詳解激光干涉儀工作原理

干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀60年代中期出現(xiàn)的，最初用于檢定基準線紋尺，后又用于在計量室中精密測長。雙頻激光干涉儀是1970年出現(xiàn)的，它適宜在車間中使用。激光干涉儀在極接近標準狀態(tài)(溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對濕度59%、CO2 含量0.03%)下的測量精確度很高，可達1×10。

單頻激光干涉儀

圖1為單頻激光干涉儀的工作原理。從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計數(shù)器計算出總脈沖數(shù)，再由電子計算機按計算式[356-11]

計算式

式中λ為激光波長(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。

單頻激光干涉儀原理圖

雙頻激光干涉儀

圖2為雙頻激光干涉儀的工作原理。在氦氖激光器上，加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生1和2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束，另一路成為僅含有f2的光束。當可動反射鏡移動時，含有f2的光束經(jīng)可動反射鏡反射后成為含有f2 ±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負號表示移動方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運動時會產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會合成為f1-(f2±Δf)的測量光束。測量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進入減法器相減，輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經(jīng)可逆計數(shù)器計數(shù)后，由電子計算機進行當量換算(乘 1/2激光波長)后即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強。它常用于檢定測長機、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度，也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

雙頻激光干涉儀原理圖