激光位移干涉仪资料

1、激光干涉仪激光干涉仪是利用光的干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的一种精密光学测量仪器。其基本原理和结构为迈克尔逊干涉仪。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉场的变化（如条纹的移动等），而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉场的变化可测量几何长度尺寸或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定 于测量光程差的精度，如传统迈克尔逊干涉仪中干涉条纹每移动一个条纹间距，光程 差就改变1/2个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的。现代激光干涉 仪是以波长高度稳定的稳频激光器为测量工具，其稳定度一般优于10的一7次

2、方。激光干涉仪的测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。（一）第一代激光干涉仪最早的干涉仪以单频激光器作光源，基本与迈克尔逊干涉仪一样，只是平面镜被角锥棱镜代替，同时加入了两个探测器来探测干涉场，如图1所示。系统设法使两个，以便实现可逆计数。O图1探测器探测到的信号相位差90单频干涉仪的输出信号可以表示为4 tu tA。 A cos o 0 v t dt其中Ao为直流分量， A为交流分量振幅（有用的信号）。在短距离测量时，一般来说直流 分量变化不大，认为是恒定值，单频干涉仪以其简单、反射镜移动速度不受原理限制、有用信号占有的频带范围较窄等表现出它的优越性。但是激光功率的飘移，光电接收系统飘

3、移， 长距离测量时测量光束强度下降等因素，使直流分量和交流分量均不断下降，轻则造成工作点飘移、干涉条纹分数部分测量误差等，严重时整形电路停止工作，干涉仪失效。因此第一代干涉仪由于可靠性的问题，在实际应用中受到很大限制。（二）第二代激光干涉仪内相位调制干涉仪那么干涉仪的光内相位调制干涉仪是在参考镜上加上某一振幅和频率的调制振动信号， 程差就会相对于平均位置正负的交替变化，干涉仪信号为4 tu t Ao Acos v t dt cos mt其中 和m分别是调制信号的振幅和圆频率。当以频率m进行同步滤波后，去掉直流分2量和二次以上谐波分量， 就可以得到只剩基波成分的信号。但是这种方法也有限制， 因为

4、高于调制频率的信号会全部被滤掉，测量速度就不能高于某一值，否则测量信号将会丢失。外相位调制干涉仪（双频干涉仪）为了克服单频干涉仪背景和直流放大噪音的问题，惠普公司在20世纪70年代推出了双频激光干涉仪。采用给激光管加纵向磁场的方法产生塞曼效应，得到双频激光，频率分 别为fi和f2。当这两个频率的光叠加在一起，便会干涉出拍频信号，其频率为当测量镜移动时，探测器与激光光源间的距离改变，相当于发生了相对运动，此时探 测器接收到的激光频率便会发生多普勒频移。设测量镜的移动速度为 U,考虑到其回程特性,探测器接收到的激光频率变为：c 2u当测量镜向分光棱镜靠近时, 上式可以化为：:c 2u取上+下-；当

5、测量镜远离分光棱镜时， 取上-下+。由于2u于是多普勒频移为 2u 2ufc此时的拍频信号频率为f ,减去之前固定的拍频频率就只剩下多普勒频移量，它和位移的关系是t0l2 0f t dt -2f t dt N的意义是在t 0到tto时间内由于频率的改变而导致的周期数量的t0式中0改变量。当测量镜远离分光棱镜时，周期数量减少，反之增加。因为测量镜不动时测量信号依然具有频率f1 f2，所以双频干涉仪采用交流放大器,不存在直流飘移，放大倍数可以很大，当光强损耗时还可以采用自动增益电路，允许光强损耗达95%，这个优点使双频干涉仪可以适应长距离测量和多通道多参数测量。但是塞曼双 频激光器频差不够高，制约

6、了测量速度，而大频差的双频激光器制造难度大，操作复杂，对探测器的频率响应要求高。新型单频激光干涉仪（圆偏振光干涉仪）为了克服第一代单频激光干涉仪的重重缺点，一种新型的单频激光干涉仪诞生了 一一圆偏振光干涉仪。用两束偏振方向相互垂直的线偏振光分别作为参考光和测量光，当它们通过一个四分之一波片后，分别变成一个左旋和右旋圆偏振光，两圆偏振光干涉成线偏振光。而此线偏振光的偏振方向正反映了之前两束光的相位关系，且其角度与相位差为线性关系。要得到两束圆偏振光的相位关系，就要测量干涉得到的线偏振光的偏振方向。测量过 程中被测物的移动速度、方向等都是不确定的，所以得到的线偏振光的偏振方向也可能是任 意方向的，

7、而且随时都可能在发生变化。这就要求我们要能够实时、准确的测量线偏振光的 偏振方向，因此在圆偏振光干涉仪中我们采取了用三个光电探头同时测量的方法。我们将线偏振光等分成三束，在三个光电探头D1、D2和D3前放置限偏装置，使它们的通光方向两两互成 45角。假设第一束光路（D1）的通光方向水平，第二束光路（ D2）的 通光方向斜45，第三束光路（D3）的通光方向垂直。对于一偏振方向与x轴正方向夹角为0 ,180 的线偏振光，它在三个通光方向上的电场分量为:我们用D1光强减去D2光强,D2光强减去 D3光强，得到EE45EEcosEcosEsi n45D1接收到的光强为l2l221 D1E EcosD2

8、接收到的光强为2 2 21 .1 D2E45 E cos45Esin cos2D3接收到的光强为1 D3E2 E2sin2E2C0S2sin 2玉 sin 2245221 .D1 D2Ecossin cos2D2 D3E21 . sin2cos sin2E2. 2E2cos 2sin 2cos 24522从上面两式中我们看到ID1 D2和ID2 D3分别具有同相位的正、余弦信号的特征，其频率大小取决于线偏振光偏振方向的变化快慢，即被测物移动的快慢。现在来分析测量光路光程的变化与这两个信号变化的关系。在圆偏振光干涉仪中，当测量光路的光程变化一个波长，则线偏振光的偏振方向旋转180，即 变化180

9、，此时ID1 D2和lD2 D3均变化一个周期。在实际测量中，通常是在被测物上固定一个反射镜，测量光束射到反射镜后返回，故被测物移动半个波长，测量光束光程变化一个波长。同样被测物的移动方向也会反映在线偏振光的旋转方向上，从而在光信号上体现出来。如果我们将I D1 D2和ID2 D3的信号转化成数字信号，即当大于0时输出高电平，小于0时输出低电平，那么我们将会得到这两个信号的时序图，通过特定的电路，可以判断出信号的变化方向，同时可以四分之一个波长计数，在测量中以实现高速计数，整数部分测量分辨率为1/8个波长，小数部分则由最终光强差值来计算得到。总分辨率达到1nm,1 D1 D231545 135225 31545 135 225 31545 135 225I