第三章激光干涉测量

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1、第三章、激光干涉测量干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行高精密测量的一门技术。20世纪60年代激光的出现，才使干涉测量技术得到了长足的发展。因为激光出现以前，所用以光源单色灯经 过滤光片滤光作为单色光源，其相干长度只有几mm,且干涉条纹比较模糊，只能微小变化的测量。激光的出现，由于激光束的高亮度和很长的相干长度（He-Ne激光器，相干长度几十Km），使得干涉测量的测量精度、可测量长度都有了质的提高。激光干涉测量的应用范围 很广，可用于长度、位移、角度、形状、介质折射率（通过折射率的变化还可以测量压力、 温度等）变化。激光干涉测量的原理就是将入射激光束分成两束，一束为参考光束，一束为测量光束,

2、NM测量两束光的光程差厶八n丄 八njlj二k = I或n的信息。7j42本章主要介绍激光干涉长度测量、激光干涉微小间隙测量以及光纤干涉传感器所构成的 温度、压力测量。首先介绍激光干涉长度测量。 3.1激光干涉长度测量(3-1-1)一、激光干涉测长的基本原理干涉测长仪是一种利用 增量法”的测长仪器。最基 本的测长仪光路采用 Michelson（迈克尔逊）干涉仪，参 考反射镜Mi固定不动，目标反射镜 M2与被测对象固 联，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程 差发生变化，因为两光束来自于同一相干光源（同一台 激光器），两光束产生的干涉条纹也将发生明暗交替的 变化（因为两反射镜Mi、M2不

3、可能完全垂直，故应为 等厚干涉）。假设目标反射镜从M2移至M2，则二光束 的光程差变化量为：=2 n(g L-IJ-2 n(lm-lc)=2 nL当用光电探测器接收干涉条纹的明暗变化时，两光束的光程差每变化一个波长（ 丸），干 涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数 2汨、=2 nL/，n为介质折射率，在 空气中，n1，故L /2。二、激光干涉测长系统的组成激光干涉测长系统主要由激光干涉系统和干涉条纹计数处理系统组成。（一）、激光干涉仪系统因为He-Ne激光器输出的激光频率和功率稳定性都较高，且价格低，经济实用，所以， 一般以He-Ne激光器为激光干涉仪光源，在干涉测量光路中，为了确保

4、出射光路与反射回的 光路平行，大多采用直角棱镜反射器，典型的干涉仪光路图如下。对于双棱镜光路a），入射、反射光在空间上完全分离，可以避免反射光束返回激光器，#其缺点是两块棱镜需配对加工，且加工精度要求很高，为此改进为b）单棱镜光路。为了提高测量精度，可以采用如图c）的双光程光路，这样在测量过程中，光程差的变化量#=4nL = k，= L / 4，测量精度比传统的 Michelson（迈克尔逊）干涉仪提高一倍。在提高 测量精度的同时，也给光路调整带来了困难，为了既可以提高测量精度，又调整方便，可将 多个光学元件组合在一起，这就形成了整体式光路布居d）。一个立方体分光器，部分表面镀以全反膜，整个系

5、统的一体化，提高了抗干扰能力。（二）、干涉条纹计数与测量结果处理激光干涉测长仪采用电子计数时，为了提高测量精度，必须判别可移动目标反射镜的前 进与后退，也就说仪器必须可逆计数。此外，为了提高仪器的分辨率，还要对干涉条纹进行 细分。为了达到这些目的，干涉仪必须具有两个相位差为90。的信号输出，既两个电信号中,一个为正弦信号，另一个为余弦信号，这就需要在干涉仪光路中加入一个90。1、移相器常用的移相方法有：机械移相法、阶梯板移相法、金属膜移相法、分偏振移相法。下边 分别介绍。 机械移相法：产生90。相移信号的最简单的方法就是将参考反射镜Mi倾斜一定角度，当Mi倾斜6时，条纹间隔大约为10mm，调

6、节两个光电接收器D1、D2的距离为条纹间距的1/4 （10/4=2.5mm）,便可得到相位差为90的两个电信号。该方法 的缺点是反射镜的微小失调都会改变条纹间隔，使输出信号的 相位差发生变化，从而导致计数错误。 阶梯板移相法在参考反射镜Mi上半边镀一层厚度为d的透 明介质，产生 入/8的阶梯，使光束的左、右两 部分光波场产生入/4的初始相位差， 金属膜移相法利用金属膜表面的反射与透射产生附加相位差的原理，在分束器BS的分光面上，作成金属膜分幅移相器，如上图。移相程度取决于镀层的厚度及膜材料，若将所镀金属膜的 厚度对应反射光束与透射光束产生 45。的相位差，对于光电接收器Di,移相器产生的相位

7、为45。，而光电接收器D2,移相器的附加相位为0,故Di与D2的相位差为90 分偏振法移相入射光为线偏振光，偏振方向与光线所组成的平 面成45角（保证垂直和平行反射面方向的光矢量 振幅相等，既所分成的两束光光强近似相等），在 参考光路中加入入/4波片（快轴与线偏振光的偏振 方向成45角），所以出射的参考光束为圆偏振光 （位相差为90,且振动方向相互垂直的两线偏振 光的合成光）。而测量光束为线偏振光。原偏振光 束与线偏振光束经合束器合束，入射屋拉斯棱镜， 将圆偏振的参考光束和线偏振的测量光束均分成相互垂直的线偏振光（水平偏振和垂直偏振）， 进行干涉产生干涉条纹，而参考光束所分成的两 相互垂直的偏

8、振光有相位差90，测量光束所分成 的两线偏振光相位差为0,故Di、D2接收到的信 号有90相位差。2、干涉条纹计数及运动方向判别原理干涉测长仪在实际测量位移量时， 测量反射镜M2可能需要正、反两个方向运动，或者由 于外界振动等因素使测量反射镜在正向运动过程中，偶有反向移动出现，所以干涉条纹计数 系统还应能判别测量反射镜 M2的移动方向。如果计数系统不能判别 M2的移动方向，则正方 向产生的脉冲个数（条纹移动个数）与反方向产生的脉冲个数想加，总计数N不代表真正的位移量。如何实现M2移动方向的判别呢？下面介绍判向计数原理。判向计数原理方框图如下图:可逆计数器干涉条纹通过移相系统，两路干涉条纹系统产

9、生n /2的位相差，经光电接收器（光电二极管）转变为位相差为90。的两个电信号（余弦信号和正弦信号），通过放大、整形成为正方 波和负方波，经过分路，其中一路通过倒相器，这样两路信号变成了四路信号，经过微分运 算，就会得到具有一定时序关系的尖脉冲序列。时序关系如下图。M2 正 向 移 动 各 脉 冲 相 位 关 系时 序 为14233 t微分M2 反 向 移 动 各 脉 冲 相 位关系时 序 为1324+sin 3 t微分+sin 3 t-cos 3 t微分可逆计数器通过判别脉冲顺序是1, 2, 3, 4;还是1, 2, 4, 3;从而确定M2是正向移动还是反向移动，正向移动+1 ,反向移动-1

10、,这样便可得到真实的条纹移动个数N。同时，该电路使得初始的一个干涉条纹信号，变成了相位相差n /2的 4个脉冲信号，实现了干涉条纹的4倍频计数，既M2移动入/8就得到一个脉冲计数，也就是说，测量精度可 以从入/2提高到入/8（三）、干涉长度测量中折射率的补偿在激光干涉测量中，环境因素的变化导致空气折射率的改变，从而直接影响测量精度， 空气折射率的补偿效果好坏在高精度干涉测量中起着瓶颈的作用。通过测量空气介电常数来 测定空气的相对折射率，所使用的传感器就是一系列简单的平板电容器，平板间的的介电常 数；r就决定了电容器的电容大小，通过测量电容值来测量相对介电常数，从而也就测定了相 对折射率。在综合

11、修正的补偿系统中，一般是在量程中布置有限几个电容传感器，采用计算 机控制多点测量来拟合折射率在全量程的变化曲线，利用多项式插值可得量程内任一点的空 气折射率值n（IJ，以提高测量精度。1平板电容法测量介质折射率对空气相对介电常数&的测量可采用电容传感器（如图3-1平板电容器所示）图3-1电容器；0 ；rSd(31 )平行极板电容传感器的电容值 C为:式中 S，d分别为电容器的极板面积和极板间距，K=oS/d为一 常量。可见，在S和d不变的情况下，电容C与空气相对介电常 数$成正比，测量电容C即可测量空气相对介电常数由于真空介电常数$0的数值非常小，为提高测量灵敏度，需要采用较大的 极板面积和较

12、小的极板间距.但极板间距不能过小，否则，其间的 空气介质流动性受到影响而不反映测量环境的空气情况.为使S和d在测量过程中保持不变，电容器应选用零膨胀系数的材料制作电容C的测量方法通过一个微处理器自动跟踪锁定 量原理见图1。LC并联回路的谐振频率，对电容的变化进行测量，测图丨谐振法测重电容痰理图被测电容C和一个电感L组成LC并联谐振回路，位于运算放大器A的反馈回路中丄和 C的数值决定了电路的初始谐振频率并联电阻Rp为电容C的寄生电阻，r为电感线圈L的电 阻。系统的反馈控制装置包括相位差计、A/D、微处理器、D/A、压控振荡器（VCO）等，通过总使压控振荡器的输出Vs与放大器A的输出V。之间的相位

13、差为零，而跟踪锁定不同的电容 值时谐振回路的谐振频率。VCO的输出信号Vs的频率由微处理器控制下的 D/A转换结果确定。模拟相位差计的输 出信号Vf反映出V。与Vs之间的相位差的大小，经放大和 A/D转换送入微处理器当V。与 Vs之间的相位差为180时，Vf=0.如果运算放大器具有理想的特性，则有j 週CLRP2(1 rRp) oZrVsR(3 - 2)#式中co0 =1/jLC为振荡回路固有角频率；3为信号Vs的角频率.由于r/Rp 1在=矶时，阻抗为2(3 - 3)Zr ： (j 0 Lr)CLRp/ j(L CRpr)对阻抗Zr的分析分为两种情况：当电感 L的品质因数QL=o L/r接近

14、于无穷大，即r0 时，Zr=Rp，相当于纯电阻，并且不受C与L值的影响.Vo与Vs之间的相位差为180;当电容 C的品质因数Qc=3 CR接近于无穷大，即 Rp-刈寸，阻抗Zr二L - P L/C，它不仅不是RC纯电阻，而且受C与L值的影响.可见电感L的品质因数对ZR的影响远大于电容C的品质因 数对Zr的影响，实际电路中应选用r 0的电感线圈.当C发生变化时谐振回路失谐，使 Vf工（微处理器作为一个积分运算器，通过 VCO调节 Vs的频率，直至 Vf=0,使电路重新达到谐振状态，然后微处理器计算出电容的变化量 C.因为3=1八LC，所以(3-4)。/ 0 f ；f。/ f。- - C/(2C)

15、即谐振频率的变化 直接取决于 C经标定后，微处理器可给出与 成正比的数字输 出.从式（5-4 ）可见，通过增加谐振频率f。，可以获得高的40/ 灵敏度.但过高的f0会使 VCO的精度降低.因此选择f0时，应综合考虑灵敏度和所需要的测量分辨率， 因此选择f0时, 应综合考虑灵敏度和所需要的测量分辨率.三、典型的干涉测距仪1、械移相测距仪测距仪光路图如下图。稳频He-Nq激光器输出的偏振激光束经过主轴方向与偏振方向成45角的入/4波片，变成圆偏振光，这样反射回来的圆偏振光再经过入/4波片，又变成线偏振光，且偏振方向旋转90,以防反射光返回激光谐振腔影响激光器的正常工作。经过倒置望远镜扩束后的激光束入 射迈克尔逊干涉仪系统。#经M、M反射镜反射的光波再次经过分束镜 BS,又合成一束光进行干涉，两束光的光程差为：人=2（L2 - L1）。稳频偏振（去耦）入/4 倒置望远He-Ne激光器波片镜扩束逻辑电路双向计数器DiD2#则两束