激光外差干涉

激光外差干涉测位移15测控（3+2）蒋炜2015430340007激光外差干涉：由光学系统接收到的分为两束具有频率差、方向相反的偏振光F1和F2.经过1/4波片后成为两个相互垂直的线偏振光，激光经过分光镜分成两路，其中一束经过透射后射向光电探测器，其频率为fs，成为信号光束；另一个稳频激光器输出的一束激光也经过分光镜分为两束，其中一束经过分光镜反射后射向光电探测器，并称为本机振荡光束。路经过偏振片1后频率为f1-f2，作为参考光束，另一路经偏振分光镜后又分为两路分别仅含f1和f2的光束。当可移动反射镜发生位移变化时，仅含f2的光束经过可移动反射镜后成为含有的光束。为多普勒频移量，包含可移动反射镜的位移信息。这路含有的光束由固定反射镜的反射回来的仅含f1的光束经过偏振片2汇合频率为f1-（f2），作为测量光束。当这两书光束满足干涉条件时，在两束光经过各自的传播轨迹后在分光镜下面发生干涉，（在无线电中叫做混频，在这里称为光混频），光电探测器只能响应直流分量和差频（Fs-Fl）分量（也称中频Fif）。用一个中频放大器选出差频分量，于是输出端得到正比于差频分量的光电流。在经过信号处理可以测出Fif=Fs-Fl的值。因为Fl是已知的，所以测出Fif也就等于知道了Fs。外差探测实质上就是两束相干光干涉的测量。在干涉仪中，测量光的光程变化量是移动镜位移量的2倍，由光速c。移动镜的移动速度v，得到多普勒频移量为激光的波长值为,频率的时间积分为周期数N，则移动镜的位移量为光电探测器R与M处接收光的相位差与频移差关系为双频激光干涉仪通过频率的变化测量位移,位移变化量只与频差f1-f2或相位差相关,频差f1-f2为固定值且为交流信号,不会产生直流电平漂移现象,所以抗干扰能力强,常应用于高精度测量系统中。一：光路图：光频外差探测器光路结构二：光电转换部分光电转换部分的主要器件就是光电检测器。可以将光强信号转换为相应的电信号。并可以经过计算机或者单片机进行信号采集处理。三：电路处理激光发生器产生的激光作为参考信号，首先被一个光电探测器转换为参考电信号。由于对信号处理方式不同，所用电路也有很大区别。其中Hou等利用参考干涉仪测量非线性误差;Badami等利用恒定速度的方法测量非线性误差；例如EOM等用锁相放大器对参考信号和测量信号的相位进行积分,实现测量。常用的处理外差干涉信号方法有两种:一种是频率域信号解调法,这种信号处理方法利用锁相环电路进行电子倍频细分,可提高测量分辨率;另一种信号处理方法则是相位解调法。当外差干涉仪的测量镜移动时,测量光束的空间光程发生变化,从而引起了外差干涉信号的相位变化,利用相位检测法,测量出相位变化,即可测量出位移。此电路可以在移动反射镜时发生的变化，对移动的干涉条纹进行计数。以求出测量距离。除了在干涉仪中采用光学倍频法提高测量的分辨率外,还必须在电信号处理过程中利用电子倍频,提高干涉仪的分辨率。基于基于频率相减法激光外差干涉仪光电信号处理框图相位解调法：相位解调法是高精度外差干涉仪常用的信号处理方法。当外差干涉仪的测量镜移动时,测量光束的空间光程发生变化,从而引起了外差干涉信号的相位变化。相位测量是将该信号与干涉仪的参考信号进行比相,测量出测量信号的相位变化,即测量出被测量的大小。FPGA（单片机）法处理信号：目前国内外常用的外差干涉仪的信号处理方法有:频率解调法和相位解调法，以及在这两者基础上发展而来的混合法。频率解调法实质上将干涉仪测量系统中可移动棱镜运动产生的多普勒频移转换成正负脉冲，该脉冲记载着测量信号的变化量，然后送入可逆计数器进行计数，计数值经数据处理后即得测量结果。相位解调法即相位测量法，相位测量法可分为广义和狭义两种，狭义的相位测量是指不满整周期相位差的测量，广义的相位测量包括整数相位差测量和不满整周期的小数相位差测量。混合法即锁相倍频计数法(频率解调法)与小数相位差测量(相位解调法)相结合的测量方法。先对参考信号和测量信号进行对顶错位脉冲消除处理，然后再计数，这样大大减小了送入计数器脉冲个数，也无需对两路信号进行同步锁存，更易于结果实现。计算机控制系统：还可以使用计算机控制系统，通过电路连接，将光电转换电路放大后使用串口与计算机相连，方便记录数据，以及进行分析。