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1、第六章 激光干涉測長技術(shù) 自從 1802年楊氏 （ Thomas Young） 首先用實驗方法研究光 的干涉現(xiàn)象以來 ， 對光干涉的本質(zhì)及其應(yīng)用研究已延續(xù)近 200 年的歷史 。 激光的出現(xiàn)和計算機技術(shù) ， 微電子技術(shù)的發(fā)展給光 干涉技術(shù)注入了新的活力 ， 并已成為現(xiàn)代光學(xué)中一個重要的分 支 。 激光干涉測量技術(shù)不僅被廣泛用于對物體長度 、 角度 、 形 狀 、 位移等幾何量的測量 ， 還可利用其測量原理對物理量 （ 如 形變 、 速度 、 振動等 ） 及光學(xué)系統(tǒng)特性 （ 如象差 ， 光學(xué)傳遞函 數(shù) ） 等進(jìn)行測量 。 一 、 激光干涉測長的基準(zhǔn) 1975年召開的第十五屆國際計量大會 “ 要求

2、國際計量局和 各國研究所繼續(xù)對這些引起輻射 （ 指甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光 波長 ） 進(jìn)行研究 ” 。 由于穩(wěn)頻技術(shù)的進(jìn)展 ， 甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光波長值的 穩(wěn)定性和再現(xiàn)性都很高 ， 因之有可能取代 86Kr的波長而作為長 度的自然基準(zhǔn) 。 在 1979年 6月召開的國際 “ 米 ” 定義咨詢委員 會第六次會議上 ， 已提出了一個 “ 米 ” 定義的建議草案 。 建議 將 “ 米 ” 定義為 “ 平面電磁波在 1/299792458秒的時間間隔內(nèi)在 真空中傳播的距離 ” 。 6-1 激光干涉測長概述 二 、 激光干涉儀的特點 激光干涉儀 ， 除了具有經(jīng)典的邁克爾遜干涉測量系統(tǒng)的高精度 ， 高靈

3、敏度等優(yōu)點外 ， 還具有以下特點 。 1 實現(xiàn)了條紋計數(shù)自動測量 。 2 無需補償板 。 3 角錐棱鏡的優(yōu)點得到充分利用 。 由于角錐棱鏡在運動時即使有小的轉(zhuǎn)動也不影響反射光軸的方向 ， 從而大大降低了對運動導(dǎo)軌的機械精度要求 。 由于反射光束和入射光束是非共軸的 ， 從而避免了反射光的干擾 。 4 降低了對光闌的要求 。 由于激光單色性好 、 亮度高 ， 所以 ， 激光干涉系統(tǒng)對光闌的主要 作用是減小激光器二次發(fā)散光束的影響和擋住背景雜散光 ， 它可安置 在準(zhǔn)直光管物鏡的主焦點上 。 光闌的形式為小圓孔 。 5 空氣折射率自動測量與修正 。 一 、 基本測量公式 邁克爾遜雙光束干涉儀測長的公

4、式為 （ 在真空中 ） （“增量法”測長） 當(dāng)介質(zhì)為空氣時 ， 上式變?yōu)?式中 L為被測長度 ， n是空氣折射率 ， 0是真空中的波長 ， N 是干涉條紋明暗變化的數(shù)目 。 6-2 激光干涉儀設(shè)計 2LN 0 2nLN 二 、 幾種典型的布局 1 使用角錐棱鏡反射器的干涉系統(tǒng) 。 （ 1） 圖 （ a） 結(jié)構(gòu)的主要特點是反射光束不能反饋回激光器 。 缺點是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工 ， 而且加工精度要 求高 。 （ 2） 圖 （ b） 結(jié)構(gòu)只用一個角錐棱鏡作可動鏡 ， 鏡 M1和 M3還 能做成一體 ， 如圖 （ c） 所示 。 （ 3） 圖 （ d） 的布局只用一個角錐棱鏡作動鏡 ，

5、 已基本上不 受鏡座多余自由度的影響 ， 而且光程增加一倍 。 所以也叫做雙光 程干涉儀系統(tǒng) 。 幾種典型布局 2 整體式布局 。 這是一種將多個光學(xué)元件結(jié)合在一起 ， 構(gòu)成一堅固組件的布局 結(jié)構(gòu) 。 如圖所示 。 特點：系統(tǒng)對外界的抗干擾性較好 。 缺點是調(diào)整 不方便 。 該系統(tǒng)不僅多余自由度消除好 ， 靈敏度也提高一倍 。 整體式布局系統(tǒng) 3 光學(xué)倍頻的布局 （ 特倫系統(tǒng) ） 。 為了提高干涉儀的靈敏度 ， 可以用光學(xué)倍頻 （ 也稱光程差放大器 ） 的棱鏡系統(tǒng) ， 如圖所示 。 M1每移動 /2k就有一個干涉條紋的位移 。 在這 種情況下 ， 當(dāng) a作為棱鏡斜邊長度時 ， M2對 M1的位

6、移為 a/k（ k為正整 數(shù) ） 。 特點：能用簡單的脈沖計數(shù)邏輯做精密測量 ， 而無須依靠條紋細(xì)分 ， 這種技術(shù)還使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊 ， 可使熱 、 空氣以及機械干擾減小 。 光學(xué)倍頻系統(tǒng) 三 、 干涉條紋的對比度 1 對比度的定義： 式中： IM和 Im分別為干涉條紋信號強度的極大值和極小值 。 當(dāng) k0.75時 ， 對比度是好的 。 當(dāng) k0.5時 ， 對比度是滿意的 。 當(dāng) k=0.1時 ， 條紋可分辨 ， 但很難使儀器正常工作 。 2 影響對比度的因素： （ 1） 光源單色性對條紋 對比度的影響 式中： 為光源譜線寬 ， 為光程差 。 Mm Mm IIk II s ink 又知 ， 光

7、源的相干長度 為 于是 ， 只要干涉系統(tǒng)的光程差等于或小于光源相干長度的四分之一 ， 即以 代入對比度便可達(dá) 對于波長 =6328的激光 ， 它的 10-7埃 。 相干長度理論上可達(dá) 40公里 ， 因此 ， 用激光作干涉儀的光源是可以得到很好對比度干涉條 紋的 。 （ 2） 光源的大小造成條紋對比度 。 由此激光光束截面上的不同點 ， 有確定的位相關(guān)系 ， 所以激光光 束截面上各點發(fā)出的光皆可產(chǎn)生干涉 。 因此 ， 激光作干涉儀的光源 ， 不受發(fā)光面積大小的限制 。 21 sin 4 0 . 9 4 k 1 44 （ 3） 兩支相干光 ， 強度比的影響 。 設(shè)干涉體系一支光路的光振動為： E1

8、=E0cost 光強為它的 k倍的另一支光路的相干光振動為： 合成光振動的復(fù)數(shù)表達(dá)式為 合成光強度 I 于是，兩支光強不同引起的對比 ki為： 若取 k=4，則 Ki可達(dá) 0.8。 20 c o sE k E t 1 2 0 0 ititE E E E e k E e 0 0 0 0 2 0 2 0 1 1 2 c os i t j ti t j t ii I E E E e k E e E e k E e E k k e e E k k 2 1i kK k 四 、 非期望光的抑制 那些不反映被測量的光就稱為非期望光線或雜光 。 消除非期望的 光線 。 采取的措施大致有以下幾種： （ 1） 設(shè)

9、計時盡可能減少干涉體系光學(xué)零件的數(shù)目 ， 以減少不必 要的反射面和產(chǎn)生非期望光線的機會 。 在不希望反射的界面上鍍以增 透膜 ， 鏡筒 、 鏡框內(nèi)表面涂黑漆 ， 以減低非期望光線的強度 。 （ 2） 析光鏡上常常產(chǎn)生非期望光線 。 析光板產(chǎn)生的非期望光線 動條紋：除了在析光板鍍膜面上分裂而成的兩條期望的相干 光線 1、 2處 ， 還可能產(chǎn)生光線 3和 4， 其光強雖代于前者 ， 若所形成條 紋的間隔適當(dāng)還是足以察覺出來 ， 它和期望的干涉圖樣一樣 ， 也會隨 著反射鏡的平移而運動 。 靜止條紋：如析光板的楔角適當(dāng) ， 還會在干涉場上看到不隨 反射鏡移動而變的一組固定的干涉條紋 。 解決的辦法是

10、加厚析光板或 將它制成楔形 ， 使非期望光線移向一邊而不能進(jìn)入干涉場 。 （ 3） 在光路中適當(dāng)?shù)牡胤桨仓靡会樋坠怅@ ， 擋去大部分非期望 光線 ， 讓沿著設(shè)計的路徑行進(jìn)的相干光線照常通過 。 針孔光闌一般安 置在透鏡的焦面上或高期光束的束腰位置上 。 還有許多阻擋非期望光 線進(jìn)入干涉場的方法 ， 如在接收元件前面加遮光罩和針孔 ， 干涉體系 自成密閉等 。 （ 4） 光學(xué)零件表面的塵埃會產(chǎn)生衍射花樣 ， 這種現(xiàn)象在激光束 很細(xì)的地方更為嚴(yán)重 ， 必須認(rèn)真做好光學(xué)元件的清潔工作 。 同理 ， 對 光學(xué)元件的表面質(zhì)量 ， 材料的多項質(zhì)量指標(biāo)均應(yīng)予以適當(dāng)提高 。 （ 5） 用偏振的方法來消除非期望

11、光線 。 原理是：用偏振元件使沿著設(shè)計路徑行進(jìn)的光束能不受阻擋 地進(jìn)入干涉場 ， 而其他所有的非期望光線都被排除在干涉場之處 。 例如圖 ， 光線入射到析光鏡 2之前已被起偏振器 1變成線偏振光 ， 干涉場前面放置一個檢偏器 7， 并使它和起偏振器正交 ， 因此 ， 從干涉儀任何表面反射來的光線都被檢偏器阻擋了 ， 就連所期的 兩束相干涉的光也不能通過 7進(jìn)入干涉場 ， 為此需要在反光鏡 5、 6前面安放一個光軸與入射偏振光成 45 的波片 4， 使反射前后光 線的偏振方向旋轉(zhuǎn) 90 ， 于是所期望的光束就能通過檢偏器 ， 而 一切非期望光線則被排除在干涉場之外 ， 稍稍轉(zhuǎn)動波片 ， 還能調(diào)

12、節(jié)光束的強度 ， 以平衡兩束相干光線的強度 。 這種偏振的方法在 實踐中是非常有用的 。 用偏振的方法來消除非期望光線 五 、 反射器 各種反射器如圖所示，有平面反射鏡 1、直角棱鏡 2、角錐棱鏡 3、三種貓眼系統(tǒng) 4和固定反射鏡與直角棱鏡的組合 5。 各種反射器 六、移相器 干涉條紋屬增量碼，需要判向可逆記數(shù)。 干涉條紋的移相就是為了判別動鏡移動的方向和倍頻的需要。它 是將干涉條紋用一定的方法分為二部分并使兩者的位相偏移 /2，經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換后，這兩部分輸出的電信號的位相也偏移 /2，可用這兩組 信號來進(jìn)行判向和倍頻。下面介紹幾種常見的移相方法。 1翼形板和分象棱鏡組合的移相。翼形板的形狀如圖

13、，是由兩厚 度相等、材料相同的玻璃平板膠合而成，兩板夾角 170 ，厚度 5mm 翼形板在激光干涉比長儀中是如圖方式安置的，即它被放在干涉光路 （測量光路或參考光路均可）光束截面的下半部。使用時，以兩板的 交棱為軸，適當(dāng)轉(zhuǎn)動翼形板，使通過兩板的光線彼此有 /4的光程差。 翼形板及其安置方式 2狹縫移相當(dāng)。在兩光電接收器前分別置兩狹縫，如圖，使兩狹 縫相對移開 1/4干涉條紋的距離，這樣通過兩狹縫的兩組干涉條紋就 有 /2的位相差。 狹縫移相 3在析光鏡上鍍移相膜法。 在析光鏡上鍍移相膜 七、光電接收時的光電匹配問題 光電匹配問題為兩個方面：一是我們在設(shè)計原則時已討論過的光 電匹配，是應(yīng)使激光器

14、輸出的功率經(jīng)干涉系統(tǒng)到達(dá)探測器的光強正 好是在該探測器輸出線范圍；另一方面是從信噪比出發(fā)，要求探測 器的寬度 b和條紋的寬度 e的比取 b/e=0.37為最佳。 八、方向判別與四倍頻計數(shù) 由于動鏡在導(dǎo)軌上沿光軸移動的過程中，存在各種偶然因互的干 擾（例如外界振動、導(dǎo)軌的平直度誤差以及機械傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定 等），使動鏡產(chǎn)生偶然的反向運動，這種偶然的反向運動使計數(shù)器 所顯示的脈沖數(shù)為正反向移動的總數(shù)，而不是真正的被測長度，因 此必然存在測長誤差。為了解決這一問題，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大整形 后，信號進(jìn)入一方向判別電路，該電路把計數(shù)脈沖分成加、減二種 脈沖，工作臺正向移動時引起的脈沖為加脈沖、反向移動時引

15、起的 脈沖為減脈沖、把這兩種脈沖分開后送入可逆計數(shù)器計數(shù)。 方向判別電路的原理。先在干涉系統(tǒng)中應(yīng)用移相方法（詳見后述） 將干涉條紋分為兩組且彼此位相偏移 /2，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出 的兩組光電信號也彼此有 /2的位移偏移，這兩組光電信號分別經(jīng)放 大、整形、倒相，變成四個位相依次差 /2的矩形脈沖，再經(jīng)斯密特 電路把波形變換成尖脈沖。當(dāng)工作臺正向移動時，脈沖的排列為 1、 3、 2、 4 、 1 ；反向移動時，脈沖排列次序為 1 、 4、 2、 3、 1，如 圖所示。在邏輯電路上可根據(jù)脈沖 1的后面是 1或 4來判別正向加脈沖 或反向減脈沖，并分別逆入加脈沖的“門”或減脈沖的“門”中去， 從而

16、可得到總的加脈沖或減脈沖信號。 判向電路除提高了儀器的 抗干擾能力外，還把一個周期 的干涉條紋變化（即亮暗變化 一次）變成四個脈沖輸出信號。 因此在測長時，當(dāng)條紋變一條 時，可逆計數(shù)器顯示 4個脈沖 數(shù)，這等于把條紋 4細(xì)分了， 常稱四倍頻計數(shù)。此時每一脈 沖代表 /8的移動量，所測得 的長度 8LN 辯向電路原理 九、激光球面干涉儀 偏振干涉系統(tǒng) 如圖所示為泰曼 格林型的偏振干涉系統(tǒng)，其特點是用一偏振分束 器代替常規(guī)的分束板，并在干涉儀的不同部位安置了一些不同的偏振器件 （在照明系統(tǒng)中安置一 1/2波片，在參考光路和測量光路中各安置一 1/4波 片，而在接收部分安置一檢偏振器）。圖中由 He-Ne激光器輸出的線偏振 光入射到 1/2波片上， 1/2波片可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，以使經(jīng)它出射的偏振光振 動方向定位在任何所需的方向上。偏振分束器的作用是把輸入的偏振光按 偏振方向分束，使測量光束和參考光束偏振方向互相垂直。