激光干涉测量.doc

激光干涉测量xxxxxxxxxxxxxxx摘要：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。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。本文介绍了激光干涉的基本原理。关键词：激光干涉 测量 双频激光干涉仪由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大的量程，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适应恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。 激光的出现在世界计量史上具有重大的意义。用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度，比如说我国自行设计与制造的以氦氖激光器作为光源的光电光波比长仪，可以在20分钟之内把1米线纹尺上1001条刻线依次自动鉴定完毕，精度达到0.2m，这就是激光干涉仪的成功例证。一、激光干涉仪的介绍 激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量，有单频的和双频的两种。 1、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。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，再由电子计算机按计算式356-11式中为 激光波长(N 为电脉冲总数)，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、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，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。 单频的激光仪最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。这是因为单频激光仪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。 双频激光干涉仪克服了这一弱点，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。二、干涉仪的应用 原理介绍 双频激光干涉仪其双频激光测量系统由氦氖双频遥置激光干涉仪和电子实时分解系统所组成。它具有以下优点：稳定性好，抗干扰能力强，可在较快的位移速度下测量较大的距离，使用范围广，使用方便，测量精度高。 基本原理：激光双频干涉仪的氦氖激光管，在外加直流轴向磁场的作用下，产生塞曼效应，将激光分成频率为f1和f2，旋向相反的两圆偏振光，经/4波片变为线偏振光。调整/4玻片的旋转角度，使fl和f2 的振动平面相互垂直，当两个线偏振光经过参考分光镜3时，大部分则由偏振分光棱境4分成两束。偏振面垂直入射面的f2全反射到与分光镜固定在一起的基准锥体棱镜上；偏振面在入射面内的fl则全部通过而射到移动测量棱体6上。由这两个锥体棱镜反射回来的光束在偏振分光镜上合并，并在检偏振镜上混频。当移动锥体棱镜时，由于多普勒效应，f1变成f1 +f，因而光电元件8所得到的信号是(f1+f)-f2。在可逆计数器中与参考信号(f1-f2)相减，棱镜每移动半个波长，光程变化是整个波长。测得的位移是l=/2N，经计算机处理，所测得的位移值可在计算机显示器上读出。位移量测量原理如图11-3所示。 典型的激光干涉仪由激光器L、偏振分光镜PBS、测量反射镜M、参考反射镜R、光电检测器D、检偏器P和三个/4波片Q1、Q2和Q3组成。激光为线偏振光，经偏振分光镜分为E1和E2两线偏振光。当两干涉臂中/4波片快轴(或慢轴)与X轴夹角相等且为45度时，两束光通过/4波片后均成为圆偏振光，反射后再次通过/4波片，又转换为线偏振光，但其振动方向相对原振动方向旋转了90度，且由于两干涉臂光程产生了相位差，根据公式：=2=4L/式中：为激光波长，干涉光路的作用是把位移L转变为合成光振动方向的旋转角，进而转换成光电信号的相位，信号处理器的作用就是测量出，从而计算出位移L。 迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法等。 激光干涉测长系统的另一个重要组成部分是干涉条纹计数与测量结果处理系统。干涉仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程中可能需要正反两个方向的移动，或由于外界振动，导轨误差等干扰，使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以干涉仪中需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种脉冲。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。将这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计算就可以获得真正的位移值。如果测量系统没有判向能力，光电接收器接收的信号是测量镜正反两方向移动的总和，就不代表真正的位移值。另外为了提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90度的电信号输出，一个按光程的正弦变化，一个按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。 存在的问题： 1、稳定激光的工作环境。保证系统有一个好的工作环境，特别是从保证激光频率稳定角度出发，要保证系统的工作环境相对稳定。 1、激光干涉在长度测量中的应用 高精度7m万能测长机是一种由激光干涉系统、光学高精度系统、精密机械、电气驱动、微机控制和计量管理相结合的大型长度计量仪器，其结构如图2-10所示。光学测量原理在前面已经论述，测量原理图所示。如图2、激光干涉在位移测量中的应用 布朗布维尔干涉仪的工作原理如图2-14所示。从激扩光器1发出的平行光束，经望远镜系统2束分，被镀有半透反射膜的分光镜3成两路，分别投射到可动角锥棱镜9和固定角锥棱镜10上。再经分光镜3会合的两支光束投射到棱镜6上，棱镜6按波阵面把光束分成两部分。在光电接收器4与8前，安装两个光阑5与7，把干涉条纹分成两部分，相互间错开0.25条条纹宽度。为了使干涉光束之间形成某个楔角，从而达到所要求的条纹宽度和方向，采用楔形板11。反射镜13和毛玻璃12构成目视窗，用于调整仪器时观察干涉条纹。这种激光器望远镜系统分光镜一光电接收器干涉仪的特点是：l 从干涉仪出来的光束，不会返回到激光1中，从而保证了激光器的稳定工作。l 由于激光具有高单色性，因此在干涉仪的光路中，不需要一般迈克尔逊干涉仪都有的用于补偿两支光路中玻璃厚度不相等的补偿板。l 由于激光具有很小的发散性，在干涉仪的两支光路不相同的情况下，干涉图样对比度还是很好的。在该干涉仪中，可动角锥棱镜9的位移量可通过数字读数0.1m，最小读数值测量范围为1m。3、激光干涉在角度测量中的应用 小角度测量系统的结构如图3-13所示，图中玻片3用于调整0光与e光强度平衡，透镜的数值孔径根据测量灵敏度由式选择。反射面由两块反射镜组成，其中与压电陶瓷连为一体，可作高频振动。反射光经原路返回，在透镜焦面会合，成为椭圆偏振光，经波片变为线偏振光。其偏振方向为（推导从略） 式中，则。即光程差变化一个波长，相位变化，线偏振光方位角转过，条纹变化一个周期。 当反射面有一个角位移时，合成偏振光光程差变化，经检偏器可观察到干涉条纹的变化，检出条纹变化量即可得知角位移量。 4、光线基准双频激光干涉法 测量原理如图所示。两束偏振面相互正交、频率为和的激光束经分光组件1射向渥拉斯顿棱镜2，渥拉斯顿棱2将和两束光分开成夹角射向双面反射镜3，双面反射镜的夹角为补角，即光束和垂直射向双面反射镜的两个面，然后光束从双面反射镜返回到渥拉斯顿棱镜上会合，再由分光组件返回进行拍频、接收、计算机处理等。当渥拉斯顿棱镜固定不动，双面反射镜沿被测表面x向移动时（或反之，双面反射镜固定不动，渥拉斯顿棱镜沿被测表面移动时），如果双面反射镜在y向无位移，仪器显示值不变；如果被测表面不平，则当双面反射镜沿x向移动时，将同时有 y的位移，则此时和两路光光程不等，仪器显示值便有变化。5、 共模抑制干涉仪 He-Ne激光器发出的线偏振光经扩束、 准直，透过半波片和分光棱镜BS进入测量头。该测量头由两部分组成，一部分为双焦透镜分束器L，它由一块束器石英凹透镜和两块玻璃凸透镜胶合而成，石英晶体光轴设计成与透镜轴垂直，通过合理选择三透镜参数，使分束器对O光（寻常光）光焦度为正，对e光（非寻常光构）的光焦度为零；测量头的另一部分为、成的开普勒望远镜系统。平行线偏振光（旋转半波片可改变偏振方向）进入该测量头后，被分成两束（彼此同轴的o光和e光），其中e光成平行光垂直照射到被测表面，o光被会聚于被测表面上某一点。两束光在被测表面反射后沿原路返回，经双焦透镜分束器后合成为一椭圆偏振光，它经BS反射后，被分光棱镜BS分成两部分，各自经过检偏器P、 9P后相干涉。 三、国内外开展激光检测研究与应用的现状（1） 技术上 在高精度、自动化方面尚与国外有一