激光干涉位移测量技术

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1、激光干涉位移测量技术张欣（2015110034）摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；1引言干涉测量技术(interferometry)是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各

2、种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。1.1激光干涉仪分类激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中

3、心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。光的相长干涉和相消干涉：图1.光的相长以及相消干涉如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮条

4、纹并将其转换成相关的电信号，从而获取所需要的位移信息。整个光电系统中激光干涉仪是最重要的组成部分，虽然目前市场存在各式的激光干涉仪，但从其工作的基本原理上来说，主要可以分为单频激光干涉仪以及外差激光干涉仪两种基本类型。1.1.1单频激光干涉仪图1.2是最基本的单频激光干涉仪和信号处理示意图。首先激光器发出激光，光束经过准直镜，通过分光镜然后分为两路，一束在参考镜和分光镜之间反射，另一束在测量镜和分光镜之间反射，最后两束激光在分光镜上汇合进而产生干涉。两束激光的干涉光强就会随着测量镜的移动而产生干涉明暗条纹变化，通过

5、光电探测器以及相应的光电转换电路将光强信息变成电信号，经过一系列的调理电路之后输入到数字处理器或者计算机上，计算出干涉条纹数量，之后根据公式计算出位移。图2单频激光干涉仪原理单频激光干涉仪测量技术虽然可以达到很高的精度，但是单频激光测量的光强信号和经过光电转换后获得的电信号都是直流信号，存在直流漂移，同时单频激光干涉仪测量技术对外界环境要求特别高，干涉仪的两臂的光强不允许有较大的变化，一旦外界环境扰动造成光强的变化，仪器可能就会停止工作。因此整个单频激光干涉仪测量系统中对于信号的调理就显得尤为重要，这对整个光电测量

6、系统的测量准确度有着重要的影响。1.1.2双频激光干涉仪为了减小单频激光干涉仪的缺点，双频激光干涉仪通过高频调制测量信号的相位，把信号频带带出低频区，滤除环境噪声以及相应的电噪声。图1.3是典型双频激光干涉测量系统的原理图。图3双频激光干涉仪从激光器中发出两束同轴的并且在偏振方向上相互垂直的线偏振光，其频率为，经过BS分光镜分成两束光，其中一束经过BS反射后直接被光电探测器所接收，作为参考光束。此时，由马吕斯定律可知，在检测器的主截面上，这两束相互垂直的线偏振光会发生拍频现象，拍频信号被作为参考信号；另一束光经BS

7、投射进入PBS偏振分光器，PBS会把这两束偏振方向相互垂直的线偏振光分开，经反射射向固定角隅棱镜，经投射射向测量角隅棱镜。如果测量角隅棱镜以速度V进行移动，此时会造成多普勒效应，这时，反射回来的光束的频率变为（测量角隅棱镜的移动的方向决定了正负号的选取）。这束光在此进入PBS，与重新会合后被光电探测器接收，作为测量光束，同样的，在检测器的主截面上，两束光同样会发生拍频现象，此时拍频信号作为测量信号。由此我们可以得到解调的测量信号。双频激光干涉仪是利用多普勒效应产生频差来测量位移信息，这种位移信息加载在和的频差上，因

8、此对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。2两种激光干涉仪特点分析单频的激光干涉仪具有装置结构简单、成本低，精度高、灵敏度好的特点。但是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基于直流调幅信号处理的干涉仪，受环境影响严重，从而产生计数误差。激光干涉仪产生的光信号要经过光电转换和电