激光干涉仪技术及发展

度、均匀程度等却能进行细致的描述。从R t 、R z 、R 3z 三个参数定义上可以看出:R t 表示所测轮廓网纹沟槽的最大深度;R t 、R z 代表了平台网纹深沟槽分布及变化趋势,R z 、R 3z 代表了平台网纹深沟槽的宽度、深度的均匀程度,即重复分布情况。这三个参数可用于分析选用珩磨油石条的尺寸、粒度及磨条的涂层性能对表面沟纹的影响,同时避免人工目测沟槽深度及分布的误差。 5 结论

结合气缸套的平台网纹本身的特点及气缸套的工作状况,确立了基于轮廓支承度率曲线、幅度分布曲线、轮廓高度三个方面的参数指标,这套评定指标

能够对气缸套内表面粗糙度轮廓的磨合特性、润滑

特性、网纹分布等进行对应的定量分析,实现完整、准确地描述及评价气缸套平台网纹,同时能反映气缸套加工制造过程的不足之处,进而指导调整工艺

参数。

参考文献

1 谢旭华,刘 芬.气缸套平顶珩磨表面磨合特性测定方法探讨.现代制造工程,2002(8)

2 梁全顺.柴油机气缸套内表面平台珩磨网纹技术的探讨.内燃机车.2001(11)

3 德国工业标准DIN4768.1990.5

4 袁长良,丁志华,武文堂.表面粗糙度及其测量.北京,机械工业出版社.1989,10

第一作者:李伯奎,江苏淮阴工学院机械系,223001江苏省淮安市

收稿日期:2003年3月

激光干涉仪技术及发展

羡一民 王科峰

成都工具研究所

由于激光具有极好的时间相干性,其相干距离可以达到数公里,所以自激光问世以来,以激光为光源的激光干涉仪一直被人们所关注,其应用范围不断扩展,激光干涉仪技术也不断发展,出现了各种形式的激光干涉仪。

1 单频激光干涉仪和外差激光干涉仪

尽管存在各种形式的激光干涉仪,但从原理上讲,可以归结为单频激光干涉仪和外差激光干涉仪两种基本类型。

通常用于长度测量的激光干涉仪采用Machel son 干涉仪系统,图1为单频激光干涉仪原理示意图,分光器BS 将激光分为2束,一束射向定镜R,另一束射向动镜M,当动镜M 移动时,经R 和M 的反射光在O 处汇合产生干涉,由于分光器金属膜的附加相移性质,光电探测器D1、D2接受的信号相位差为90 ,用于计数器的方向辨别。

图1 单频激光干涉仪

图2为外差激光干涉仪的原理示意图,偏振方向相互垂直的同轴双频激光被分光镜BS 分为二部分,反射部分经检偏器P 1由光电探测器D 1接受,作为系统的参考信号;透射部分在偏振分光镜PBS 处按偏振方向分解,一路指向定镜R,频率为f 1;另一路指向动镜M,频率为f 2。当动镜M 移动时,返回光产生多普勒频移 f ,f 2+ f 与f 1两光束在偏振分光镜PBS 汇合,经45 放置的检偏器P 2,由光电探测器D 2接收。

图2 外差激光干涉仪

在Machelson 干涉仪系统中光程的变化是动镜位移的2倍,多普勒效应可以用下式表示

f =2V C

f

式中C 为光速,V 为动镜的移动速度,f 为光频。

设L 为动镜的移动距离,则有

L =

l

V d t =

l

fC 2f =

2

l

f d t

此式即激光干涉仪的测量原理式,不管是单频

激光干涉仪还是外差激光干涉仪,位移信息均载在 f 上。

由于频率的时间积分为周期数N ,所以上式简化为

L =N

2

式中 为激光在测量时刻的波长值。

在图1和图2中,光电探测器所接受的是相同偏振方向的光波叠加,设二束光的平面波动方程为

E (1)=E 1exp{-i (2 f 1t - 1)}E (2)=E 2exp{-i (2 f 2t - 2)}

式中E 1,E 2,f 1,f 2, 1, 2分别为二束光的振幅、频率和初相位,此二束光叠加的合成振幅E 为

E =E (1)+E (2)

合成光强的变化周期数即激光干涉议测量原理式中的N 。合成光强I 为

I =|E |2=E E *

*

=[E 1exp{-i (2 f 1t - 1)+E 2exp{-i (2 f 2t - 2)}] [E 1exp{i (2 f 1t - 1)}+E 2exp{i (2 f 2t - 2)}]=E 12+E 22+2E 1E 2cos[2 (f 2-f 1)t +( 2- 1)]=E 12+

E 22+

2E 1E 2cos{2 [(f 2-f 1)+ f ]t }}

上式是二个不同频率的光干涉叠加的结果,也即外差干涉的方程式,如果f 1=f 2,则变为单频激光干涉仪的干涉方程式

I =

E 21+

E 22+

2E 1E 2cos2 ft

比较以上两式,可以得到表1。

表1 单频激光干涉

仪和外差激光干涉仪

从表中可见外差激光干涉仪的测量信息 f 是叠加在一个固定的频差(f 2-f 1)上的,属交流系统,而单频激光干涉仪的测量信息 f 是叠加在一个直

流分量(E 21+E 2

2)上的,属直流系统,这是两种类型

激光干涉仪的本质区别。

2 几种激光干涉仪系统

通用型激光干涉仪主要用于现场,与在实验室中使用的专用激光干涉仪相比,要求具有更高的测量速度、测量距离和抗干扰能力,因此要求激光干涉仪系统必需有足够的带宽和增益,下面是几种典型的激光干涉仪系统。

2 1 单频激光干涉仪

单频激光干涉仪是最早出现的激光干涉仪系统,但是由于直流漂移的影响,多用于实验室的专用设备中,

在相当时期内没有推广到现场使用。

图3 补偿型单频激光干涉仪

图3是一种带有补偿的单频激光干涉仪(1),线偏振光通过1/4波片Q 1成为圆偏振光,在偏振分光

器PBS 的分光面上分解为P 、S 二个分量,在动镜M 移动时,P 光产生多普勒频移 f ,S 光频率不变,2束光返回后经1/4波片Q 2成为带有干涉信息的旋转线偏振光,P 1、P 2、P 3为检偏器,其光轴方向依次相差45 ,干涉信号由光电接收器D 1、D 2、D 3,接受并输入到运算放大器。

D 1、D 2、D 3接受的三路信号相位依次为0 、90 、180 ,它们对应的光程是完全一致的,有效地补偿了由于测量距离过长引起的信号衰减和各类干扰。

单频激光干涉仪的测量速度在原理上没有限制,主要取决于放大器的带宽和电子器件的速度。Renisho w 公司的单频激光干涉仪的测量速度可达1000mm/sec 。

用于单频激光干涉仪的稳频方法主要有Lamb 凹陷法和双纵模稳频法,La mb 凹陷法根据由于增益介质的增益饱和,使激光器的输出在中心频率处出现凹陷的特点,利用压电陶瓷来控制腔长,这种方法

多用于使用环境较好的系统;双纵模稳频法利用控制激光输出的二个纵模强度来控制腔长,由于模式竞争,二个输出纵模取相互垂直的偏振状态,抑制其中一个偏振,从而得到单频激光,是目前常用的单频

稳频方法。

2 2 基于塞曼效应的双频激光干涉仪