效應(yīng)使由返回光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移（正負(fù)號(hào)取決于測(cè)量反射鏡的運(yùn)動(dòng)方向），接收到的測(cè)量信號(hào)頻率為。將測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行同步相減便得到多普勒頻移，多普勒頻移對(duì)測(cè)量時(shí)間積分，也就是說(shuō)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)就可以測(cè)出測(cè)量反射鏡的位B11激光器M1M2B2P2D2P1D1V211/4波片1221-21-(2)2圖6 雙頻激光干涉儀光路圖移量。測(cè)量反射鏡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移可以表示為 （5）式中為光速，為光波長(zhǎng)。若測(cè)量所用時(shí)間為，則測(cè)量鏡的位移量可由下式計(jì)算 （6）式中為記錄下來(lái)的累計(jì)脈沖數(shù)。雙頻激光干涉儀的被測(cè)信號(hào)是作為頻率調(diào)制加在載頻之上的，一般應(yīng)小于載頻的三分之一，因此對(duì)應(yīng)的多普勒頻移不能超過(guò)，允許的最大測(cè)量速度約為。這樣一來(lái)，處理電路的工作頻率可以設(shè)定在之間，從而濾掉小于的全部噪聲。8