光学干涉测量技术

光学干涉测量技术——干涉原理及双频激光干涉1、干涉测量技术干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：121222cosIIIIIV式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。相长干涉（明）：，（）min1212+2IIIIIImV相消干涉（暗）：，（）min12122IIIIII12mV当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。图一普通光源获得相干光的途径与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。从光学零件的质量控制到光学系统的象质评价，从经典的光学技术到自适应光学工程，现代干涉测量技术的应用领域不断扩展。另一方面，现代数字图像处理技术、传感器技术和计算机技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时自动判读，大大提高了干涉测量的精度和灵敏度。图二迈克尔逊干涉仪原理图下面我们主要介绍干涉测量原理的实际应用——双频激光干涉仪，并简单介绍其工作原理以及其测量中具有的优势。2、干涉测量原理的实际应用——双频激光干涉仪2.1干涉仪：实现干涉测量的仪器叫干涉仪。激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次．光电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。2.2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条纹（其原理图类似迈克尔逊干涉仪原理图）。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和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由相应的公式算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。2.3双频激光干涉仪：双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理,克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题,具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点,使得干涉测长技术能真正用于实际生产。目前干涉仪产品大多为双频激光干涉仪。2.4双频激光干涉仪原理：图三为双频激光干涉仪的工作原理图。单模氦氖激光器置于纵向磁场中，由于塞曼效应使输出激光分裂为具有一定频差（约1-2MHz），旋转方向相反的左右圆偏振光。双频激光干涉仪就是以这两个具有不同频率的圆偏振光作为光源的。左右圆偏振光通过1/4破片后成为互相垂直的线偏振光、（其中垂直于纸面，平行于纸面）。1f2f1f2f图三双频激光干涉仪的工作原理分光镜使、的部分光反射，另一部分光透射。反射光经偏振片1后由左侧的1f2f光电探测器接收并经前置放大整形电路处理，作为后续电路处理的基准信号。透射光经过偏振分光镜后使、分离，偏振方向平行于纸面的光透过偏正分光镜到固定在被1f2f2f测量物体上的可动反射镜，当可动反射镜随被测量物体移动时，产生光的多普勒效应，2f返回的频率变为，为多普勒频移量，它包含了可动反射镜的位移信息。返回2fff的、光在偏振分光镜处再度汇合，经反射镜后由右侧的光电探测器接收并经1f2ff前置放大整形电路处理，作为系统的测量信号。下面是对两处光电探测器处光强情况的讨论：设左侧光电探测器处两束光、的波动方程分别为：1f2f（1）111=cos2RtfEE（2）222=cos2RtfEE合成振幅为：（3）12R1R212=+=cos2cos2EEEEttffE光强函数为：（4）2RIE由于光电探测器的频响限制，实际接收光强为：（5）1221122cos2122RRRtRRffIEEEE同理，可以计算右侧光电探测器处接收光强为：（6）1221122cos2122MmmftmmffIEEEE由式（5）和式（6）可见，左侧光电探测器接收信号为一直流分量与一交流信号的叠加，这一信号经由122122RREE1221cos2RRtffEE交流放大器和过零触发器组成的前置放大整形电路处理后，输出一组频率为的21ff连续脉冲；同样右侧光电探测器接收信号经放大整形后，输出一组频率为的连续脉冲。经过减法器实现两组脉冲相减得到的值（包含了被测量21fffVfV的位移信息），即（7）2121ffffff又由多普勒效应（8）2V=CffV式中V为测量反射镜的移动速度，C为光速，f为光频。设测量长度为L，则有（9）00022tttfcLVdtdtfdtfVV频率的时间积分为周期数N，所以上式可以化为（10）2LN此式即为双频激光干涉仪的原理公式。由式（6）可见，双频激光干涉仪的测量信息是叠加在一个固定频差上的，21ff属于交流信号，具有很大的增益和高信噪比，完全克服了单频激光干涉仪因光强变动造成直流电平漂移，使系统无法正常工作的弊端。测量时即使光强衰弱90%，双频激光干涉仪仍能够正常工作。由于其具有很强的抗干扰能力，因而特别适合现场条件下适用。2.5单、双频激光干涉仪比较及分析：单频的激光器它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿，因而限制了单频干涉仪的应用范围，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，所不同者，一方面是当可动棱镜不动时，前者的干涉信号是介于最亮和最暗之间的某个直流光平，而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号；另一方面，当可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在最亮和最暗之间缓慢变化的信号，而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了△f，结果依然是一个交流信号。因而对于双频激光干涉仪来说，可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大，这样，即使光强衰减90%，依然可以得到合适的电信号。由于这一特点，双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。图四是双频激光干涉仪的实物图，图五是双频激光干涉仪在实际测量中的应用。图四双频激光干涉仪实物图图五对机床运动进行测量2.6双频激光干涉仪的优越性：精度高：双频激光干涉仪以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。即使不做细分也可达到um量级，细分后更可达到nm量级。应用范围广：双频激光干涉仪除了可用于长度的精密测量外，配上适当的附件还可测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等。环境适应力强：即使光强衰减90%，仍然可以得到有效的干涉信号。由于这一特点，双频激光干涉仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机，也可以在普通的车间内为大型的机床的刻度进行标定。实时动态测速高：现代的双频激光干涉仪测速普遍达到1m/s，有的甚至于十几m/s，适于高速动态测量。2.7双频激光干涉仪发展趋势：同大多数测量仪器一样，双频激光干涉仪也有向高分辨率，高精度，高测速的发展趋势。3、总结双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一,是工业中最具权威的长度测量仪器。双频激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚，更为广泛的应用于工业生产和科学研究中。用激光干涉仪作为机床的测量系统可以提高机床的精度和效率。起初仅用于高精度的磨床、镗床和坐标测量机上，以后又用于加工中心的定位系统中。但由于在一般机床上使用感应同步器和光栅一般能达到精度要求，而激光仪器的抗振性和抗环境的干扰性能差，且价格较贵，目前在机械加工现场使用较少。随着双频激光干涉仪向着高分辨率、高精度、高测速方向的发展，其研究领域也在进一步拓宽。希望我们能在双频激光干涉仪这方面的研究有所进展和突破，研制出具有先进水平的测量仪器。参考文献[1].梁铨廷，物理光学，电子工业出版社，2012.[2].所睿，范志军，李岩，张书练，双频激光干涉仪技术现状与发展，激光与红外，2004.[3].羡一民，双频激光干涉仪的原理与应用，1996.[4].高冬兰，双频激光干涉仪的设计，2013.[5].高赛，殷纯永，高测速双频激光干涉仪，光学技术，2001.[6].王虹宇，激光原理与应用，2009.[7].杜振辉,蒋诚志,桂垣,王斌，激光干涉仪测量长度[J]，河北建筑工程学院学报.2003(02).[8].JinYuye,ZhangShulian,LiYan,etal.Zeeman-BirefringenceHe-NeDualFrequencyLasers[J].ChinesePhysicsLetters,2001,18(4):533-536.[9].LiYan,FanZhijun,Zhangshulian.Dual2frequencyHe-Nelasersof3MHz240MHzfrequency2difference[A].[10].In∶YukihiroIshiied.proceedingsofSPIE,Shanghai,2002,4916:424-430.[11]