（测试计量技术及仪器专业论文）高速双纵模双频激光干涉仪系统的研究.pdf

y 6 8 8 6 l8 高速双纵模双频激光干涉仪的研究 测试计量技术及仪器 研究生闰晓茹指导教师张涛 本学位论文以实用高速双频激光干涉仪测量系统为研究目标，完成了以下 研究工作： ( 1 ) 在详细了解了激光干涉测量的国内外现状基础上，分析了高速激光干 涉测量发展的现状、趋势及面临的问题。提出在现有的具有一定优势的双纵模 双频激光干涉仪的基础上，对其电路系统进行改进，研制具有较高测量速度( 不 小于1 0 0 0 r m s ) 、有良好抗干扰性能、测量智能化及自动化程度均较高的高速 激光干涉仪系统的研究目标。 ( 2 ) 详细介绍了双纵模双频激光干涉仪的结构组成，从理论上分析了双频 激光干涉仪的测量原理及光外差原理，并对该干涉仪光路结构上的三个特点作 出介绍。即测量光路采用角锥镜作测量镜及参考镜以保证测量光与参考光合光 后的平行度要求。采用倒置望远镜光路及针孔结构构成准直扩束及滤波系统， 使高斯激光束束腰扩大了m 倍( m = 一。) ，发散角减小了1 m ，等效腔长增 大了m 2 倍。由于拍频频率高达7 2 8 m h z ，采用延迟线移相技术仅需8 0 r a m 长s y v 型聚乙烯介质同轴电缆即可获得相位差为9 0 。的两路信号，比传统的光学镀膜移 相法简单。其具有的一系列优异特性，使它可满足各种高精度测量的要求，得 到了广泛的应用。 ( 3 ) 针对原有电路系统的信号易有直流漂移、调整光路观察信号不方便 的不足之处提出解决方案，即将高稳定度的高频振荡器输出的频率为v 的振荡 信号由功分器分成两路分别与测量信号和参考信号进行混频，测量信号和参 考信号频率为拍波频率y ，则可以得到测量镜运动调制的测量信号 p 一v l + 可和参考信号形成的信号卜一y l ，式中厂为多普勒频移。然后分 别将两路信号进行自增益控制放大和整形，即可得到计数器可直接接收计数 的方波脉冲信号，由计数系统分别计数，c p u 系统读出计数值相减乘以脉冲当 量即可得出所测长度值。并给出了振荡器频率选择的基本公式及对混频后信 号进行自动增益控制( a g c ) 放大稳幅和整形处理的具体电路。 ( 4 ) 根据研究目标的要求，给出了计数系统的设计公式。以此公式为基 础设计出了基于8 2 5 4 的计数系统及基于7 4 h c l 6 1 的计数系统。上述两种计数系 统各有特点，适用的场合也不相同。基：于二8 2 5 4 的计数系统，单片计数范围大， 电路集成度高，与8 9 c 5 1 接口简单，但是当系统分辨率要求较高时，系统的测 量速度将受到限制。基于7 4 h c l 6 1 的计数系统，单片计数范围小，所需计数器 数目较大，电路集成度不高，但它的计数频率很高，在高分辨率下能满足高 速测量的计数要求。 ( 5 ) 设计出了以8 9 c 5 1 单片机为核心的c p u 测量控制及数据处理系统。该 系统设有1 6 个按键，1 2 位高亮共阴l e d 显示，通过按键可控制启停测量，可直 接显示长度值，动静态采样及输入环境参数修正波长误差，大大提高了系统 的智能化程度和自动化水平：能实现与系统机通讯，最大波特率可达1 9 2 k 。 ( 6 ) 在完成电路系统的设计、加工及调试后，进行了实验验证，实验结 果证明该干涉仪能够满足测量速度不小于1 0 0 0 m m s 的要求；并具有足够的抗 干扰能力。 关键词：双纵模双频激光干涉仪测量速度振荡器混频器 计数系统 s t u d y o fh i g hm e a s u r i n gs p e e dd u a l - f r e q u e n c yl a s e r i n t e r f e r o m e t e r s y s t e m w i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e s s p e c i a l i t y ：t e c h n o l o g yo f t e s t i n ga n d m e a s u r e m e n t & i n s t r u m e n t p o s t g r a d u a t e ；y a hx i a o r us u p e r v i s o r ：z h a n g t a o t h i sp a p e ra i m sa tt h ed e v e l o p m e n to fp r a c t i c a lm e a s u r i n gs y s t e mu s i n gh i g h m e a s u r i n gs p e e dd u a l f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e s a t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do l lt h ef o l l o w i n gs i xp a r t s ： ( 1 ) b a s e do nt h ew e l lu n d e r s t a n d i n go fd o m e s t i ca n df o r e i g nl a s e ri n t e r f e r o m e t r ys i t u a t i o n s ， t h es t a t u sq u o ，t e n d e n c ya n dp r o b l e m so ft h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dl a s e r i n t e r f e r o m e t r y w e r e a n a l y z e d t h e n ，t h e r e s e a r c h g o a l w a s p u t f o r w a r do nt h eb a s i so ft h e e x i s t i n g d u a l - f r e q u e n c y l a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e sw h i c h a l r e a d yh a ss o m e a d v a n t a g e s t h i sh i g hm e a s u r i n gs p e e dl a s e r i n t e r f e r o m e t e rh a si m p r o v e d c i r c u i t r y , h i g h e r m e a s u r i n gs p e e d ( n o tl e s st h a n1 0 0 0 m m s ) ，b e t t e ra n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , a n dh i g h e re x t e n ti n i n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i z a t i o n ( 2 ) t h e s t r u c t u r eo fd u a l - f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e sw a s d e s c r i b e di n d e t a i l t h e n ，t h ep r i n c i p l e s o fm e a s u r e m e n ta n d o p t i c a lh e t e r o d y n e o f d u a l f r e q u e n c y l a s e ri n t e r f e r o m e t e r w e r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n d t h r e es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so f l i g h tp a t h sw e r ei n t r o d u c e d i no r d e rt os c c u t ct h ep a r a l l e l i t yo fm i x e db e a r n f r o mm e a s u r i n gl i g h ta n dr e f e r e n c el i g h t ，p r i s mi su s e df o rb o t hm e a s u r i n gl e n sa n dr e f e r e n c e l e n s b e c a u s er e v e r s e d p o s i t i o n e d b i n o c u l a r sa n d p i n h o l ea r e u s e df o rb e a m c o l l i m a t i n g ， e x p a n d i n ga n ds p a c ef i l t e rs y s t e m ，g a u s s i a nl a s e rb e a mw a i s ti se n l a r g e dm t i m e s ( m - - f j 矿i ) ， a n dd i f f u s i o ni sr e d u c e d1 ma n de q u i v a l e n tl e n g t ho fb o r ei s e n l a r g e dm 2t i m e s s i n c et h e f r e q u e n c yo f b e a tf r e q u e n c yi sa sh i g ha s7 2 8m h z ，8 0 r a ms y vt y p eo f p o l y e t h y l e n ec o a x i a lc a b l e i su s e da sd e l a yl i n et os h i f tp h a s ea n ds u c ho b t a i n e dt w os i g n a l sw i t hp h a s ed i f f e r e n c e9 0 。i ti s e a s i e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fp h o t o - m a s k p h a s es h i f t a c c o r d i n gt oa l lt h ef e a t m e s d i s c u s s e d a b o v e ，s u c hi n t e r f e r o m e t e rc a nm e e tv a r i o u s r e q u i r e m e n t s o f h i g hp r e c i s i o n i i i m e a s u r e m e n ta n dh a sb e e na p p l i e de x t e n s i v e l y ( 3 ) t h es i g n a la l w a y s h a sd es h i f ta n dt h eo b s e r v a t i o no fs i g n a l i si n c o n v e n i e n tw h e n a d j u s t i n gl i g h tp a t h s a i m i n ga t t h ea b o v ed e f i c i e n c yo fo r i g i n a lc i r c u i t r y , t h es e t t l e r n e n t “a s p r e s e n t e d t h es i g n a l o f f r e q u e n c yv ，w h i c hi so u t p u tb yh i g hf r e q u e n c yo s c i l l a t o r o fh i g h s t a b i l i t y , i s d i v i d e di n t ot w op a t hb yp o w e rd i v i d e ri no r d e rt o m i xm e a s u r i n gs i g n a la n d r e f e r e n c es i g n a l t h ef r e q u e n c yo fm e a s u r i n gs i g n a la n dr e f e r e n c es i g n a li s t h eb e a tf r e q u e n c y a v ，s om e a s u r i n gs i g n a l l v a v i + a f m o d u l a t e db yt h em o v e m e n to fm e a s u r i n gm i r r o r a n dr e f m e n c es i g n a l1 l ，一av lc a nb eg a i n e d ，w h e r ea f i s d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t t h e n ，l b e t w os i g n a l sa r em a g n i f i e da n ds h a p e db ya g cc i r c u i t sr e s p e c t i v e l y , a n ds q u a r e - w a v ep u l s e s i g n a l st h a tc a nb ed i r e c t l yc o u n t e db yc o u n t e r sa r ea v a i l a b l e t h ed i f f e r e n c eo f v a l u e s o f t h et w o c o u n t e r s ，w h i c hi so p e r a t e db yc p u ，m u l t i p l i e db yt h ep u l s ee q u i v a l e n c ei s t h ee x p e c t a t i v e l e n g t h a l s o ，t h i sp a p e rh a ss h o w nt h eb a s i cf o r m u l a so ft h es e l e c t i o no fo s c i l l a t o r s ，a n d t h e c o n c r e t ec i r c u i to f a g c ( 4 )a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hg o a l ，t h ed e s i g nf o r m u l a so ft h ec o u n t i n gs y s t e mw e r el i s t ， w h i c ha r ct h eb a s i so f8 2 5 4a n d7 4 h c l 6 1c o u n t i n gs y s t e m s t h et w os y s t e m sb o t hh a v et h e i r o w nf e a t u r e s ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r en o ts a m e t h es y s t e mb a s e do n8 2 5 4h a sl a r g ec o u n t i n g r a n g es i n g l ya n dh i g hi n t e g r a t i o nl e v e lo fc i r c u i t s ，a n di sc o n v e n i e n tt oc o n n e c t8 9 c 5 1 b u tt h e m e a s u r i n gs p e e dw i l lb el i m i t e dw h e nr e s o l v i n gp o w e r i sh i g h t h eo t h e ro n eb a s e do n7 4 h c l 6 1 i sq u i t et h ec o n t r a r y ( 5 ) t h em e a s u r i n g ，c o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mc e n t e r i n g 0 1 38 9 c 51h a sb e e n d e s i g n e d ，w h i c hh a ss i x t e e nk e y sa n d1 2b i t sl e d b yp r e s s i n gt h e s ek e y s ，t h em e a s u r e m e n t c a n b es t a r t e da n ds t o p p e d ，t h el e n g t hb ed i s p l a y e d ，t h ed y n a m i co rs t a t i cs a m p l i n gm o d eb ec h o s e n ， a n dt h ee n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r sb ei n p u tt o c o r r e c tw a v e l e n g t he r r o r , a l lo ft h ea b o v e i m p r o v e st h ei n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i z a t i o no ft h es y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nw i t hc o m p u t e r h a sa l s ob e e nr e a l i z e d ，a n dt h em a xb a u dr a t ei su pt o1 9 2 k b p s ( 6 ) a f t e rt h e d e s i g n ，p r o c e s s i n g a n dd e b u go f c i r c u i t r yb e i n gf i n i s h e d ，e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o nh a sb e e nc a r r i e dt h o u g h t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h i s s y s t e mc a nm e e tt i l e r e q u i r e m e n to fh i g hm e a s u r i n gs p e e d ( n o tl e s st h a n1 0 0 0 m m s ) a n dh a sc n o u g ha n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t y k e y w o r d s ：d u a l f r e q u e n c y l a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e s m e a s u r i n gs p e e d 0 s c i l l a t o r m i x e r c o u n t i n gs y s t e m v 婴型查堂堡主兰堡兰茎一 第一章绪论 科学技术的不断发展和成熟，给测量领域提出了新课题，同时也推动测量 技术的新发展。各种测试手段仅满足于静态测量是远远不够的。新技术革命把 人类社会从工业化社会推进到信息化社会，这就要求对随时间变化的参量，甚 至是变化频率很高的动态量进行实时测量。目前，各种动态量的测量技术得到 迅速发展，它的高响应速度以及可以连续测量和自动控制等特点越来越显示出 其巨大的应用前景。激光干涉测量技术作为高精度的几何测量手段不仅要求有 很高的测量精度，还要求有极快的测量速度，以完成各种动态测试任务。如大 型超精密金刚石镗床的在线测量系统。机床和三坐标测量机的动态误差的标定 等都需要高速、高动态性能的激光干涉测量系统。如何进一步提高激光干涉测 量的测量速度对国内超精密机床的研制意义重大i l l 。 1 1 激光干涉测量的国内外研究现状与发展趋势 自从h e n e 激光器问世以来，激光干涉仪以其特有的大测量范围、高分辨率 和高测量精度等优点，在精密和超精密测长领域获得了广泛的应用。伴随着电 子学、光学和物理光学的发展并与计算机相匹配，加之丰富的应用软件和各种 附件，是激光干涉仪不仅能测量线位移、线速度，还能测量小角度以及各种形 位误差等几何量。因此，它是精密机械工业不可缺少的测量工具，是全息光栅 尺和玻璃线纹尺等长度测量工具所不能取代的1 2 o 正是由于激光干涉仪在非接触高精度测量领域无可比拟的优点，世界上各 发达国家对其发展都给予了足够的重视，相继开发研制出各种性能优良的商品 化激光干涉仪。目前世界上有三种比较典型，也是应用比较成熟的激光干涉仪： 美国h e w l e t tp a c k e d 公司生产的h p 系列双频光干涉仪：美国z y g o 公司研制的 用于d s w 光刻机x 、y 工作台直线及角位移测量的双频激光干涉测量系统： 以及英国r e n i s h a w 公司的激光校准系统。日本、德国、俄罗斯等国家也都有了 自己的产品。表( 1 1 ) 给出国外主要激光干涉测量系统厂家的产品和技术指标。 9 1 q 川大学硕士学位论文 表1 1 雩 型号激光分辨力测量精度测量速度 厂家 国别 功率 is p l 2 51 5 m w0 6 3 5 n m 2 5 4 n ml l n l美国 2m l l 0 1 m w 1 0 n m 0 1 p p ml m s r e n j s h a w英国 3a x i o m 2 01 2 5 n m 0 0 1 p p m 1 8 m sz y g o 美国 4l d d m1 0 n m 1 p p m 14 m s o p t o美国 5h p 5 5 2 7 b1 m w1 0 n m 0 1 p p m 04 5 m sh p 美国 6h p 5 5 2 9l m w1 0 n m 0 1 p p m 0 7 m sh p 美国 7l 1 m 1 0 a1 m w1 0 n m 0 1 p p m 0 4 m st s k 日本 8m 1 5 0 0l n l y l o ，6 p p m 0 4 r r d ss i o s 德国 高精度的激光干涉测量系统是精密位移测量的必需设备。为满足超精密机 床定位测量精度的要求，需要提高激光干涉测量系统中的精度和测量速度，以 保证激光干涉测量系统在超精密机床位移检测中达到所需的精度指标。 目前，在这方面研制水平最高的是美国。由l l n l 国家实验室和空军w r i g h t 航空研究所等单位合作研制成功的l o d t m 大型精密机床中的激光干涉测量系 统。所采用的是专门研制的s p l 2 5 型双频激光干涉仪，其输出功率为1 5 r o w ， 采用的碘稳频技术具有很高的频率稳定性，分辨力为o 6 3 5 n m 。控制计算机实 时采集七路信息，通过数据处理提供精确的反馈信息给伺服系统，驱动刀架来 保证刀具相对工件的位置。这样由测量控制伺服系统补偿了机械系统的运动误 差，使其达到的加工精度为o 0 2 5 i _ t m 。该机床可用于加工激光核聚变工程的零 件、红外线装置用零件以及大型天体望远镜零件，可用于平面、球面及非球面 “，是世界公认的当今最高水平的超精密机床。 美国p n e u m o p r e c i s i o n 公司生产的m s g 3 2 5 超精密金刚石机床，其定位测 量装置采用美国h p 公司生产h p 5 5 0 1 双频激光测量系统，可测量x 轴和z 轴 两坐标，分辨力为o 0 1 9 m ，绝对测量精度为o 1 u m 2 1 。 四川大学硕士学位论文 欧洲研制和开发精密机床的单位主要有b o l e y 、c u p e 、e u r o p r e c i s i o n t e c h n o l o g v 、p h i l i p s 等。其中英国的克兰菲尔德理工学院( c i t ) 所属的c u p e 精密工程研究所主要从事精密加工机床、精密测量仪器及相关基础技术的研究、 设计和开发。在c u p e 基础上成立的c p e 精密工程有限公司，装备有多台超精 密金刚石机床。其中一台用于加工大型非常规光学零件的机床o a g m 2 5 0 0 ，魁 世界上三台精度最高的具有激光在线测量系统的超精密机床之一。它的精密数 控驱动采用分辨力为1 2 5 r i m 的z y g oa x i o m 双频激光测量系统检测运动位置， 形成闭环控制，精度较以前大大提高1 3 “。 我国于七十年代开始了激光测量系统的研制，1 9 7 5 年由中国计量科学研究 院与陕西机械学院研制出我国第一台国产双频激光干涉仪样机。量程为6 0 m ， 测量精度为0 5 x 1 0 。到目前为止，清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学等 也相继开展了对激光干涉仪及相关技术的研究。哈尔滨工业大学精密仪器系九 十年代研制的光电接触式干涉仪，其分辨力为0 0 1 p m ，仪器的总误差为o 0 1u m + 5 x 1 0 - a l ( l 为被测长度) 。计量科学研究院1 9 9 2 年研制的g l i 一1 0 0 型量块激光 干涉仪，其分辨力为0 0 0 5 u m ，对1 等和o o 级量块长度测量的不确定度不超过 ( o 0 2 + 0 2 1 ) 啪( 1 为量块长度，单位为m ) 。此外，清华大学在及光调谐绝对距 离的测量方面、外差干涉的相位检测电路方面，华中理工大学在声光调制外差 干涉的光路方面等都作了相当好的研究工作，取得了很好的结果。成都工具所 已生产出带有测量空气参数装置并进行误差补偿的激光干涉仪5 缶】。 目前，双频激光干涉仪技术的研究方向集中在下列三个方面：1 ) 如何进一 步提高测量精度的问题；2 ) 如何提高测量速度的问题：3 ) 扩大双频激光干涉 仪应用范围的研究，这主要集中在振动、热膨胀、电致伸缩的测量方面。本课 题从事的正是发展方向2 ) 的研究工作。 1 2 影响激光干涉仪中测量速度的因素 1 2 1 单频干涉仪中的测量速度 单频干涉仪即条纹计数型干涉仪，当测量镜移动时，测量光路和参考光路 的光程差发生变化，光电接收器接收到明暗变化的干涉条纹，其输出是周期对 四川大学硕士学位论文 应为兰的正弦信号，即每一个条纹变化对应测量镜移动尝。为提高干涉测量的 2 上 分辨力和判别干涉条纹的移动方向，通常需要相位差为9 0 。的两路干涉信号，以 便细分和辨向。 在常规的单频激光干涉仪装置中，测量镜的移动速度快，单位时间内通过 光电接收器的干涉条纹数就多：测量镜静止，光电接收器无干涉条纹移动。原 理上，除光电接收器、计数电路、细分及辨向电路和接口电路等电子系统通过 能力所决定的因素外，没有限制测量镜运动速度的因素。因此，测量速度完全 取决于电子计数器等电路的响应速度。采用高速芯片来设计电路，有望使干涉 仪达到很高的测量速度。 但是单频干涉仪的缺点是受环境因素的影响比较严重，尤其是在测量环境 恶劣，测量距离较长时较为突出。其原因是它产生的是一直流信号，在火距离 测量时光能的衰减、空气湍流的存在、背景光强的变化等对激光束的干扰，都 会使光束发生偏移，不可避免的使激光束强度发生变化，从而导致直流光强和 电平的漂移。因单频干涉仪在测量时很大程度上受直流放大器的漂移、光接收 器灵敏度和激光功率起伏的限制，因此单频激光干涉仪在高精度测量中是很难 利用的。r e n i s h a w 公司在单频激光干涉仪上，将输出信号分离在4 个光接收器 上的方法来消除直流分量。转换实质是对每个相移9 0 。的信号建立反相信号， 即移相1 8 0 。经过减法放大器，在移相1 8 0 。的信号中将没有直流分量。这个 方法在很大程度上受直流放大器的漂移、光电接收器的灵敏度和激光功率的起 伏的限制。当测量距离增大时，信号下降5 0 ，这种情况下得不到完全补偿。 同时考虑到光通量分为4 个部分，使干涉系统复杂并使信噪比下降。粥外4 个 完全正交的信号也很难获得。总之，这种基于对直流信号进行处理的方法，抗 干扰能力不强【7 q o 。 1 2 2 外差式干涉仪及测量速度的影响因素 为滤除干涉背景和直流放大器系统噪声的影响，用交流测量系统代替直流 测量系统，将信号频谱移至高频端，并利用拍波干涉进行位移测量，即可抑制 低频干扰而改善信噪比，从而提高干涉仪小数部分的读数精度。这就是利用外 婴业查兰堡主堂垡垒奎一 差技术的双频激光干涉仪。 双频激光干涉仪最大测量速度是受频差限制的，因而要提高双频激光干涉 仪的测量速度，本质上必须研制出具有较高频差且频率稳定的双频激光源a 目 前常用的激光产生频差的方法主要有塞曼效应法、频率分裂法和声光调制法。 塞曼效应激光器主要分为纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器，横向塞曼激光器 输出光的两频率分量为正交的线偏振光，具有良好的偏振特性，但频差一般较 低，为几百k h z ，纵向塞曼激光器输出光的两频率分量分别为左右旋的圆偏振 光，其频差较纵向塞曼激光器高，但一般低于3 m h z ，这主要是由于输出频率大 于3 m h z 时，对应于左右旋圆偏振光的增益曲线将完全分离，从而不能输出双频。 频率分裂法是基于频率分裂的原理，通过在激光谐振腔内加入双折射元件实现 的。双折射元件可以为自然双折射晶体，如晶体石英片，或光电晶体或是人工 双折射元件，如应力片。当光通过双折射元件时，由于双折射效应使被分解的 相互垂直的两偏振分量的光的光程不同，从而引起相应的光频发生分裂。其特 点是可以产生很高的频差，但加入双折射器件使激光器结构复杂，稳频困难， 双折射晶体的温度波动会造成频率漂移。声光调制法是利用声光效应使衍射光 产生频移。利用声光调制法获得双频激光，必须将激光先分光、起偏，然后分 别进行调制，再合光成为包含两个正交偏振分量的激光束。声光调制器的振荡 频率由石英晶振提供，频差值可达2 0 m h z ，频率稳定性非常好，可以利用锁相 放大器处理信号。其缺点是：稳频、调制、合光等环节使光强损失大，光学结 构复杂，调整困难f “j 。国外对这些高速双频激光干涉仪的关键技术近年来研究 较多，国内在这方面还刚刚起步，国产激光干涉仪用于高速精密或超精密长度 测量总不能令人满意，还有许多关键技术需要解决o 2 1 。 国外对这些高速双频激光干涉仪的关键技术近年来研究较多，国外公司的 典型产品主要是：( 1 ) h p 公司的双频激光干涉仪频差可达3 m h z ，相应测量速 度最大为7 5 0 m m s 。( 2 ) z y g o 公司采用声光调制法产生频差制成高速双频激光 干涉仪，频差可达2 0 m h z ，频率稳定性非常好，可利用锁相放大器处理信号， 但其稳频、调制、合光等环节使光强损失大，光学结构复杂，调整困难。国内 在这方面还刚刚起步，国产激光干涉仪用于高速精密或超精密长度测量总不能 令人满意，还有许多关键技术需要解决 1 ”。 四川大学硕士学位论文 由国家自然科学基金资助，由四川大学激光应用研究所研制的拥有国家发 明专利的双纵模h e n e 热稳频激光源，采用普通h e n e 内腔式激光器，不加任 何特殊附件，通过最直接的控制毛细管放电电流的方式调整谐振腔长度稳频， 两纵模频差可达6 0 0 m h z l g h z ( 对应激光管长度为1 5 0 m m - - 2 5 0 m m ) ，频率稳 定度可达l o 一，以此为基础构成的双频激光干涉仪不仅精度高，而且对测量速 度几乎无限制【1 4 】。但现有的双纵模双频激光干涉仪在实用中有两个问题：( 1 ) 信号经预处理后实际为一准直流信号，后续放大只能采用低倍数直流放大( 否 则运放漂移很大) ，因而其对混频出的信号质量要求较高( 幅度较大且稳定) ， 而实际上系统因激光功率、光路结构、光电器件增益漂移，尤其是双频激光干 涉仪本身不可避免的非线性引起的电平起伏很难避免，因而这种方法对功率稳 定、光路调整、光学器件以及光电转换器件、电子器件的一致性、稳定性要求 很高。不完全满足以上条件时，会影响到系统测量速度，甚至不能正常工作， 因而具有一定的局限性。( 2 ) 调整光路时，高频放大器输出的测量及参考信号 频率很高，只有高频示波器或者取样示波器才能观察。不具备此手段时，只能 观察其混频输出信号，这时须在运动过程中爿能观察，并且其混频输出信号与 参考、测量信号均有关，因此，当混频信号质量不好时，很难判断是哪个信号 造成的影响，给光路调整带来诸多不便。本课题针对以上两个问题进行研究， 最终研制出保留原有系统优点而又解决以上两方面不足的高速双纵模双频激光 干涉仪。 1 3 本课题研究目标 本课题的内容主要是根据测量速度的要求，设计出一套具有精度高、成本 低、动态性能好( 载波频率高达7 0 0 余m h z ) 的优点，而且具有抗干扰性能强、 自动化及智能化程度高等特点的双纵模双频激光干涉仪系统，该系统能广泛地 应用于车间等环境条件较差的场合，同时保持较高的精度、测量速度和可靠性。 并在此基础上，设计出相应的信号处理电路。根据此研究目标，要求后续电路 系统能够实现下列功能及技术指标。 ( 1 ) 最大允许测量速度不低于1 0 0 0 m m s 。 删门l 大学硕士学位论文 ( 2 ) 可处理显示示值范围不低于1 0 m 。 ( 3 ) 有足够的抗干扰能力。加标准所要求的干扰时示值变化量应不大于 一个脉冲当量：在测量镜停止行走时，示值应稳定。 ( 4 ) 智能化及自动化程度高。具有人机对话能力，可进行环境参数修f ； 可进行动静态采样；可直接显示长度值：能实现与系统机通讯。 四川大学硕士学位论文 第二章双纵模双频激光干涉仪的原理及特性分析 2 1 双纵模双频激光干涉仪系统的组成 双纵模双频激光干涉仪 6 1 的原理示意图如图2 1 所示。 一 激光 r 一。i l r l v u i4 l | | | - 一一| ih 透镜+ l 、 ，1 i - 商 1 1 一- 偏振片一 _ _ 透镜 1 光电 f 偏振片 j 接收器 稳频信号 固定角锥镜 曛2 1 双纵模双频激光干涉仪原理示意图 系统由三部分组成：稳频装置与激光头、外置干涉块及测量角锥境。激光 头包括激光管、布儒斯特窗、析光镜、光扩展器及接收参考信号及测量信号的 透镜、偏振器、光电接收元件等。外置干涉头由偏振分光镜及固定角锥镜组成。 由长度为2 0 6 m m 的全内腔h e n e 激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振 光，模间隔为a v = c 2 n l ( 式中c 为光速，l 为谐振腔长，n 为空气折射率， 其值约7 2 8 m h z ) ，经布儒特窗取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光 镜反射及透射，反射的一对正交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振器产生 拍频信号，为光电接收器接收。透射光经光扩展器准直扩束后，为偏振分光镜 分光，水平分量射向测量角锥镜，垂直分量射向固定角锥镜，两路光返回后经 透镜、偏振器产生拍频。当测量镜在时间t 内以速度v 移动一距离时，因多普 四川大学硕士学位论文 勒效应而引起频差变化，这样被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收 器接收。 以下详细介绍双纵模双频激光干涉仪的工作原理，外差干涉的基本特点， 及该干涉仪结构组成的三个特点：即测量光与参考光合光后能保证高平行度的 角锥镜光路系统；能提高光束质量、减小光学系统的杂散光并保证大的等效腔 长d 的准直和滤波系统；及双纵模双频激光干涉仪独特的获得相位差为g o ”的两 路信号的延迟线移相系统【1 5 l 。 2 2 工作原理的理论分析 双频激光干涉仪为典型的迈克尔逊干涉仪结构，其工作原理示意图如图2 1 所示，激光器直接或经处理输出两偏振方向相互垂直，频差为a v 的双频激光束， 其频率分别为v 。，v ：，频差v = v ，一v ：。为使讨论简化而又不影响问题的实质， 我们不考虑双频激光作为高斯光束的场振幅部分，而只讨论其相位部分，将振 幅部分归一化为l 。则两个不同频率激光的电场分量可分别表示为： 球m 扣斗l z l + 稿。) 蹦卯，班唧h ”蔫叫z ：) ) ( 21 ) ( 22 ) 式中，z 是光束传播方向的坐标，p 为垂直于光束传播方向的截面内偏离z 轴的 极径，七是波数，= 2 m , = 2 石五，r f z ) 为在z 处光波阵面的曲率半径， r ( z ) = = l + 汹。 ) 2j ，与z 有关的相位因子妒= l g - i k 7 聊。2 l 为束腰半径， 下标1 、2 分别对应双频激光v ，v ：。 干涉仪测长【1 5 1 6 】实际上就是测量光束与参考光束的程差在测量过程中变化 量的二分之一。由于激光频率甚高( 1 0 h h z 量级) ，无法直接测量光的相位。光 程差检测的传统方法都是干涉强度法，即测量由光程差形成的相位差所引起的 四川大学硕士学位论文 光干涉强度变化，间接地测量光程差。 双频激光通过与其偏振方向成4 5 。放置的检偏器后，按同一一偏振条件在雪 崩二极管上混频。在雪崩二极管处的光电场分量为 e = e l + e 2 ( 2 3 ) 雪崩二极管的输出信号与该处的光电场分量的平方成比例，因此雪崩二极 管输出信号表示为： 卜一 e 。+ e ：i 2 小c o s 心t + 晶h ”翕肌卜舴2 ) 】 。， 在参考信号接收处有丑22 z 。5 r ，r “r ：，届2 p z2 户j ，因此参考信号 表示为 耻，+ c o s 肌，+ 南h ”翕 小吨卜为) ( 2 5 ) 同理，在测量信号接收处，假定两偏振分量在重新会合后光轴重合良好 即n2 a 2 p m ，则测量信号为 四川大学硕士学位论文 驴。s 舭”翕卜2 ( ”翕肿k ) 】 s ， 比较式( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，可得到参考信号和测量信号的相位差 卟( ”病h ”翕剞 2k l z i - - k 2 2 2 。咄k + 舔一丽k 2 1 0 m 2 心z ) _ ( ”t z 卜南j 嚆一 批卜地) 】( 2 4 - k 1 = ( 2 s t c x v o + a v 2 ) ，k 2 = ( 2 z c x v o + k v l 2 ) ，z 1 = 三+ a z 2 ，z 2 = j a z 2 则式( 2 7 ) 可简化为 6 = ( 2 万i c ) ( v o a z + v 五1 + 臼 ( 2 8 ) 式中，= 糊0 量光束和参考光束的平均程长，称为测量信号光程，z r 是参 考信号光程，& 2z z r ，是测量信号光程与参考信号光程之差。 址币1 k i p 而, 2 一铬一甜卜1 ) - 地) 赫卜1 惫 。， 式中，d = 肋。2m ，是激光器等效腔长。口是高斯光束相干涉时特有的附 加项，它使相位差口与光程差z 呈非线性关系，只要做程差测量，这一项总是 存在的。 式( 2 8 ) 表明测量信号与参考信号的相位差目是系统参数的函数，= 是测 渤翻 四川大学硕士学位论文 量光路中测量光束与参考光束所通过的全部光程之差，是光路不对称形成的程 差引起的。为获得测量镜运动引起的程差变化，可对式( 2 8 ) 进行全微分，将 光路中固有的定长程差除去。因此有 掰：( 2 疗。) l 。万池) + & 吼+ v 万犀) 十西( v ) j + 巧( 口)( 2 1 0 ) 式中f 括号内第一项和第三项是由测量镜运动引起的，而其它两项皆为系 统不稳定性的影响。第二项为双频激光平均频率漂移的影响，第四项是双频激 光差频漂移的影响，最后一项是高斯光束干涉附加项在测量过程中的变化。如 果系统不稳定性影响及高斯光束干涉附加项在测量过程中的变化影响的总和与 测量镜运动引起的程差变化对相位变化的影响相比足够小，则当测量镜运动昆 时，有： 厂、 占) = 2 6 ；， 占i 巫i = 犯，故式( 2 1 0 ) 可简化为 甜= ( 2 7 r ) 2 觇 ( 21 1 ) 式中， 是测量光束对应频率激光的波长。 将式( 2 11 ) 变换，则可得到测量方程，即测量镜运动距离与相位差变化的 关系式 配：生甜 ( 2 1 2 ) 根据测量镜运动引起的多普勒效应酽与相位的关系有： 硼= 2 n - d f ( 213 ) 因而：6 ；= 拿驴 ( 2 1 4 ) 上= j 鲁a f 弦= 鲁 ( 2 可见在忽略了测量过程中系统不稳定性影响及高斯光束干涉附加项的变化 影响的情况下，只要对测量镜运动过程中测量信号与参考信号的相位差变化的 婴型查堂堡圭堂垡鲨苎 周期数，即可获得所需测量长度结果。 2 3 外差干涉的特性 双频激光干涉仪是一种外差干涉仪，这决定了它具有非外差干涉所不具备 的一系列特性。