光学干涉测量技术

光学干涉测量技术

——干涉原理及双频激光干涉

1、干涉测量技术

干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。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。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。

当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：

122I I I πλ=++

式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）：

min 12I I I I ==+， （m λ=）

相消干涉（暗）：

min 12I I I I ==+-， （12m λ⎛

⎫=+ ⎪⎝⎭

） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。

按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。

图一 普通光源获得相干光的途径

与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索

干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。从光学零件的质量控制到光学系统的象质评价，从经典的光学技术到自适应光学工程，现代干涉测量技术的应用领域不断扩展。另一方面，现代数字图像处理技术、传感器技术和计算机技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时自动判读，大大提高了干涉测量的精度和灵敏度。

图二迈克尔逊干涉仪原理图

下面我们主要介绍干涉测量原理的实际应用——双频激光干涉仪，并简单介绍其工作原理以及其测量中具有的优势。

2、干涉测量原理的实际应用——双频激光干涉仪

2.1 干涉仪：实现干涉测量的仪器叫干涉仪。激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次．光电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。

2.2 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条纹（其原理图类似迈克尔逊干涉仪原理图）。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和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由相应的公式算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

2.3 双频激光干涉仪：双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发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。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。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、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。目前干涉仪产品大多为双频激光干涉仪。

2.4 双频激光干涉仪原理：图三为双频激光干涉仪的工作原理图。单模氦氖激光器置于纵向磁场中，由于塞曼效应使输出激光分裂为具有一定频差（约1-2MHz），旋转方向相反的左右圆偏振光。双频激光干涉仪就是以这两个具有不同频率的圆偏

振光作为光源的。左右圆偏振光通过1/4破片后成为互相垂直的线偏振光1f 、2f （其中

1f 垂直于纸面，2

f 平行于纸面）。

图三 双频激光干涉仪的工作原理

分光镜使1f

、2f 的部分光反射，另一部分光透射。反射光经偏振片1后由左侧的光电探测器接收并经前置放大整形电路处理，作为后续电路处理的基准信号。透射光经过偏振分光镜后使

1f 、2f 分离，偏振方向平行于纸面的2

f 光透过偏正分光镜到固定在被测量物体上的可动反射镜，当可动反射镜随被测量物体移动时，

2f 产生光的多普勒效应，返回的频率变为2f f ±∆，f ∆为多普勒频移量，它包含了可动反射镜的位移信息。返回的1f 、2f f ±∆光在偏振分光镜处再度汇合，经反射镜后由右侧的光电探测器接收并经前置放大

整形电路处理，作为系统的测量信号。

下面是对两处光电探测器处光强情况的讨论：

设左侧光电探测器处两束光1f 、2

f 的波动方程分别为： 111=cos 2R t f

E E π （1）

222=cos2R t f E E π （2）

合成振幅为： 12R1R212=+=cos 2cos 2E E E E t t f

f E ππ+ （3） 光强函数为： 2R I E = （4）