双频外差激光干涉仪

双频外差激光干涉仪
班级名：应用物理学1401班
作者：U201410186 赵润晓
同组成员：U201410187 王羽霄
实验时间：2016年11月30日
摘要：本实验在分析双频外差激光干涉仪的基础上，构建光路，实现了利用双频干涉侧脸位移量的功能。

关键词：双频外差激光干涉仪声光调制器光路构建
一、引言
【实验目的及原理】
1.实验目的。

①了解双频外差激光干涉仪（dual-frequency heterodyne interferometer）的工作原理。

②熟悉各种光学镜片的功能及原理。

③熟悉双频外差干涉仪基本光路的设计和搭建，通过声光调制器（或称声光移频器）产生双频激光光束，并观察干涉仪的干涉信号。

2.实验原理。

激光的发明使得精密测量有了新的发展方向，用激光测量长度（位移或距离）主要方法有两种。

一是以迈克尔逊干涉仪为基础的单频干涉仪；另一种是双频激光干涉仪。

①单频激光干涉仪，从激光器发出的光束经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来，会合在分光镜上而产生干涉现象。

当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件（光电传感器）和电子线路（信号放大器）等转换为电压信号；然后经整形、放大后输入信号采集系统算出相位差，最后再由相位差算出可动反射镜的位移量（一个周期对应半波长）。

由于激光频率甚高(1014Hz量级)，无法直接测量光的相位，光程差检测的传统方法都是干涉强度法，即测量由相位差所引起的光干涉信号的强度变化，间接地测量光程差。

单品激光干涉仪因此具有稳定性差的缺点。

许多内部（电子噪声和长期漂移等）和外部因素（环境变化，如温度、大气压力、折射率等的变化）都会对测量结果产生影响。

②目前高精度的激光干涉仪大多为双频激光干涉仪，产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应（Zeeman Effect）和声光调制器（Acousto-Optical Modulators，AOM）。

塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。

声光调制方法得到的频差通常较大，一些产品双频激光频差达到20MHz以上。

双频激光干涉仪是应用直接测量两个信号的相位差来决定位移的。

这种位移（亦即光程差）信息载于两种频率光束干涉后产生的拍频信号上；因此，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。

它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可直接用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。

利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

本实验运用的是基于声光调制器的双频外差激光干涉仪。

见图1。

氦氖激光器输出的激光光束通过分光镜BS1分成两束，分别经过声光移频器产生频率为f1和f2的光束（原理参考背景知识）。

两束光再分别通过分光镜BS2和BS4各自分成两束，频率f1和f2的光束经过分光镜反射后产生干涉，形成参考光束，并通过光电探测器PD1接收干涉信号。

另外，透过BS2和BS4的f1
和f2的光束分别通过反射镜M1和M2，当位于测量臂上的反射镜移动时（例如M2前后移动时），测量臂（由BS4到M2）光程变化导致测量光束的相位发生变化，因而干涉后的拍频测量信号的相位也发生变化，此测量信号由光电探测器PD2接收。

通过示波器（Oscilloscope）比较参考（光束）信号和测量（光束）信号的相位差，即可得出干涉仪两臂光程差的变化量，继而得出可动反射镜的位移量。

图1 基于声光调制器的双频外差激光干涉仪
二、实验过程
【实验内容】
1.使用声光调制器对He-Ne激光光束进行频率调制，产生不同频率的激光输出。

2.搭建激光干涉仪实验光路。

【实验仪器和方法】
①实验仪器
激光光源（He-Ne Laser）、分光镜、反射镜、声光调制器、光电探测器等光学器件。

②实验方法：
1.对实验器件及各种光学元件进行了解，并熟悉仪器操作及光学镜片的功能；
实验中分光镜、反射镜等简单光学器件和激光光源、光电探测器在往常的实验中基本熟悉。

本次试验中声光调制器是实验成败的关键。

当超声波在介质中传播时（对介质施加射频信号），将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应变化。

当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，其中零级光束的频率与入射光束的频率f相同，而正1级和负1级的频率分别是f0+f m和f0-f m，当入射光与声波面夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级衍射光将互相抵消，只出现0 级、+1 级（或-1 级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。

若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射
光能量几乎能全部转移到+1级（或-1级）衍射极值上，从而使光束能量得到充分利用，因此利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。

在实验中，对两束光都取1级衍射，其中一个声光调制器施加频率80MHz，另一个声光调制器施加频率82MHz，这样分别产生1级衍射后的两列光束的频差就为2MHz。

2.打开激光器，观察光路，调整光路的准直；
光路的准直与否直接影响光路组建是否顺利。

准直光路不能紧靠肉眼观察，让光圈在激光的路径上前后移动，若激光始终都能无障碍的通过光圈，激光的准直即可完成。

需要注意的是，在摆放光路时，因为器件不仅可以在水平方向改变光路，也有可能因为自身的不平衡导致光线不再水平，所以每增加一个光学仪器时，需要再次调整光路的准直。

3.调节声光调制器，使得通过BS1分光后的激光分别产生频率为f1和f2的光束；
声光调制器分为超声波腔和控制器件两部分。

通电后可以在控制器件上选择需要改变的激光频率，单位为Hz。

同时在超声波腔可以看到，激光出现了衍射，本来一条光线分成了数个水平的不同级衍射。

设置声光调制器的调制频率为82MHz和80MHz。

在光路中，选择同一方向的衍射光，适当改变激光入社超声波腔的角度。

可以观察到激光的极大出现在在1级衍射，利用这一衍射光，就可以完成实验。

4.仔细调节分光镜BS2和BS4以及反射镜位置，使得参考信号的两束光（f1和f2）完全平
行重叠，通过光电探测器PD1后，在示波器观察到明显的干涉信号；
这是实验中最复杂，最需要静下心来的部分。

激光的衍射要求严格，需要将一束光分开后又重新完美的重合在一起。

因为实验光路复杂，将测量光束和参考光束分别构建，首先搭建参考光束，在示波器中观察到明显的干涉信号。

5.观察透过分光BS2和BS4的两束光，调节反射镜M1、M2以及分光镜BS5，使得测量信
号的两束光（f1和f2）完全平行重叠，通过光电探测器PD2后，在示波器观察到明显的干涉信号；
这是和参考信号对称的测量光束，虽然在光路图中两者是完全对称的，但是在实际构建光路中，因为仪器不同，或者角度的原因，最后的重合光的强调会有不同，导致测量的精确性降低。

6.通过压电陶瓷移动反射镜M1或M2，同时观察参考光和信号光的相位，比较其相位差；
然后通过相位差计算出反射镜的位移量。

【数据/结果的分析和讨论】
1．所构建的光路实图见图2。

图2 光路图
2．示波器上反映两拍频信号
图3是示波器显示的信号图示。

因为激光频率很高，超过一般光电探测器的频率响应范围，因此只能观察到两束激光干涉形成的拍频信号。

图3 示波器显示
3．位移量测量
将示波器上的两束信号重叠在一起，可以很直观的看出测量信号相对参考信号的位移情况，如图4、5所示。

当改变压电陶瓷的电压时，瓷片发生微小形变，在示波器上可
以看到测量光束形成的信号左右移动。

记录相对参考信号的相移变化，可以计算出压电陶瓷瓷片的位移变化量。

可以算得当相对相移2π时，瓷片位移ΔL=1.27mm。

图4 图5 观察相位差变化
【实验遇到的问题及解决的方法】
实验中，测量光束的信号不稳定，在换掉相关光路的器件后，情况有所好转。

三、实验小结
【体会或收获】
在本次实验中，我学会了另一种干涉测量位移量的方法，除了在上学期光学课学到的迈克尔逊类干涉仪，双频外差干涉仪显得更稳定，精确。

实验光路的构建是本实验的难点，但只只要细致，不放过认何一个细节，不走所谓的捷径，实验就能成功。

【实验建议】
增加迈克尔逊类干涉仪，比较两种干涉仪的区别。

四、参考文献
华中科技大学物理学院实验教学中心，近代物理实验（I），21-27，2016年10月。