激光在精密测量中的应用

第六章 激光在精密测量中的应用

激光由于有优异的单色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到应用。例如，激光在加工工业中被用来完成打孔、焊接、切割、快速成型，在医学中制造了激光手术刀、激光近视眼治疗仪、激光辐照仪，在IT 产业中大量用来做光通讯、光存储、光信息处理的光源，在近代的科学研究中用于受控核聚变、光谱分析、操纵原子、诱导化学反应、乃至探索宇宙的起源，但是其最早期的应用还是在计量领域。尤其因为它可以与自然基准——光的波长直接相联系，实现高精度测量，在长度测量领域得到了大量的应用。以下本书将要对激光在各方面的应用进行讨论，本章首先介绍激光在精密测量中的应用。

激光的高度相干性使它一经发明就成为替代氪86作为绝对光波干涉仪的首选光源，经过四十年的发展，激光干涉计量已经走出实验室，成为可以在生产车间使用的测量检定标准，激光衍射测量也成为许多在线控制系统的长度传感器。激光的良好方向性和极高的亮度不仅为人们提供了一条可见的基准直线，而且为长距离的光电测距提供了可能。激光同时具有高亮度和高相干性使得光的多普勒效应能够在测速方面得到应用。激光雷达则综合应用了激光的各方面的优点，成为环境监测的有力武器。

激光干涉测长

干涉测量技术是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术。在激光出现以后，加之电子技术和计算机技术的发展，隔振与减振条件的改善，干涉技术得到了长足进展。干涉测量技术大多数是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度，而且应用范围十分广泛。常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫—曾德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼—格林干涉仪[22-24]等；70年代以后，具有良好抗环境干扰能力的外差干涉仪，如双频激光干涉仪[25-27]、光纤干涉仪也很快的发展了起来。激光干涉仪越来越实用，其性能越来越稳定，结构也越来越紧凑。

6.1.1 干涉测长的基本原理

激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪（如图6-1示）,用干涉条纹来反映被测量的信息。干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P 后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。两束光的光程差可以表示为

j M

J j N i i i l n l n ∑∑==-=∆11 (6-1)

式中j i n n ,分别为干涉仪两支光路的介质折射率；j i l l ,分别为干涉仪两支光路的几何路程。将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜M 2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。

被测长度L 与干涉条纹变化的次数N 和干涉仪所用光源波长λ之间的关系是

2λ

N L = （6-2）

式（6-2）是激光干涉测长的基本测量方程。

从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析

δλδδλλ+=∆+∆=∆N L N N L L 即 （6-3）

式中δλδδ和N ，L 分别为被测长度、干涉条纹变化计数和波长的相对误差。这说明被测长度的相对误差由两部分组成，一部分是干涉条纹计数的相对误差，另一部分是波长也就是频率的相对误差。前者是干涉测长系统的设计问题，不是本书研究的内容。后者除了与前面讲过的激光稳频技术有关之外还与环境控制，即对温度、湿度、气压等的控制有关。因此激光干涉测长系统测量误差必须根据具体情况进行具体分析。

6.1.2 激光干涉测长系统的组成

除了迈克尔逊干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源，可移动平台，光电显

图6-1 激光干涉测长仪的原理图

微镜，光电计数器和显示记录装置。激光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器，输出的是波长为纳米的红光。因为氦氖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，所以氦氖激光器特别适合用作相干光源。为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措施。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。

迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。

干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法。常用的分光器有分振幅平行平板分光器（图6-1）和立方棱镜分光器。其中立方棱镜分光器上还可以胶合干涉仪的其他元件，组成整体式干涉仪布局，能与系统的机座牢固连接减少误差。在偏振干涉仪系统中需要采用偏振分光器（参见图6-6B2），它由一对玻璃棱镜相胶合而成，在其中一块棱镜的胶合面上蒸镀偏振分光膜，得到高度偏振的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶轴正交的偏光棱镜组成,如沃拉斯顿棱镜。

干涉仪中常用的反射器件中最简单的是平面反射器，这种器件的偏转将产生附加的光程差，在采用多次反射以提高测量精度的系统或长光程干涉仪中此项误差不可忽略。角锥棱镜反射器（图6-2a）的反射光与入射光反向平行，具有抗偏摆和俯仰的性能，可以消除偏转带来的误差，是干涉仪中常用的器件。直角棱镜反射器（图6-2b）只有两个反射面,加工起来比较容易，并只对一个方向的偏转敏感。猫眼反射器（图6-2c）由一个透镜L和一个凹面反射镜M组成，反射镜放在透镜的焦点处，若反射镜的曲率中心C′与透镜的光心C重合，当透镜和反射镜一起绕着C旋转时，光程保持不变。猫眼反射器的优点是容易加工和不影响偏振光的传输，而且在光程不太长时还可以用平面反射镜代替凹面反射镜，更容易加工与调整。