外差激光干涉仪的测量方法

光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易； 提高了抗干扰性能。

原理：

在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。将两信号相比，测出信号的过零时间差Δt，便可知道二者的光学位相差

φ(x,y)φ(x0,y0)t2πt/(1/v)

由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以测出干涉场各点的位相差。

设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则干涉场的瞬时光强为

I(x,y,t)Ercos()tEtcostφ(x,y)21212Er1cos2()tEt1cos2tφ(x,y)22ErEtcos(2)tφ(x,y)ErEtcost-φ(x,y)

由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频ω，它不能跟随光频变化，所以式中含有2ω的交变项对探测器的输出响应无贡献。

i(x,y,t)Er2/2Et2/2ErEtcos[tφ(x,y)]

干涉场中某点（x，y）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化 （1）激光外差干涉测长

准直系统1/4波片f2偏振分光镜vf1可动角隅棱镜f2f1检偏器探测器前置f2－f1放大器f2－（f1±Δf）图4-33双频激光器外差干涉测长原理图数据处理f2f1±Δff1±Δf双频激光器

由于 fdt＝0tt2v0dt＝vdt＝L0t2t2所以 LN

2fdt20 （2）激光外差干涉测量微振动

方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。通过o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光学定向耦合”作用，使发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。

ff0fs(f0fD)fsfD

其中频率fs信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把多普勒频移fD解调出来。

（3）激光外差干涉在精密定位中的应用

f1 f2 A B f 1±2Δf f2 f1±Δ f f2 f1 f 1±Δ f f1±Δ f f 1±2Δ f 1/4波片

1/4波片 A B

该干涉仪系统有以下两个特点：

(1)仪器分辨力由于多普勒频差增加一倍而增加一倍；

(2)平面反射镜相对于光轴的任何偏斜只会使反射回的光束偏移，而不会偏斜。

二、分析说明双频激光干涉测长系统的原理及电路结构。

原理：双频激光干涉仪的光路如图6所示，其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2（常用的双频激光干涉仪把这一频差设计成1.5MHz）。通过1/4波片后，f1和f2变成相互垂直的线偏振光

1和2，又被分束镜B1分成两束,其中一束反射到主截面与相互垂直的两线偏振光偏振方

向成45°的检偏器P光电探测器D1对两倍光频的和频信号没有响应，接1，产生拍频信号。收到的只是频率为的参考差频信号。另一束光透过分束镜B1向前传播进入偏振分光棱镜B2后，偏振方向垂直纸面的1被完全反射，偏振方向在纸面内的2完全透射。再经由参考臂反射镜M1和测量臂反射镜M2反射回来合束，通过类似检偏器P1的检偏器P2，产生的拍频信号被光电探测器D2接收。由于测量反射镜M2以速度V运动，光的多普勒效应使由M2返回光的频率产生多普勒频移D（正负号取决于测量反射镜的运动方向），D2接收到的测量信号频率为D。将测量信号与参考信号进行同步相减便得到多普勒频移

D，多普勒频移对测量时间积分，也就是说进行累计计数就可以测出测量反射镜的位

移量。

测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为 D2V2V （5） c式中c为光速，为光波长。若测量所用时间为t，则测量镜的位移量L可由下式计算

LVdt0tt20Ddt20tdt2N （6）

式中N为记录下来的累计脉冲数。

M1ν1激光器ν2B11/4波片ν1ν2ν1B2M2ν2ν2±ΔνP1ν1-ν2D1D2图6双频激光干涉仪光路图P2ν1-(ν2±Δν)V

电路结构：激光干涉测长系统包括迈克尔逊干涉仪，激光光源，可移动平台，光电显微镜，光电计数器和显示记录装置。光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器，输出的是波长为632.8纳米的红光。可移动平台携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动。光电显微镜的作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号，其瞄准精度对测量系统的总体精度有很大影响。光电计数器则对干涉条纹的移动进行计数。显示和记录装置是测量结果的输出设备，显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数及与之对应的长度，可以用专用计算机或也可以用通用的PC机替代。

三、简单说明外差干涉和准外差干涉的区别。

外差干涉能获得干涉场中每点的相位值，需要频移器等特殊设备，它是逐点扫描，不能用于散斑干涉计量中。

准外差干涉引入相位移动，人为改变两干涉波面的相对相位，比较干涉场中同一点在不同相移量下光强的变化来求解该点的相位。

故两者只是相位的改变与探测方法不同。