双频外差激光干涉仪
双频激光干涉仪的原理与应用_四_羡一民
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双频激光干涉仪测量
激光干涉仪测长原理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λ/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λ/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λ/4波片后均成为圆偏振光，反射后再次通过λ/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φ，根据公式：φ=2θ=φ=4πL/λ式中：λ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θ，进而转换成光电信号的相位φ，信号处理器的作用就是测量出φ，从而计算出位移L。
垂直度的测量工具在一台机器施工实例：多轴系统双频激光干涉仪的工作原理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：如图11-2所示，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λ/4波片变为线偏振光。
调整λ/4玻片的旋转角度，使f l和f2的振动平面相互垂直，以互垂直，以作激光干涉图11-2 双频激光干涉仪的工作原理图1.激光管2.λ/4波片3. 参考分光镜4. 偏振分光棱境5. 基准锥体棱镜6.移动测量棱体7.10.12.检偏振镜8.9.11.光电管13.光电调制器仪的光源。
当两个线偏振光经过参考分光镜3时(见图11-2)，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f l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。
双频激光干涉仪的原理与应用
双频激光干涉仪的应用研究
1、物理学领域中的应用
在物理学领域中，双频激光干涉仪被广泛应用于长度测量、光学腔衰荡、光 学陷阱等方面。例如，通过测量两个反射镜之间的距离，可以得出光学腔的长度， 进而研究光学腔的衰荡现象。另外，双频激光干涉仪还可以用于测量微小的距离 变化，如光学陷阱中的原子或分子位置的变化。
一、双频激光干涉仪的原理
双频激光干涉仪利用激光干涉和衍射现象来测量长度和角度。它包含两个振 荡频率不同的激光束，经过叠加后产生干涉图案。干涉图案的周期和相位差与被 测长度和角度有关。通过测量干涉图案的变化，可以推导出被测长度和角度的值。
双频激光干涉仪的原理框图如图1所示。激光器发出两束频率不同的激光， 经过分束器后分别形成参考光束和测量光束。这两束光在干涉仪内部进行叠加， 产生干涉现象。干涉仪的高精度光学系统能够将干涉图案聚焦成清晰的图像，并 由探测器进行接收。
4、土木工程领域中的应用
在土木工程领域中，双频激光干涉仪被广泛应用于测量建筑物、桥梁和隧道 等结构的变形和振动。通过测量建筑物或桥梁的振动频率和振幅，可以得出结构 的固有频率和阻尼比等重要参数。此外，双频激光干涉仪还可以用于测量地壳的 微震和地震等自然灾害的参数。
双频激光干涉仪的实验研究
1、双频激光干涉仪的基本原理
实验结果表明，双频激光干涉仪具有高精度、高稳定性和快速响应等特点。 通过改变双频激光束的频率差，可以扩大干涉仪的测量范围。另外，通过将双频 激光干涉仪与其他仪器结合使用，可以扩展其应用范围，例如将双频激光干涉仪 与扫描显微镜结合使用，可以得出微观结构的高精度三维形貌。
结论尽管双频激光干涉仪已经得到了广泛的应用，但是其仍有需要进一步研 究和改进的地方。例如，如何提高双频激光束的相干性、如何降低外界因素对实 验结果的影响以及如何实现实时在线测量等问题需要后续进行深入探讨。总的来 说，双频激光干涉仪在科学和技术上的应用前景非常广阔，未来研究将会有更多 的成果涌现，为人类认识世界和解决问题提供更多的工具和方法。
双频激光外差干涉的应用技术
双频激光外差干涉的应用技术
微／纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。
具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。
因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。
而激光外差干涉测量是几何量精密测量的主要技术之一，属精密测量技术领域。
通过偏振方向正交的两个波长的激光器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。
单频激光干涉仪与双频激光干涉仪实际测量精度的比较
单频激光干涉仪与双频激光干涉仪实际测量精度的比较摘要：激光干涉仪作为以激光光波为已知长度，利用迈克尔逊干涉仪系统测量位移的现代化机器设备，在机械加工生产中占据重要作用。
本文在了解单频激光干涉仪和双频激光干涉仪的基础上，通过对比分析掌握实际应用内容，并明确实际测量精度。
关键词：激光干涉仪；单频；双频；激光；光波0引言：因为激光具备高度单色性、高强度以及及高方向性等优势，所以在当前市场中推广的多类激光干涉仪可以与反射镜、折射镜等积极配合来测量平行度、垂直度以及速度等信息，既属于精度测量工具，又属于测量仪器的校正仪器。
1.单频激光干涉仪的概述经过激光器发射出来的光束，在扩束准直以后，将会从分光镜处变成两路，而后会根据固定与可动的反射镜回到分光镜中，并由此得到干涉条纹。
在可动反射镜发生位移的情况下，干涉条纹的光度强度变化将会结合接收器当中的光电转换元件和电子线路等转变成电脉冲信号，而后再利用整形与扩大，输入可逆计算器，并由此得到总脉冲数。
同时，再利用电子计算机按照规定公示分析就能得到可动反射镜的位移数量。
需要注意的是，在利用这类激光干涉仪进行操作时，必须要保障周边大气一直在稳定状态中，原因在于空气当中任何湍流变化都会导致直流点平发生改变，以此影响最终的测量结果。
2.双频激光干涉仪通过在氦氖激光器中添加一个大约为0.03特斯拉的转向磁场，受塞曼分裂和频率牵引所影响，激光器将会出现1到2个完全不同频率的左右旋圆偏振光。
在经过1/4波片之后，将会得到两个彼此垂直的线偏振光，在经过分光镜后将会得到两个不同的路径：一方面偏振片将会成为包含频率为f1-f2的参考光束；另一方面则会又分成两条路径，前者为只包含f1的光束，而后者为只包含f2的光束。
此时，△f代表可动反射镜在移动条件下受多普勒效应影响获取的附加频率，而正负号则代表移动方向。
这一条路径上的光束和经过固定反射镜反射回来只包含f1的光束，将会在经过偏振片后整合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。
激光干涉测量技术
12
只用一个角锥棱镜反射器作动镜还可以组成图(d)所示的 双光束干涉仪，它也是一种较理想的光路布局，基本上不 受镜座多余自由度的影响，而且光程增加一倍。 (2)整体式布局 这是一种将 多个光学元件结合在一起，构 成一坚固的组合结构的布局。 如右图所示，立方体分光器上 蒸镀了其他元件。整个系统对 外界的抗干扰性较好，抗动镜 多余自由度能力强，测量灵敏 度提高一倍。但这种布局调整 起来不方便，对光的吸收较严 重。 1.立方体分光器;2.移动反射镜
14
(4)零光程差的结构布局 在干涉仪中，为使初始光程差 不随环境条件的变化而变化，常采用参考臂Lc和测量臂Lm相 等，并使两臂布置在仪器同一侧的结构形式。此时，干涉仪 的初始光程差Lm-Lc=0，即所谓的零光程差结构形式，如图所 示。这种结构布局可以提高干涉仪的测量精度。
(a)测量时测量光路光程增加；(b)测量时测量光路减小
式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li，lj 分别为干涉仪两支光路的几何路程差。若把被测件放入 干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的
位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条
纹的变化量，便可直接获得l或n，还可间接获得l或n有关
的各种被测信息。
2
激光干涉测量长度和位移
二、测量系统组成
激光干涉测量仪的主要部分有：激光干涉仪系统、干涉条纹 计数和处理测量结果的电子系统及机械系统。 (一)干涉仪系统 干涉仪系统主要包括光源、分束器和反射器。 1.激光干涉仪常用光源 因为He-Ne激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以 连续激励的方式运转，在可见光和红外光区域里可产生多种波 长的激光谱线，所以，He-Ne激光器特别适合作相干光源； 2.干涉仪将一束光分为两束或几束的方法 (1)分波阵面法 激光器发出的光经准直扩束后，得到一平而 光波的波阵面。利用有微小夹角的两反射镜Ml和M2(菲涅尔双 面镜)的反射，将光波的波阵面分为两部分，然后使二者在屏幕 P相遇，在屏上出现明暗相间的干涉条纹，如下图(a)所示。 (2)分振幅法 把一束光分成两束以上的光束，它们全具有原 来波的波前，但振幅减小了。如迈克尔逊干涉仪。常用的分光 器有：平行平板分光器和立方体分光器．如下图(b)所示
单频与双频激光干涉仪比较 激光干涉仪常见问题解决方法
单频与双频激光干涉仪比较激光干涉仪常见问题解决方法激光干涉仪，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。
单频与双频激光干涉仪比较单频的激光器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，这一缺点特别突出。
其原因在于它是一种直流测量系统，必定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，假如信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而假如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紧要原因是空气湍流，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。
这种无规定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，只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。
而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是在单频激光干涉仪的基础上进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亮和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亮和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加添或削减了△f，结果仍旧是一个交流信号。
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%，仍旧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，也可以在一般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，也可以用于特别场合，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。
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪是一种使用激光干涉原理测量光程差的仪器。
其原理基于两束相干激光的干涉。
外差激光干涉仪通常由两束相干激光器组成，分别称为信号光和参考光。
这两束激光光束经过分束器分成两束光线，其中一束经过样品或待测物体，另一束光则作为参考光直接到达探测器。
这两束光线接着通过合束器重新合成成一束光线，以产生干涉图样。
干涉图样由于光路差的变化而引起的相位差，在探测器上体现为光强的变化。
探测器接收到两束光的光强变化信号后会将其转化成电信号。
通过测量电信号的幅度和相位，可以计算出光程差，从而实现对样品或待测物体的测量。
外差激光干涉仪的原理是利用激光的相干性，通过测量相位差来确定光程差。
相对于传统的干涉仪，外差激光干涉仪的优点在于其抗振动和抗调制干扰的能力更强，测量精度更高。
同时，外差激光干涉仪还可以利用调制技术进行相位解调，以提高测量的灵敏度和稳定性。
双频激光干涉仪
参考信号 ( f1 f 2 )
参考接收器
测量信号 ( f1 f 2 f ) 5518A激光头 -15V +15V 5508A 测量显示器 倍频器 脉冲 计数器 +15V 电源 +15V -15V +15V -15V +15V HP-IB接 口 A/D转换 倍频器 脉冲 计数器 测量信号 键盘/ 显示 线 据 总 光强信号
1.1.1 双频激光干涉仪
HP 系列双频激光干涉仪是高精度位移和角度测量中应用较为广泛的一种仪 器，它是根据激光多普勒原理，测量出激光束光程的变化，通过相应的关系得到 被测位移或角度值，还可同时测量速度、直线度、平行度、垂直度等多种参数，
f1 高压 电源 激光器组件 激光逆转控制 采样器组件 1 液晶 2 测量接收器 f2 f1 , f 2 f1 , f10） （2-11）
两路光干涉后产生干涉信号的振动表达式
E ' A cos[2 ( f1 f1 )t 1 ] A cos[2 ( f 2 f 2 )t 2 ] 2 A cos{ [( f1 f 2 ) (f1 f 2 )]t
1 2
参考信号 补偿数据
材料温度 传感器
空气 传感器
-15V +15V
图 2-7 双频激光干涉仪原理框图 Fig.2-7 Diagram of the principle of the dual-frequency interferometer
技术成熟，操作方便、可靠性好。干涉仪由激光头（包括激光器、稳频装置及光 电接收器）和测量显示装置（包括计数器、A/D 转换器及接口电路）两个基本部 分组成， 其结构原理如图 2-7 所示。 其光源是利用纵向塞曼效应稳频的双频 He-Ne 激光器，稳定性好，波长准确度高，是较为理想的双频激光光源；测量显示装置 的信号处理电路可靠性好， 信噪比高， 测得数据可以直接输入计算机中得出结果。 该仪器用于角度测量通常用于测量机床或转台的轴向倾斜角和偏航角， 测量过程 中反射光线的方向发生变化，限制角度测量范围仅为10，并且一般只用于静态 测量。
浅谈双频激光干涉测量系统中的常见误差
浅谈双频激光干涉测量系统中的常见误差激光干涉测量以其测量范围大，高分辨率以及高精度测量等特点普及到很多高精度测量的行业中。
随着测量精度和分辨率的提高，测量过程中的任何误差都将对最终的测量结果造成一定程度上的影响。
通过介绍了激光干涉测量中一些常见的误差，并通过对这些误差的分析，来降低或修正误差，使我们的测量结果能更精确可靠。
标签：高精密测量；激光干涉测量；阿贝误差；余弦误差0 引言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，而激光的原理在1916年被爱因斯坦发现后，于1960年被首次成功制造，成为20世纪以来人类最重大的发明之一。
随着实验条件的提升，电子与计算机技术日新月异的发展，使得干涉测量技术得到迅猛发展。
在现代超精密加工过程中，普遍采用纳米级分辨率的双频激光干涉仪进行高精度位移测量。
但越高精密的测量，需要我们考虑的误差因素也就更多。
1 激光干涉仪原理激光干涉仪产生的干涉条纹变化频率与测量反射镜的运动速度有关，整个过程由光强转化出的直流电信号的频率变化也是从零开始变化，这个直流电信号只能用直流放大器来放大处理。
直流测量系统就会有直流光平和电平零飘的弊端，受到外界环境所约束，若激光束强度发生变化时，干涉条纹的条纹的平均光强的变化也会很大，从而导致测量的偏差，而这种无规则的变化又难以通过自动调整来补偿。
因此单频的激光干涉仪抗的缺点就是其抗干扰能力差，只能在恒温防震的条件下使用。
为了克服这一缺点，可以在干涉仪信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过载波来传递，就能够采用交流放大，避免外界干扰造成的直流电平漂移。
利用这种技术设计的干涉仪称为外差式激光干涉仪。
现在普遍采用的双频激光干涉仪就是在单频激光干涉仪基础上发展的一种外差式激光干涉仪。
2 激光干涉测量系统的误差分析一般来说影响测量结果的误差主要有以下几点：激光干涉仪自身固有的系统误差；安装过程和测量过程中产生的阿贝误差和余弦误差；测量环境的变化而导致的环境误差。
双频激光干涉仪
（培训前）2..线性测量：1、测量简要步骤1. 激光头安装在三脚架上并放在被检机床附近。
2. 把激光头、遥控器、传感器（空气传感器、材料温度传感器）连接安装在计算机上的10886A和10887A电路板上的连接头上。
（连接头在计算机的背面或侧面）3. 插上所有设备并打开电源4. 启动测量软件，并在测量软件菜单上选择“线性”（或者可以在主菜单上选择“重取数据”从数据库中打开一个已存在的线性测量设置文件）。
5. 完成“设置激光：线性”屏幕上的栏位（有必要，请用联机帮助）6. 选择“环境”在“设置环境补偿”屏幕上，有电路板设置、环境参数单位、环境补偿、材料补偿四个设置项目（其中环境补偿和材料补偿有系统自动补偿的设置）。
若使用了传感器，则系统自动补偿导致的测量误差将直接进入“放置和使用传感器”。
若不使用传感器，则必须手动输入补偿测量误差的值。
7. 在“设置环境补偿”手动设置的项目环境补偿：空气温度、空气压力、相对湿度材料补偿：平均材料温度、膨胀系数系统会保存最后一次输入的值（除非又输入新的值或选择“自动”），系统会一直使用这些值进行所有的线性测量。
8. 完成“设置环境补偿”点击确认，回到“设置激光：线性”屏幕。
现在可以安装并校准被检机床上的光学组件。
进入“安装和调准目标机床上的光学组件”。
传感器的放置与使用工作环境会影响（空气温度、空气压力、相对湿度、材料温度）线性测量的精度，HP5529A可选择空气传感器、材料温度传感器进行相应的调整测量。
注意事项：1. 空气传感器要尽量放在靠近实际测量路径近的地方，但不能直接放在激光束底下，因为传感器是一个热源，能导致测量误差。
2. 把空气传感器上的温湿度设置与工作环境最接近的数值。
3. 材料温度传感器放置在校准标准推荐的位置，一般放在机床台面上。
4. 在“设置环境补偿”中的“环境补偿”和“材料补偿”选择“自动”选项即可。
光学组件及安装：1. 装在有底座和支柱的高度调节器上的可移动反光镜2. 装在主轴上的干涉仪3. 装在主轴上的可移动反射镜4. 装在一个底座和支柱的高度调节器上的干涉仪组件5. 激光头X轴：1、2、5水平成一条直线放置Y轴：1、2、5水平垂直放置Z轴：3、4、5竖直垂直放置干涉仪与可移动放光经用滚花螺丝固定形成“干涉仪组件”。
双频激光干涉仪
光刻机定位双频激光干涉仪发布日期：2005年10月20日访问次数：1503光刻机定位双频激光干涉仪1.项目概述双频激光干涉仪以其特有的同时具有大测量范围、高分辨率、高测量精度和高速度等优点，在精密和超精密测量领域获得了广泛的应用。
双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰能力强、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。
例如，精密坐标机床的标定、高精度传感器的标定、半导体工业中的高精度模板的制造和定位、以及构成多坐标精密定位多轴运动系统等。
中科院上海光机所在上海市科委光科技专项二期项目支持下，完成了“光刻机定位双频激光干涉仪”样机。
以100nm线宽步进扫描投影光刻机工件台定位需求为研制目标，对双频激光干涉仪系统的关键技术进行了攻关，已经成功研制出一台高精度、高速度、大范围的双频激光干涉仪实验室样机，如图1所示。
该仪器核心技术是分辨率的提高和改进，取得6项专利，拥有自主知识产权。
2.国内外技术、应用现状及应用领域1）国内外技术双频激光干涉仪首先由美国HP公司研制成功并获得专列权。
第一批定型产品为5500A，于1970年投放市场，它的量程达到61m，测量精度为5×10-7，测量速度达330mm/s。
其后HP公司又研制了其他派生产品，如5526A除了能测长度以外，还能测速度、角度、平面度、直线度和垂直度，还可以用来测震及进行X-Y微动台的定位，用途极为广泛。
其他国家在这方面做了不少工作，投入市场的还有英国的Renishaw、美国的ZYGO、法国SORO和日本横河等公司。
我国从七十年代，清华大学、北京计量院、机械部成都工具研究所等科研部门就已开始研制双频激光干涉仪样机，至今已经有二、三十年历史。
成都工具研究所有商品化仪器出售,但分辨率比较差。
尽管国外双频激光干涉仪水平比较高，但价格高，特别是高档次的产品对我国禁运，而国内产品不能满足高精度先进制造技术方面的需求。
双频激光干涉仪测量.
激光干涉仪测长原理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λ/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λ/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λ/4波片后均成为圆偏振光,反射后再次通过λ/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φ,根据公式:φ=2θ=φ=4πL/λ式中:λ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θ,进而转换成光电信号的相位φ,信号处理器的作用就是测量出φ,从而计算出位移 L 。
垂直度的测量工具在一台机器施工实例:多轴系统双频激光干涉仪的工作原理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:如图 11-2所示, 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 f 1和 f 2, 旋向相反的两圆偏振光,经λ/4波片变为线偏振光。
调整λ/4玻片的旋转角度,使f l 和 f 2的振动平面相互垂直,以互垂直,以作激光干涉图 11-2 双频激光干涉仪的工作原理图1. 激光管2. λ/4波片3. 参考分光镜4. 偏振分光棱境5. 基准锥体棱镜6. 移动测量棱体7.10.12. 检偏振镜 8.9.11. 光电管 13. 光电调制器仪的光源。
当两个线偏振光经过参考分光镜 3时 (见图 11-2 ,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 f 2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 f l 则全部通过而射到移动测量棱体 6上。
双频激光干涉仪的简单操作
、组成图
电脑
、原理图1线性原理
2直线度
3角度
三、关于使用步骤
首先是连线，把双频激光干涉仪的各个组件通过线组装起来。
一共6 根线，缺一不可，另外要注意的空气传感器最好就E1735 的4# 接线口上，在E1736 上的接线口都有颜色，根据线的颜色来接。
激光头要预热10 分钟，在激光头上有指示灯，等灯亮了就说明激光头已经预热好了。
调光在激光头的支架上的上下左右调钮叫平动，激光头后边的上下左右的调节叫偏摆。
镜子与激光头近的时候调平动，机子与激光头远的时候调偏摆。
调好光之后用电脑测数据。
不管什么测量都是这样的过程，只是所用的镜组不一样，以及镜子的组合方式不一样。
调光的时候会用到标版，标版上有一个孔，标版旋转180 度，在这个孔的位置上有一个圈。
在调光的时候根据情况来放置标版，如果光需要通过就用孔在上半部分的方式放置标版.
四、镜组的清洗
镜组一般不要清洗，除非调光实在调不出来了。
用微风风机吹镜面，目的是把镜面上的铁屑吹掉，再用擦净纸沾无水乙醇一个方向擦拭，擦完纸就扔掉，不可重复使用，擦完再用微风风机吹干。
镜子上有层膜，铁屑划伤镜子会造成镜子的不能使用，这是镜子不要清洗的主要原因。
清洗也会对镜子上的那个镀膜造成不同程度的伤害。
五、技术指标
角度的测量范围是0~15 米
直线度的测量是分为两种，一种是0.1~3 米；一种是1~30米线性的测量范围是0~40 米。
双频激光干涉仪
谢谢观看
而对双频激光干涉仪，即使光强损失95%，仪器仍能正常工作。
1．在双频干涉仪中，双频起调制作用，被测信号Δf 只是叠 1．在双频干涉仪中，双频起调制作用，被测信号Δf D只是叠加在这一调频载波上。
1．在双频干涉仪中，双频起调制作用，被测信号Δf D只是叠加在这一调频载波上。 1．在双频干涉仪中，双频起调制作用，被测信号Δf D只是叠加在这一调频载波上。
而对双频激光干涉仪，即使光强损失95%，仪器仍能正常工作。
=1.5MHz的交流信号，
3．具有很强的抗干涉性：单频激光干涉仪光强变化50%就不能作。
动镜的运动只是使这个信号的频率增加或45˚）。
根据马吕斯定律（Ii=I0 ·cosθi），两互相垂直的线偏光在45˚透光轴的投影，形成新的同振动方向的线偏光，并产生拍频信号，其频率
二、双频激光干涉仪
（一）原理图
（二）几点说明
1．从分束镜4分出的部分激光束为偏振方向互相垂直的两线偏光； 该光束通过一捡偏器5（捡偏器透光轴与纸面成45˚）。根据马 吕斯定律（Ii=I0 ·cosθi），两互相垂直的线偏光在45˚透光轴的投 影，形成新的同振动方向的线偏光，并产生拍频信号，其频率 差为Δf=1.5MHz。
D
加在这一调频载波上。 1．在双频干涉仪中，双频起调制作用，被测信号Δf D只是叠加在这一调频载波上。
2．从分束镜4透过的另一部分测量激光束通过偏振分光棱镜8后，分成 互相垂直的两线偏光并射向参考镜9和动镜10，经反射，再次通
过偏振分光棱镜8。
2．当测量镜静止时，干涉仪仍保留Δf 3．通过计算机将两路信号合成后，只剩下测量信号Δf D。
差为Δf=1.
3．通过计算机将两路信号合成后，只剩下测量信号Δf D。
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双频外差激光干涉仪
班级名：应用物理学1401班
作者：U201410186 赵润晓
同组成员：U201410187 王羽霄
实验时间：2016年11月30日
摘要：本实验在分析双频外差激光干涉仪的基础上，构建光路，实现了利用双频干涉侧脸位移量的功能。
关键词：双频外差激光干涉仪声光调制器光路构建
一、引言
【实验目的及原理】
1.实验目的。
①了解双频外差激光干涉仪（dual-frequency heterodyne interferometer）的工作原理。
②熟悉各种光学镜片的功能及原理。
③熟悉双频外差干涉仪基本光路的设计和搭建，通过声光调制器（或称声光移频器）产生双频激光光束，并观察干涉仪的干涉信号。
2.实验原理。
激光的发明使得精密测量有了新的发展方向，用激光测量长度（位移或距离）主要方法有两种。
一是以迈克尔逊干涉仪为基础的单频干涉仪；另一种是双频激光干涉仪。
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现象。
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（光电传感器）和电子线路（信号放大器）等转换为电压信号；然后经整形、放大后输入信号采集系统算出相位差，最后再由相位差算出可动反射镜的位移量（一个周期对应半波长）。
由于激光频率甚高(1014Hz量级)，无法直接测量光的相位，光程差检测的传统方法都是干涉强度法，即测量由相位差所引起的光干涉信号的强度变化，间接地测量光程差。
单品激光干涉仪因此具有稳定性差的缺点。
许多内部（电子噪声和长期漂移等）和外部因素（环境变化，如温度、大气压力、折射率等的变化）都会对测量结果产生影响。
②目前高精度的激光干涉仪大多为双频激光干涉仪，产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应（Zeeman Effect）和声光调制器（Acousto-Optical Modulators，AOM）。
塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。
声光调制方法得到的频差通常较大，一些产品双频激光频差达到20MHz以上。
双频激光干涉仪是应用直接测量两个信号的相位差来决定位移的。
这种位移（亦即光程差）信息载于两种频率光束干涉后产生的拍频信号上；因此，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。
它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可直接用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。
利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。
本实验运用的是基于声光调制器的双频外差激光干涉仪。
见图1。
氦氖激光器输出的激光光束通过分光镜BS1分成两束，分别经过声光移频器产生频率为f1和f2的光束（原理参考背景知识）。
两束光再分别通过分光镜BS2和BS4各自分成两束，频率f1和f2的光束经过分光镜反射后产生干涉，形成参考光束，并通过光电探测器PD1接收干涉信号。
另外，透过BS2和BS4的f1
和f2的光束分别通过反射镜M1和M2，当位于测量臂上的反射镜移动时（例如M2前后移动时），测量臂（由BS4到M2）光程变化导致测量光束的相位发生变化，因而干涉后的拍频测量信号的相位也发生变化，此测量信号由光电探测器PD2接收。
通过示波器（Oscilloscope）比较参考（光束）信号和测量（光束）信号的相位差，即可得出干涉仪两臂光程差的变化量，继而得出可动反射镜的位移量。
图1 基于声光调制器的双频外差激光干涉仪
二、实验过程
【实验内容】
1.使用声光调制器对He-Ne激光光束进行频率调制，产生不同频率的激光输出。
2.搭建激光干涉仪实验光路。
【实验仪器和方法】
①实验仪器
激光光源（He-Ne Laser）、分光镜、反射镜、声光调制器、光电探测器等光学器件。
②实验方法：
1.对实验器件及各种光学元件进行了解，并熟悉仪器操作及光学镜片的功能；
实验中分光镜、反射镜等简单光学器件和激光光源、光电探测器在往常的实验中基本熟悉。
本次试验中声光调制器是实验成败的关键。
当超声波在介质中传播时（对介质施加射频信号），将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应变化。
当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，其中零级光束的频率与入射光束的频率f相同，而正1级和负1级的频率分别是f0+f m和f0-f m，当入射光与声波面夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级衍射光将互相抵消，只出现0 级、+1 级（或-1 级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。
若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射
光能量几乎能全部转移到+1级（或-1级）衍射极值上，从而使光束能量得到充分利用，因此利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。
在实验中，对两束光都取1级衍射，其中一个声光调制器施加频率80MHz，另一个声光调制器施加频率82MHz，这样分别产生1级衍射后的两列光束的频差就为2MHz。
2.打开激光器，观察光路，调整光路的准直；
光路的准直与否直接影响光路组建是否顺利。
准直光路不能紧靠肉眼观察，让光圈在激光的路径上前后移动，若激光始终都能无障碍的通过光圈，激光的准直即可完成。
需要注意的是，在摆放光路时，因为器件不仅可以在水平方向改变光路，也有可能因为自身的不平衡导致光线不再水平，所以每增加一个光学仪器时，需要再次调整光路的准直。
3.调节声光调制器，使得通过BS1分光后的激光分别产生频率为f1和f2的光束；
声光调制器分为超声波腔和控制器件两部分。
通电后可以在控制器件上选择需要改变的激光频率，单位为Hz。
同时在超声波腔可以看到，激光出现了衍射，本来一条光线分成了数个水平的不同级衍射。
设置声光调制器的调制频率为82MHz和80MHz。
在光路中，选择同一方向的衍射光，适当改变激光入社超声波腔的角度。
可以观察到激光的极大出现在在1级衍射，利用这一衍射光，就可以完成实验。
4.仔细调节分光镜BS2和BS4以及反射镜位置，使得参考信号的两束光（f1和f2）完全平
行重叠，通过光电探测器PD1后，在示波器观察到明显的干涉信号；
这是实验中最复杂，最需要静下心来的部分。
激光的衍射要求严格，需要将一束光分开后又重新完美的重合在一起。
因为实验光路复杂，将测量光束和参考光束分别构建，首先搭建参考光束，在示波器中观察到明显的干涉信号。
5.观察透过分光BS2和BS4的两束光，调节反射镜M1、M2以及分光镜BS5，使得测量信
号的两束光（f1和f2）完全平行重叠，通过光电探测器PD2后，在示波器观察到明显的干涉信号；
这是和参考信号对称的测量光束，虽然在光路图中两者是完全对称的，但是在实际构建光路中，因为仪器不同，或者角度的原因，最后的重合光的强调会有不同，导致测量的精确性降低。
6.通过压电陶瓷移动反射镜M1或M2，同时观察参考光和信号光的相位，比较其相位差；
然后通过相位差计算出反射镜的位移量。
【数据/结果的分析和讨论】
1．所构建的光路实图见图2。
图2 光路图
2．示波器上反映两拍频信号
图3是示波器显示的信号图示。
因为激光频率很高，超过一般光电探测器的频率响应范围，因此只能观察到两束激光干涉形成的拍频信号。
图3 示波器显示
3．位移量测量
将示波器上的两束信号重叠在一起，可以很直观的看出测量信号相对参考信号的位移情况，如图4、5所示。
当改变压电陶瓷的电压时，瓷片发生微小形变，在示波器上可
以看到测量光束形成的信号左右移动。
记录相对参考信号的相移变化，可以计算出压电陶瓷瓷片的位移变化量。
可以算得当相对相移2π时，瓷片位移ΔL=1.27mm。
图4 图5 观察相位差变化
【实验遇到的问题及解决的方法】
实验中，测量光束的信号不稳定，在换掉相关光路的器件后，情况有所好转。
三、实验小结
【体会或收获】
在本次实验中，我学会了另一种干涉测量位移量的方法，除了在上学期光学课学到的迈克尔逊类干涉仪，双频外差干涉仪显得更稳定，精确。
实验光路的构建是本实验的难点，但只只要细致，不放过认何一个细节，不走所谓的捷径，实验就能成功。
【实验建议】
增加迈克尔逊类干涉仪，比较两种干涉仪的区别。
四、参考文献
华中科技大学物理学院实验教学中心，近代物理实验（I），21-27，2016年10月。