第三章、激光干涉测量

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，测量两束光的光程差的信息或nlklnlnMjjjNiii211。

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

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M1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M1、M2不可能完全垂直，故应为等厚干涉）。假设目标反射镜从M2移至'2M，则二光束的光程差变化量为：

nLllnlLlncmcm2)(2)(2 （3-1-1）

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（），干涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数/2/nLk，n为介质折射率，在空气中，n~1，故2/kL。

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， M1

lc

BS M2 '2M

lmin L

干涉条纹 2 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4/4LknL，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90o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90o。

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。

① 机械移相法：

产生90o相移信号的最简单的方法就是将参考反射镜M1倾斜一定角度，当M1倾斜6„‟时，条纹间隔大约为10mm，调节两个光电接收器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90o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。

M1

BS M2 M1 M2

a)双棱镜反射器光路 b)单棱镜光路

M1 M1

M3 M2 BS M2

BS M3

c)单棱镜双光程光路 d)一体化双光程光路

M1 M2

BS

D2 D1 3 ② 阶梯板移相法

在参考反射镜M1上半边镀一层厚度为d的透明介质，产生λ/8的阶梯，使光束的左、右两部分光波场产生λ/4的初始相位差，

③ 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45o的相位差，对于光电接收器D1，移相器产生的相位为ooo904545，而光电接收器D2，移相器的附加相位为0，故D1与D2的相位差为90o。

④ 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45o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λ/4波片（快轴与线偏振光的偏振方向成45o角），所以出射的参考光束为圆偏振光（位相差为90o，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振光有相位差90o，测量光束所分成的两线偏振光相位差为0o，故D1、D2接收到的信号有90o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： M1

BS M2

M3

反射棱镜

透镜

狭缝2 狭缝1

D2 D1 M1

BS M2

D1

D2

M1

λ/4波片 BS

45o线偏振光 M2

圆偏振

45o线偏振光

屋拉斯棱镜

D1 D2

4 干涉条纹通过移相系统，两路干涉条纹系统产生π/2的位相差，经光电接收器（光电二极管）转变为位相差为90o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。

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，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π/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λ/8，就得到一个脉冲计数，也就是说，测量精度可以从λ/2提高到λ/8。

正弦信号 方波 + sin 微分器

- sin

-cos

余弦信号 + cos 干涉条纹 移相系统 放大

放大 整形

整形 倒相

倒相

3 1

2

4

可逆计数器

M2 sinωt M2 sinωt

正 反

向 向

移 cosωt （超前π/2） 移 cosωt （落后π/2）

动 动

各 各

脉 [+sinωt] 脉 [+sinωt]

冲 [-sinωt] 冲 [-sinωt]

相 相

位 [+cosωt] 位 [+cosωt]

关 [-cosωt] 关 [-cosωt]

系 系

， [+sinωt]微分 ， [+sinωt]微分

时 时

序 [-sinωt]微分 序 [+sinωt]微分

为 为