摘要：这种单频激光干涉系统采用共光路设计布局，通过偏振分束器以及 1/4 波长片等光学器件对干涉条纹进行空间移相，提取相位依次相差 90°的三路干涉输出信号，进行比较放大，解决了常规单频激光干涉仪中的光强“零漂”问题。利用共模抑制技术，提高了干涉系统的测量稳定性和重复性。采用光程差放大技术，提高了干涉系统的分辨力。

　　引 言

　　激光干涉仪采用迈克尔逊干涉原理，在波长稳定条件下以波长为长度计量单位实现测长。如图 1 所示：当可动反射镜移动时，光电接收器输出信号通过比较器触发电平被记录下来。激光具有极好的相干性和高亮度，因而可采用光电接收、条纹可逆计数的方法来实现条纹计数自动测量，并实现了空气折射率自动测量与修正，目前已广泛应用于精密位移测量中[1]。但它受温度、湿度及空气扰动等环境因素影响严重。同时如果激光光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于光电计数器触发电平而使计数器停止计数。为解决此问题，双频激光干涉仪采用光学拍频原理，将被测位移信息以调频方式载波于激光拍频信号上。属一种交流测试系统，通过采用交流放大器，提高了信号信噪比，这样即使光强衰减 90%，仍然可以得到合适的电信号[2]。但激光器结构复杂、成本高。双频激光干涉仪是解决光强“零漂”的一种方法，该系统提出的是另一种方法。在单频激光的基础上采用偏振光移相方法，获得 0°, 90°和-90°三路位相依次相差 90°的光干涉信号。经光电接收器接收并放大后，使 0°和 90°,0°和-90°信号分别输入两个比较器电路，生成两路错相 90°的交变方波信号，推动可逆计数器计数，记录交变脉冲个数，并具判向作用。当有光强“零漂”干扰时，三路信号同时有相同变化，在比较器中被消除掉，输出为无干扰的数字信号。另外采用参考光束和测量光束共光路设计布局，能有效消除由于气流、气压、温度、湿度和外界振动等测量环境因素给测量带来的误差。并且光路布局采用了光程差放大技术，提高了干涉系统的分辨力。系统的主要优点：1. 所用激光为单频;2.采用光程差放大技术;3.共光路设计布局;4.偏振光移相。

　　1 光路布局

　　干涉系统采用迈克尔逊双光束干涉原理如图2。采用波长为 632.8nm的稳频 He-Ne 激光器，功率为4mW。分束部分由 PBS3 和直角棱镜 4 组成。合束部分由 1/2波片 11，直角棱镜 12 和 BS13 组成。偏振光移相由 1/4波片(QWP)15 和 PBS16 完成。激光器 1 发出的单模线偏振光经扩束准直系统 2 后变成平行光束，经分束部分变成两束振向相互垂直的两束线偏振光，测量光束(S光)经过 1/2 波片 5 变为 P 光，透过 PBS6、1/4 波片 7，变为圆偏振光，被测量反射镜 9 反射后再次经过1/4 波片 7，圆偏振光变为线偏振光，振向改变 90°变为 S 光，在 PBS6 分束面上被反射入角锥棱镜 10，在角锥棱镜中三面反射后振向不变按原方向反射到 PBS6 分束面，再次被反射入1/4 波片7、测量反射镜9，又两次经 1/4 波片7 后变成P光，返回后透过 PBS6 成为包含有测量光程r1的测量光束。参考光束重复测量光束的传播过程(所不同的是被参考反射镜 8 反射)，透过PBS6 后成为包含参考光程r2的参考光束。应用光波迭加理论[3]，假定两光束的振幅为 a，则从 PBS6 射出的两光束的振动方程为

　　参考光束经过1/2 波片 11 变为S光，然后与测量光(P 光)在 BS13 汇合，一部分经偏振片 14 后产生干涉图样 1，偏振片14 的透光轴 P1方位如图3，其合振动方程为(假定振幅不变)

两圆偏振光入射到 PBS16，由 PBS 的性质知，光矢量沿 x 方向的 P 波分量透射形成干涉图样 2，光矢量沿 y方向的 S 波分量反射形成干涉图样3，光强为2I ,3I 。

式中 K(rr)12δ = 为由测量光束和参考光束的光程差而引起的空间位相差，三路干涉信号位相依次相差90°，从而实现了偏振光移相。测量光束两次射入测量反射镜，光程差得以放大两倍。测量反射镜每移动 1/4 个波长，干涉信号光强改变一个周期。

　　2 系统组成

　　系统总体设计如图4。从干涉仪获得 0°, 90°和-90°三路位相依次相差 90°的光干涉信号。经光电接收器接收并放大后，使 0°和 90°, 0°和-90°信号分别输入两个比较器电路，生成两路错相 90°的交变方波信号。在干涉测长中，共光路布局中的非共模量难以补偿。例如空气湍流、机床油雾和切削屑等环境因素在测量光路对测量光束光强的影响，而此种干扰对于三路信号的影响是相同的，在比较电路中属共模量，从而在比较器中被有效抑制。我们将得到的两路稳定的交变方波信号输入四倍频及判向电路,然后推动可逆计数器计数，记录交变脉冲个数 n，即得到测量反射镜的移动距离 l = ±nλ/16系统的测量分辨力达到 0.4μm。微处理器完成计数及对激光波长自动补偿(通过修正空气折射率受温度、湿度、气压等环境因素影响的变化量)。

　　3 实验结果

　　选用HP 公司光学组件来实现实验布局，用示波器和鉴相电路来记录干涉信号的相位漂移。实验显示：受外界环境因素的影响，常规激光干涉仪干涉信号的相位有明显的无规则漂移，如图5。而我们提出的这个干涉系统的干涉信号相位漂移和抖动很小，如图6。说明系统的共模抑制作用显著，能够有效抑制“零漂”干扰，相对于常规单频激光干涉仪，稳定性、重复性提高了60—80%。

　　4 结 论

　　如何减小外界环境因素干扰、提高测量精度和稳定性，在激光干涉计量中是需重点考虑的问题之一，减小外界环境因素干扰受诸多客观条件的制约，而充分利用共模抑制技术成为一种有效的方法[4-5]。系统采用共光路设计布局、偏振光移相的方法，提高了干涉系统的稳定性和重复性。此外，光程差放大技术提高了系统的分辨力。

　　参考文献：

　　[1] 叶声华.激光在精密计量中的应用[M].第一版.北京：机械工业出版社，1980.83-85.

　　[2] 关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪[M].第一版.北京：中国计量出版社，1987.1-5.

　　[3] 梁铨廷.物理光学[M].第一版.北京：机械工业出版社，1980.30-33.

　　[4] 韩昌元，刘斌，卢振武等.共光路外差表面轮廓仪[J].光学学报，1993，13(7)：670-672.

　　[5] 松本弘一. The immediate development of laser length measuring instrument (in Japanese) [J]. Optical and ElectroOpticalEngineering Contact, 1988, 26(2): 107-115.

　　作者简介：韩旭东(1975-)，男(汉族)，山东博兴人，硕士生，主要从事线、角位移精密传感器研制。E-mail: tengyanhxd@sina.com

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