一種激光測(cè)量干涉儀的研究

[摘要]近年來(lái)，激光測(cè)量干涉技術(shù)的研究受到越來(lái)越多的重視，特別是隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度的低頻微小振動(dòng)測(cè)量已經(jīng)成為目前工業(yè)和科學(xué)發(fā)展中迫切需要解決的問(wèn)題。在綜合考慮了眾多高精度測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種用于激光測(cè)量干涉技術(shù)的改進(jìn)型邁克耳遜激光干涉儀。

[關(guān)鍵詞]激光干涉 振動(dòng)測(cè)量 載波調(diào)制 相位跟蹤

激光干涉測(cè)量法是以激光干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的一種光學(xué)測(cè)量方法，與一般的光學(xué)測(cè)量方法相比，激光干涉測(cè)量法具有更高的測(cè)試靈敏度和準(zhǔn)確度。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況選擇適合的調(diào)制解調(diào)方法還可以提高激光干涉測(cè)量的測(cè)試分辨率和穩(wěn)定性。因而，激光干涉測(cè)量技術(shù)成為高精度測(cè)量的廣泛應(yīng)用技術(shù)。

一、激光干涉測(cè)量法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

激光干涉測(cè)量法理論上具有極高的分辨率，但是由于測(cè)量精度受諸多因素的影響，使得理論與實(shí)踐之間還存在較大的差距。因此，它的設(shè)計(jì)和研究成為非常活躍的領(lǐng)域，出現(xiàn)了不同的測(cè)量原理和方案。常見(jiàn)的高精度激光干涉測(cè)量法包括：零差激光干涉法、外差激光干涉法。

1.零差激光干涉法

零差激光干涉法是干涉光路中信號(hào)光頻率與參考光頻率相等，并通過(guò)定的光學(xué)器件使信號(hào)光束與參考光束相遇疊加而產(chǎn)生干涉的測(cè)量方法。零激光干涉儀具有靈敏度和精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低和有限制反射鏡運(yùn)動(dòng)速度的因素等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用于高精密測(cè)量。而對(duì)環(huán)境條件的要求較高，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。為了提高它的抗干擾能力推廣其使用范圍，研究開(kāi)發(fā)出了各種基于零差激光干涉法的解調(diào)方法。

零差激光干涉法的研究主要集中在環(huán)境誤差補(bǔ)償和非線性修正方面：環(huán)境誤差補(bǔ)償是為了抑制空氣擾動(dòng)、折射率波動(dòng)、工作臺(tái)振動(dòng)等環(huán)境噪聲的干擾。提高系統(tǒng)的分辨率、重復(fù)精度，主要采用雙干涉自補(bǔ)償法、多點(diǎn)檢測(cè)線性擬合技術(shù)和共模抑制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境誤差補(bǔ)償；非線性修正是為了補(bǔ)償或校正干涉儀的光學(xué)和電學(xué)等非線性環(huán)節(jié)，改善系統(tǒng)線性度、重復(fù)精度等，主要采用增加并行相位檢測(cè)電路或光路的方法，或者用設(shè)計(jì)補(bǔ)償光路或?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ蔷€性誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光干涉測(cè)量的測(cè)量精度有越來(lái)越高的要求，環(huán)境誤差補(bǔ)償和非線性修正仍然是單頻激光干涉儀的主要研究?jī)?nèi)容。

2.外差激光干涉法

外差激光干涉測(cè)量是利用載波技術(shù)將被測(cè)物理量信息轉(zhuǎn)換成調(diào)頻或調(diào)相信號(hào)的高精度測(cè)量方法，具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量速度快、信噪比高、易于實(shí)現(xiàn)高測(cè)量分辨率等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)外差千涉的方法主要有：（1）利用塞曼分裂He-Ne激光器作為光源的雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)；（2）利用光學(xué)頻移器件實(shí)現(xiàn)外差干涉，目前，應(yīng)用最多的光學(xué)頻移器件是聲光調(diào)制器。

He-Ne激光器在縱向磁場(chǎng)的作用下，其譜線分裂成頻率相差1.5-2MHz，偏振態(tài)分別為左右旋的兩束偏振光，經(jīng)四分之一波片后成為正交的線偏振光。在外差干涉儀中，線偏振光經(jīng)偏振分光器后一個(gè)頻率的光作為測(cè)量光，另一個(gè)作為參考光。兩路光相干后形成拍頻信號(hào)，當(dāng)測(cè)量反射鏡移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生多普勒頻移，其中包含被測(cè)位移信息，對(duì)其積分可求出被測(cè)位移量。增加外加磁場(chǎng)的大小可使雙頻頻差增大。但外加磁場(chǎng)也不能無(wú)限增大，頻率牽引作用也限制了雙頻頻差的進(jìn)一步增大。聲光調(diào)制激光外差測(cè)量方法突破了雙頻頻差較小的限制，由超聲信號(hào)源及功率放大器驅(qū)動(dòng)的超聲轉(zhuǎn)換器發(fā)出超聲波，通過(guò)介質(zhì)（可以是石英、妮酸鏗、鋁酸鉛等）傳播，引起介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦形的疏密變化，其變化周期等于超聲波的波長(zhǎng)。

當(dāng)一束細(xì)的平行激光束射入這樣的介質(zhì)時(shí)，光柵衍射效應(yīng)使入射光受到衍射調(diào)制，其零級(jí)光束的頻率與入射光的頻率相同，而+1級(jí)和-1級(jí)光束的頻率分別為入射光的頻率同超生波頻率的和與差，其余依此類(lèi)推。當(dāng)入射光以布儒斯特角入射時(shí)，將產(chǎn)生布喇格衍射，出射光將只有0級(jí)和+1級(jí)光束，且光強(qiáng)相等。0級(jí)和+1級(jí)以外的光束被限制，若讓0級(jí)和+1級(jí)兩種頻率的光射入干涉系統(tǒng)，調(diào)整超聲信號(hào)源的頻率，就可得到所需的外差拍頻光束。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)測(cè)量工具也提出了更高的要求，模間藕合現(xiàn)象和非線性問(wèn)題成為制約外差干涉儀發(fā)展的決定因素。激光外差千涉儀采用超外差方法以消除模間禍合誤差、采用共光路思想以提高抗外界干擾能力，采用光纖技術(shù)以簡(jiǎn)化光路。外差激光干涉儀向著高分辨率、高精度、高測(cè)速等方向發(fā)展。

激光干涉測(cè)量方法采用光學(xué)倍程技術(shù)、干涉條紋電子細(xì)分技術(shù)和電子倍頻技術(shù)可以進(jìn)一步提高激光干涉儀的測(cè)量分辨率。但隨著激光干涉測(cè)量在生產(chǎn)生活多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于不同的應(yīng)用目的出現(xiàn)許多區(qū)別于傳統(tǒng)激光干涉測(cè)量法（零差激光干涉法和外差激光干涉法）的新型高精度激光干涉測(cè)量方法，如偏振激光干涉法和合成波長(zhǎng)激光干涉測(cè)量法等。

二、邁克爾遜干涉測(cè)量原理

邁克爾遜干涉儀是19世紀(jì)末為測(cè)量地球和“以太”之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而計(jì)的，現(xiàn)在各種雙臂式干涉儀，幾乎都是它的發(fā)展和改型。邁克爾遜干涉是一種所謂“增量法”測(cè)長(zhǎng)的儀器，它是把測(cè)量反射鏡與被測(cè)對(duì)象固聯(lián)，參反射鏡固定不動(dòng)，當(dāng)測(cè)量反射鏡隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，兩路光束的光程差即生變化，干涉條紋也將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測(cè)器接收，當(dāng)被測(cè)象移動(dòng)一定距離時(shí)，條紋亮暗交替變化一次，光電探測(cè)器輸出信號(hào)將變化個(gè)周期，記錄下信號(hào)變化的周期數(shù)，便確定了被測(cè)長(zhǎng)度。邁克爾遜干涉儀光路原理圖如圖A所示，擴(kuò)展光源S發(fā)出的光波被分光鏡G分成兩路，成互相垂直的兩臂，其中一束光經(jīng)參考反射鏡M1反射，透過(guò)G進(jìn)入接收統(tǒng)，另一束光透過(guò)補(bǔ)償板C，由測(cè)量反射鏡MZ反射后原路返回，在經(jīng)G射后進(jìn)入接收系統(tǒng)，與另一束光干涉。如果畫(huà)出M2經(jīng)G所成的鏡像M2′，上述干涉疊加可等效為由M1和M2′形成的空氣薄膜的兩束光干涉。

當(dāng)被測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使測(cè)量反射鏡產(chǎn)生相應(yīng)的位移變化，這樣光電探測(cè)器所接收的光強(qiáng)信號(hào)就會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)所接收光強(qiáng)信號(hào)改變量的多少就可得到被測(cè)物理量的變化信息。邁克爾遜干涉儀常被用來(lái)演示和觀察干涉現(xiàn)象，測(cè)定單色光波長(zhǎng)、微小位移量和進(jìn)行多光束實(shí)驗(yàn)等，這些都大大推動(dòng)了計(jì)量科學(xué)的發(fā)展。

邁克爾遜干涉儀的原理還被發(fā)展和改進(jìn)為其他許多形式的干涉儀器，如泰曼-格林干涉儀，傅立葉變換光譜儀等。但是傳統(tǒng)的自由空間干涉儀對(duì)外界環(huán)境條件要求嚴(yán)格，容易受到空氣、環(huán)境、溫度、聲波及振動(dòng)的影響，并且調(diào)整光路也很困難，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。為此本課題在傳統(tǒng)邁克爾遜千涉儀基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種可以有效去除環(huán)境噪聲干擾的改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀，使其在高精密測(cè)量領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

三、光學(xué)干涉儀光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

基于交流相位跟蹤方法和使用準(zhǔn)貓眼動(dòng)鏡，激光干涉測(cè)量?jī)x采用改進(jìn)型邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖B所示。改進(jìn)型邁克耳遜干涉儀由激光器、準(zhǔn)直儀、偏振分光棱鏡、固定有參考反射鏡的PZT組、透鏡和

測(cè)量反射鏡組成。由光源發(fā)出的單頻激光經(jīng)準(zhǔn)直儀投射到分光棱鏡上，經(jīng)分光棱鏡將入射光線分成兩束：一束進(jìn)入測(cè)量臂，通過(guò)透鏡照射到置于透鏡焦點(diǎn)處的測(cè)量反射鏡上。此光束再由測(cè)量反射鏡反射，經(jīng)過(guò)透鏡后，以與原入射光束平行方向返回到分光棱鏡上；另一束入射到固定在相位調(diào)制壓電陶瓷上的參考鏡后，反射到另一個(gè)固定在相位補(bǔ)償壓電陶瓷上的參考鏡上，再由這一參考鏡反射回分光棱鏡。這樣兩束光經(jīng)測(cè)量反射鏡和參考反射鏡組反射后，分別照射到分光棱鏡后重新會(huì)合，同時(shí)照射到光電探測(cè)器上形成干涉。

四、相關(guān)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

相關(guān)器是一種完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路。它必須具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、線性好、增益穩(wěn)定和頻率范圍寬等性能，由乘法器和積分器兩部分組成。

1.乘法器

常用的乘法器分為：模擬乘法器和電子開(kāi)關(guān)式乘法器。模擬乘法器不僅輸出幅度受參考輸入信號(hào)幅度的影響，而且一般存在非線性，當(dāng)噪聲較強(qiáng)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致較大的輸出誤差。電子開(kāi)關(guān)式乘法器的功能相當(dāng)于參考信號(hào)為單位方波時(shí)的模擬乘法器，輸出幅度不受參考輸入信號(hào)幅度的影響，而且沒(méi)有非線性的問(wèn)題，動(dòng)態(tài)范圍大，抗過(guò)載能力強(qiáng)。此外，電子開(kāi)關(guān)式乘法器電路簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，有利于降低成本和提高系統(tǒng)的工作速度。在電子開(kāi)關(guān)式乘法器中，因AD630具有優(yōu)良的性能，而成為相關(guān)檢測(cè)領(lǐng)域的主流乘法器。AD630的主要性能為：AVD（開(kāi)環(huán)增益）>l10dB；KCMR>1l0dB；轉(zhuǎn)移率SR>45VμS；單位增益帶寬BWG>2MHz；輸入動(dòng)態(tài)范圍>100dB。其組成方框圖如圖 C所示。

2.積分器

在鎖相放大器中積分器幾乎毫不例外地采用運(yùn)算放大器組成的近似積器。理論分析常將積分時(shí)間取無(wú)窮大，實(shí)際上不存在這種理想情況，也沒(méi)必要實(shí)現(xiàn)時(shí)間常數(shù)無(wú)窮大。為了抑制噪聲和不使儀器輸出端噪聲電平過(guò)載希望時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)越好。但為使信號(hào)不失真，則時(shí)間常數(shù)又不能太大，所應(yīng)該按系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況適當(dāng)選擇。

五、結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，低頻微小振動(dòng)的高精度測(cè)量得到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注。激光干涉測(cè)量技術(shù)具有非接觸、高分辨率和高精度等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有低頻微小振動(dòng)測(cè)量?jī)x的不足，已成為主要的研究方向。基于零差干涉法構(gòu)成的傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易受外界環(huán)境、自身光學(xué)元件和電子器件波動(dòng)的影響，測(cè)量穩(wěn)定性不好，測(cè)量精度不高。而對(duì)于能夠抑制干涉背景和電子電路噪聲的外差干涉測(cè)量?jī)x雖然能夠提高測(cè)量分辨率，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本相對(duì)較高。就此，本文根據(jù)交流相位跟蹤零差法，設(shè)計(jì)探討了一種可用于低頻微小振動(dòng)高穩(wěn)定性高精度測(cè)量的改進(jìn)型邁克耳遜干涉儀。

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（作者單位：浙江理工大學(xué)機(jī)控學(xué)院）