激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)

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1、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

2、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28的光程就改變了一個(gè)波長(zhǎng)，于是干

3、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

4、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

5、源。8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

6、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

7、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LMC′C(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

8、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。8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