提高差拍法布里-珀罗干涉仪测量精度的研究

　　1　引　言

　　在激光干涉测量中,环境因素变化导致空气折射率的改变是影响测量精度的主要原因之一。尤其在目前的纳米亚纳米级精度的测量中,消除或减弱空气折射率变化对测量结果的影响,已经成为保证测量精度的核心问题之一。目前,解决途径:一是对空气折射率的测量并对测量结果进行补偿和修正;二是通过控制和改善环境,例如恒温、抽真空等方法减少空气折射率变化对测量精度的影响。前者通常需要增加辅助干涉系统(如瑞利干涉仪),使得系统复杂、庞大,特别是在精度要求高时技术难度很大。

　　本文在中国计量科学研究院研制的差拍F2P干涉仪基础上,提出用密封干涉光路的真空系统来消除环境因素的影响,并设计制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。

　　2　原　理

　　2. 1　差拍F2P干涉仪系统结构原理

　　中国计量科学研究院研制的差拍F2P干涉仪系统结构原理如图1所示[1, 2]。

　　在图1中,工作激光器L2的出射光经PBS后,分为两束。一束反射后与标准激光器L1的出射光会合,形成拍频,经D2和FC检测计数后,送入计算机处理;另外一束折射后,入射到由M1和M2组成的F2P腔。M2为可移动镜,与被测位移台固定在一起。工作时,通过改变加在压电陶瓷PZT1上的电压来控制F2P腔腔长的变化。通过反馈,改变施加在PZT2上的电压,使工作激光器L2跟踪F2P腔腔长变化。当工作激光器L2的频率,使F2P干涉仪的输出光强为极大时有:

　　式中,L为F2P干涉仪腔长;k是与F2P腔结构有关的正整数(在图1所示的折叠腔中k=2);N为干涉级次;λ为真空中光波波长。

　　根据(1)式,可得差拍法F2P干涉仪的测量表达式为:

　　因此,只需测得ΔN和Δv,即可求得系统位移。

　　该F2P干涉仪采用拍频锁定方法,具有极高的分辨率。但目前存在的主要问题是由于环境因素的影响,测量结果读数不稳定,与理论上可达到的精度差距很大。在环境影响因素中最主要的影响来自环境的温度、湿度等变化,造成空气折射率的随机变化和缓慢漂移,从而导致空气中的激光波长的变化。

　　2. 2　空气折射率变化对位移测量的影响

　　利用F2P干涉仪拍频锁定方法进行位移测量时,通常激光波长锁定于空气F2P干涉仪的透过极大值上,此时其关系式如下:

　　式中,n为空气折射率;L0为F2P干涉仪的几何腔长;K为干涉级次;λ0为测量时激光的真空波长值。

　　根据(3)式可知,由于空气折射率变化量Δn导致的位移测量结果的变化量ΔL对的影响为: