一种新型单频激光干涉系统的研究

　　引 言

　　激光干涉仪采用迈克尔逊干涉原理，在波长稳定条件下以波长为长度计量单位实现测长。如图 1 所示：当可动反射镜移动时，光电接收器输出信号通过比较器触发电平被记录下来。激光具有极好的相干性和高亮度，因而可采用光电接收、条纹可逆计数的方法来实现条纹计数自动测量，并实现了空气折射率自动测量与修正，目前已广泛应用于精密位移测量中[1]。但它受温度、湿度及空气扰动等环境因素影响严重。同时如果激光光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于光电计数器触发电平而使计数器停止计数。为解决此问题，双频激光干涉仪采用光学拍频原理，将被测位移信息以调频方式载波于激光拍频信号上。属一种交流测试系统，通过采用交流放大器，提高了信号信噪比，这样即使光强衰减 90%，仍然可以得到合适的电信号[2]。但激光器结构复杂、成本高。双频激光干涉仪是解决光强“零漂”的一种方法，该系统提出的是另一种方法。在单频激光的基础上采用偏振光移相方法，获得 0°, 90°和-90°三路位相依次相差 90°的光干涉信号。经光电接收器接收并放大后，使 0°和 90°,0°和-90°信号分别输入两个比较器电路，生成两路错相 90°的交变方波信号，推动可逆计数器计数，记录交变脉冲个数，并具判向作用。当有光强“零漂”干扰时，三路信号同时有相同变化，在比较器中被消除掉，输出为无干扰的数字信号。另外采用参考光束和测量光束共光路设计布局，能有效消除由于气流、气压、温度、湿度和外界振动等测量环境因素给测量带来的误差。并且光路布局采用了光程差放大技术，提高了干涉系统的分辨力。系统的主要优点：1. 所用激光为单频;2.采用光程差放大技术;3.共光路设计布局;4.偏振光移相。

　　1 光路布局

　　干涉系统采用迈克尔逊双光束干涉原理如图2。采用波长为 632.8nm的稳频 He-Ne 激光器，功率为4mW。分束部分由 PBS3 和直角棱镜 4 组成。合束部分由 1/2波片 11，直角棱镜 12 和 BS13 组成。偏振光移相由 1/4波片(QWP)15 和 PBS16 完成。激光器 1 发出的单模线偏振光经扩束准直系统 2 后变成平行光束，经分束部分变成两束振向相互垂直的两束线偏振光，测量光束(S光)经过 1/2 波片 5 变为 P 光，透过 PBS6、1/4 波片 7，变为圆偏振光，被测量反射镜 9 反射后再次经过1/4 波片 7，圆偏振光变为线偏振光，振向改变 90°变为 S 光，在 PBS6 分束面上被反射入角锥棱镜 10，在角锥棱镜中三面反射后振向不变按原方向反射到 PBS6 分束面，再次被反射入1/4 波片7、测量反射镜9，又两次经 1/4 波片7 后变成P光，返回后透过 PBS6 成为包含有测量光程r1的测量光束。参考光束重复测量光束的传播过程(所不同的是被参考反射镜 8 反射)，透过PBS6 后成为包含参考光程r2的参考光束。应用光波迭加理论[3]，假定两光束的振幅为 a，则从 PBS6 射出的两光束的振动方程为