第五講激光外差干涉測長與測振

第五講激光外差干涉測長與測振第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一光探測方法光（強(qiáng)）的探測方法分為直接探測法（非相干探測）和外差探測法（相干探測）。直接探測簡單實(shí)用，外差探測靈敏度高，探測目標(biāo)時的作用距離遠(yuǎn)。直接探測的基本原理：所謂直接探測是將待測光信號直接射入到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，探測系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)天線或直接由探測器接收光信號，在其前端可經(jīng)過頻率濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）處理。接收到得光信號入射到光探測器的光敏面上。光外差探測的基本原理：外差探測技術(shù)是利用光的相干性對光所攜帶的信息進(jìn)行探測。它只有采用相干性好激光器作光源才能實(shí)現(xiàn)。從理論上說，它能準(zhǔn)確探測到光波振幅和頻率所攜帶的信息，比直接探測有更大的信息容量和更低的探測極限。第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一引言：單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準(zhǔn)確度的重要原因，信號處理及細(xì)分都比較困難。為了提高光學(xué)干涉測量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。概念：光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計算機(jī)檢出干涉場的相位差。特點(diǎn)：克服單頻干涉儀的漂移問題；細(xì)分變得容易；提高了抗干擾性能。激光外差干涉測試技術(shù)第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一4激光外差干涉測試技術(shù)(一)激光外差干涉測試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理設(shè)測試光路和參考光路的光波頻率分別為ω和ω+Δω，則干涉場的瞬時光強(qiáng)為由于光電探測器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻ω，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有2ω的交變項(xiàng)對探測器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。干涉場中某點(diǎn)（x，y）處光強(qiáng)以低頻Δω隨時間呈余弦變化

第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一§5-5激光外差干涉測試技術(shù)(一)激光外差干涉測試技術(shù)原理①外差干涉技術(shù)原理在干涉場中，放入兩個探測器，一個放在基準(zhǔn)點(diǎn)(x0,y0)處，稱之為基準(zhǔn)探測器，其輸出基準(zhǔn)信號i(x0,y0,t)，另一個放在干涉場某探測點(diǎn)(xi,yi)處，稱之為掃描探測器，輸出信號為i(xi,yi,t)。將兩信號相比，測出信號的過零時間差Δt，便可知道二者的光學(xué)位相差由控制系統(tǒng)控制掃描探測器對整個干涉場掃描，就可以測出干涉場各點(diǎn)的位相差。掃描探測器（xi,yi）基準(zhǔn)探測器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）外差干涉圖樣和電信號第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一激光外差干涉測試技術(shù)（一）激光外差干涉測試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。1）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器——可得到1~2MHz的頻差2）雙縱模He-Ne激光器——頻差約600MHz（較大）3）光學(xué)機(jī)械移頻當(dāng)干涉儀中的參考鏡以勻速v沿光軸方向移動時，則垂直入射的反射光將產(chǎn)生的頻移為。如果圓偏振光通過一個旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率f的頻移，即。第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（一）激光外差干涉測試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源3）光學(xué)機(jī)械移頻在參考光路中放入一個固定的1/4波片和一旋轉(zhuǎn)的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過旋轉(zhuǎn)的1/4波片，使其產(chǎn)生2f的頻移。圓偏振光再次穿過固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移。垂直于入射光束方向移動（勻速）光柵的方法也可以使通過光柵的第n級衍射光產(chǎn)生的頻移，此處f是光柵的空間頻率，V是光柵移動速度。激光外差干涉測試技術(shù)第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（一）激光外差干涉測試技術(shù)原理②激光外差干涉儀的光源4）聲光調(diào)制器利用布拉格盒（BraggCell）聲光調(diào)制器可以起到與移動光柵同樣的移頻效果。這時超聲波的傳播就相當(dāng)于移動光柵，其一級衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動頻率f，而與光的波長無關(guān)。激光外差干涉測試技術(shù)第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一主要內(nèi)容一、雙頻激光外差干涉二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用三、條紋小數(shù)重合法原理四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng)第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)據(jù)處理雙頻激光器1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動角隅棱鏡檢偏器v探測器前置放大器f2

f1f1±Δff2f1f2f1±Δf雙頻激光器外差干涉測長原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1±Δf）一、雙頻激光外差干涉儀光源:雙頻He-Ne激光器在全內(nèi)腔單頻He—Ne激光器上加上約300×10-4T的軸向磁場由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，使該激光器輸出一束有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們的頻率差△V約為1．5MHz第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一雙頻激光器1發(fā)出雙頻激光束通過1／4波片2變成兩束振動方向互相垂直的線偏振光(v1垂直于紙面，v2平行于紙面)，一小部分被反射到檢偏器5上，檢偏器的透光軸與紙面成450一部分光束透過分束鏡4沿原方向射向偏振分束棱鏡8。偏振方向互相正交的線偏振光被偏振分束鏡按偏振方向分光，v1被反射至參考角錐棱鏡9，v2則透過8到測量角錐棱鏡10工作原理經(jīng)光束擴(kuò)束器3適當(dāng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，光束被分束鏡4分為兩部分根據(jù)馬呂斯定律，兩個互相垂直的線偏振光在450方向上的投影，形成新的同向線偏振光并產(chǎn)生“拍”，其拍頻就等于兩個光頻之差，即△v＝v1—v2＝1.5MHz由光電接收器6接收后進(jìn)入交流放大器7，放大后的信號作為參考信號送給計算機(jī)第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一光束返回后重新通過偏振分束鏡10與v1的返回光會合，經(jīng)反射鏡11及透光軸與紙面成450的檢偏器12后也形成“拍”，其拍頻信號可表示為若測量鏡以速度V運(yùn)動(移動或振動)，則由于多普勒效應(yīng)，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移正負(fù)號由動鏡移動方向決定，當(dāng)動鏡向偏振分束器方向移動時，△v為負(fù)拍頻信號被光電13接收后，進(jìn)入交流前置放大器14，最后也被送入計算機(jī)第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一計算機(jī)工作（1）計算機(jī)先將拍頻信號△v0±△v與參考信號△v0進(jìn)行相減處理后，就得到所需的測量信息△v設(shè)在動鏡10移動的時間t內(nèi)。由△v引起的條紋亮暗變化次數(shù)為N，則有于是（2）由△v換算成L的工作由計算機(jī)通過軟件自動進(jìn)行，最后由顯示器顯示被測長度值。第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點(diǎn)：前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放大器時所遇到的棘手的直流漂移問題交流干涉儀抗干擾性能好測量范圍大(可測大于60m的距離)應(yīng)用：測長外，還可用于測角、測直線度及測振等穩(wěn)頻措施：塞曼穩(wěn)頻法第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用應(yīng)用：車間現(xiàn)場進(jìn)行精密計量、精密測角為便于測量，往往將干涉儀的干涉系統(tǒng)作為一個部件裝在被測的機(jī)床上，而把激光器、照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)組合成一體，裝在一個箱體內(nèi)，且與干涉系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地分開，這種結(jié)構(gòu)稱為遙置式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：減少熱氣流的影響有利于消除閑區(qū)誤差便于更換干涉儀的組件，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，使雙頻干涉儀成為多功能干涉儀第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一雙頻激光器1發(fā)出的雙頻激光束被雙膜塊組下部的偏振分束鏡按偏振方向分開其中v1光透過偏振分束鏡射向角錐棱鏡Iv2光被反射向上，經(jīng)以膜雙塊上部的普通反射鏡反射到角錐棱鏡II工作原理分別由這兩個角錐棱鏡返回的光束在偏振分光鏡處重新會合，然后經(jīng)反射鏡反射到檢偏振器及光電接收器(一)雙頻激光干涉儀用于精密測角干涉系統(tǒng)中用一雙膜塊組取代測長時所用的偏振分束器，另外用一雙角錐棱鏡組分別作為干涉儀的測量鏡和參考鏡第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一雙角錐棱鏡組安故在被測物體上，當(dāng)它在導(dǎo)軌上平移且沒有擺動時，兩支光路的多普勒頻移△v1=△v2，會合后經(jīng)檢偏振器產(chǎn)生拍頻，并在拍頻中互相抵消，計算機(jī)無多普勒頻移值出現(xiàn)。如果雙角錐棱鏡組在移動過程中，由于導(dǎo)軌的直線度偏差而發(fā)生ⅹ角的傾斜，則兩棱鏡的角點(diǎn)在光軸方向?qū)a(chǎn)生一個相對位移量△。此時兩路的多普勒頻移△v1和△v2不相等，即有△v=△v1-△v精度：應(yīng)用：精確測量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度等測導(dǎo)軌的直線度時，雙膜塊組被固定在適當(dāng)位置，而雙角錐棱鏡組固定在工作臺上，移動工作臺即可測出以角量表示的直線度測角最小顯示值(分辨率)可達(dá)0．1’’。其測角精度在100”范圍內(nèi)可達(dá)0.5’’，量程可達(dá)土1000”第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(二)雙頻激光干涉儀測量直線度(以線量表示)雙頻激光器發(fā)出雙頻激光束通過半反射鏡至渥拉斯頓偏振分束器上，正交線偏振光v1和v2被分開theta的兩束線偏振光分別射向雙面反射鏡的兩翼并由原路返回工作原理返回光在渥拉斯頓鏡處重新會和后，經(jīng)半反射鏡、全反射鏡反射到檢偏器。兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（1）若雙面反射鏡沿z軸平移到A點(diǎn)，由于v1和v2所走的光程相等，所以△v1=△v2，拍頻互相抵消，計算機(jī)顯示器無多普勒頻移顯示。計算機(jī)工作（2）在移動過程中由于導(dǎo)軌的直線度偏差而使雙面反射鏡沿y方向下落到B點(diǎn)。v1光的光程較原來的減少了2AC；與此相反，v2光的光程卻增加了2BD。兩者總差值等于2（AC+BD），根據(jù)這一數(shù)值，即可以算出下落量以線量表示的導(dǎo)軌直線性偏差測直線度的精度可達(dá)土1．5μm，其分辨率為lμm，最大檢測距離可達(dá)3m，最大下落量可測到1．5mm精度第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(三)雙頻激光干涉用于同軸度的精密測量雙頻激光直線度測量儀，在長距離上測量直線度，具有很高的精度和可靠性，但是這種儀器能否用于長距離同軸度的精密測量呢？提出問題同軸度測量儀器應(yīng)具有以下的特點(diǎn)解決問題(1)能夠進(jìn)行間斷測量

(2)測量系統(tǒng)對激光束的平漂和角漂具有自適應(yīng)能力，光束漂移應(yīng)不影響測量結(jié)果。(3)光學(xué)系統(tǒng)對大氣擾動應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗力。(4)由于同軸度測量時，定心靶必須從一個孔移到另一個孔，還要進(jìn)行找正，測量所用時間較長，因而要求儀器具有較好的長時間穩(wěn)定性。現(xiàn)有的雙頻激光直線度干涉儀是無法滿足上述要求的第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一原因（1）雙頻激光直線度干涉儀在信號處理上采用鎖相倍頻計數(shù)技術(shù)，不允許信號中斷，否則計數(shù)立即無效。（2）即使對信號處理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，也有近程死區(qū)和測量范圍的矛盾，實(shí)現(xiàn)相位測量的一個必要條件是：在測量范圍內(nèi)相位的變化范圍必須在π之間希望把現(xiàn)有的激光直線度測量儀通過參數(shù)優(yōu)化改造來實(shí)現(xiàn)同軸度是不可能的結(jié)論此外，在HP5528中，采用了等光強(qiáng)穩(wěn)頻方案(塞曼穩(wěn)頻)，雖然光頻比較穩(wěn)定，但頻差變化比較大，頻差值也比較高，不利于相位測量。從以上幾點(diǎn)看、要用雙頻激光干涉法測量同軸度，需重新考慮雙頻激光干涉儀的總體方案。清華大學(xué)精儀系經(jīng)過多年的研究，提出了一種雙頻激光測量同軸度的新方案，并研制了實(shí)用型的SJD3T雙頻激光同軸度干涉儀。第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1．雙頻激光同軸度干涉儀雙頻激光頭出射的正交線偏振光通過第一個渥拉斯頓棱鏡W1后，彼此分開一個小角度再通過第二個涅拉斯頓棱鏡W2變成兩束平行光束經(jīng)雙面直角棱鏡反射工作原理依次通過W2、W1后又會合成一束光，經(jīng)檢偏振器P后被探測器D2接收，形成測量信號兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一SJD3T方案與HP5528主要區(qū)別(1)SJD3T方案中用了兩個渥拉斯頓棱鏡，而HP5528方案只用一個(2)SJD3T中反射鏡用的是雙面直角棱鏡，而HP5528用的是兩個具有一定夾角的平面反射鏡這兩點(diǎn)區(qū)別，使得SJD3T能夠既保持雙頻干涉儀所特有的高精度和穩(wěn)定性，又解決了同軸度測量的難題參考信號由探測器D1接收。當(dāng)W1(或)W2沿被測表面移動而產(chǎn)生上下橫移時，可使測量信號相對參考信號相位發(fā)生變化，那么通過測量兩者的位相差，可得W1(或W2)的橫向移動量。第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)論(1)SJD3T采用了兩個握拉斯頓棱鏡和一個直角反射鏡，測量時對兩束光的分離量無特別要求，因而對長距離直線度測量只需一套附件，無近程死區(qū)。而現(xiàn)有的雙頻激光干涉儀對0．3—3m，3—30m直線度測量各需一套測量附件，遠(yuǎn)距離測量附件有近程死區(qū)。(2)SJD3T在測量中光程差變化對應(yīng)的信號位相變化在一個周期內(nèi)(即土π內(nèi))，使位相測量值與渥拉斯頓棱鏡的橫移量單值對應(yīng)，由于位相測量是狀態(tài)測量，程拉斯頓棱鏡移出光路后再放回光路中，測量還能繼續(xù)進(jìn)行，因而可用于同軸度測量(3)在SJD3T中，干涉的兩束光在30m內(nèi)中心距只有2．6mm(HP5528)可達(dá)十幾個厘米)，因此對外干擾能很好共模抑制，具有很高的抗干擾能力第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2．SJD3T對激光頻差穩(wěn)定性的要求激光波長的穩(wěn)定性頻差穩(wěn)頻方法：基于8098單片機(jī)系統(tǒng)的智能穩(wěn)頻方法激光器置于磁鐵架中用于固定永磁鐵，以形成縱向磁場給雙頻激光器形成一個密封腔，以減少外界熱擾動對激光器溫度的影響激光器尾光通過檢偏器由光電探測器測得拍頻信號?f經(jīng)放大整形后由8098單片機(jī)計數(shù)器測量該頻率的大小單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部程序根據(jù)測得的頻率大小，依一定的算法，利用8098芯片內(nèi)部的D／A功能，輸出伺服電壓，該伺服電壓經(jīng)功率驅(qū)動后，通過繞在激光器外殼上的電阻絲對激光管加熱，形成閉環(huán)控制，這樣就可通過控制加熱量的大小獲得穩(wěn)定的頻差要求作用第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一f0f0＋fs12341/2波片510671/4波片9振動體激光外差測振儀（雙頻激光測量振動光路示意圖）8f0±fD

方解石棱鏡及1/4波片的作用是使測量光束的光路既作發(fā)射光路，又作接收光路。通過o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光學(xué)定向耦合”作用，使發(fā)射與接收的光無損失地通過方解石棱鏡(不考慮光吸收損失)。

頻率fs信號由聲光調(diào)制器的信號源直接輸入混頻器與拍頻信號混頻，把多普勒頻移fD解調(diào)出來。

（五）激光外差測振儀2.雙光束雙頻激光器（四）雙頻激光束頻差的確定1.聲光調(diào)制器第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一DISA系統(tǒng)與NASA系統(tǒng)的不同之處它應(yīng)用偏振分光鏡作發(fā)射和接收的光束耦合器，該光學(xué)系統(tǒng)中分束器2為偏振分光器，它防止了返回的測量光回授到激光器的可能性。該儀器用兩只光電接收器D1和D2來分別接收拍頻信號，并在D1和D2前分別安置檢偏振片P1和P2，又使兩者的光軸互相垂直其目的是使其起電子共模抑制的作用，以便進(jìn)一步抑制噪聲，提高拍頻信號的信噪比DISA外差激光測振儀第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（六）激光外差表面微觀輪廓儀測量表面微觀的高低不平，可以確定微觀輪廓及表面粗糙度應(yīng)用：儀器要有極高的縱向分辨率及橫向分辨率要求：這種高低不平往往只有幾埃的數(shù)量級，有的甚至只有不到1埃第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一He—Ne激光器發(fā)出的光束被分束器分成兩路一路經(jīng)聲光調(diào)制器M1、偏振器P1（P1光軸平行于紙面）另一路經(jīng)光調(diào)制器M2、偏振器P2（P2光軸垂直于紙面）一部分經(jīng)檢偏器P3該拍頻信號被光電接收器D1接收轉(zhuǎn)換后作為參考拍頻信號另一部分偏振光進(jìn)入右邊的測量干涉系統(tǒng)，偏振分束器PBS使平行于紙面的偏振光(v1)透過，垂直于紙面的偏振光(v2)反射。又被分束器BS2分成兩路工作原理第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一這兩支光束在檢偏振器P4后產(chǎn)生拍頻信號v1-v2±?v=?v0±?v，?v與被測表面的微觀高低起伏有關(guān)v1光經(jīng)反射鏡M3，l／4波片、Ll和L2透鏡后成平行細(xì)光束射到被測表面上，經(jīng)表面反射后沿原路返回復(fù)經(jīng)1／4波片。由于兩次通過l／4波片(其光軸與v1光成45度角)，故其偏振方向改變900，最后被PBS反射并經(jīng)檢偏器P4而被光電接收器D2接收v2光經(jīng)1／4波片、反射鏡M4、BS3及物鏡L2后會聚到被測表面，形成光學(xué)探針。由被測表面反射后，也沿原路返回，復(fù)經(jīng)l／4波片，偏振方向改變900，最后透過PBS及檢偏振器P4也被光電接收器接收。該拍頻信號由光電接收器接收，經(jīng)交流前置放大器進(jìn)入混頻器與由從來的參考拍頻信號混頻，從而可解調(diào)出被測信號?v計算機(jī)將根據(jù)接收到的?v的變化，求出表面各點(diǎn)的微觀高差，并由此可換算出表征表面粗糙度的各個參數(shù)及表面的微觀三維輪廓第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(七)具有光程鎖定的激光外差測振儀應(yīng)用：測量分辨率為人量級的微振動振幅或微位移優(yōu)點(diǎn)：