移相干涉仪环境振动自动测量系统

　　0 引言

　　移相式激光干涉仪易受到环境振动的干扰，微弱的振动会导致干涉场空间辐射功率的时变，使得CCD在采集干涉场过程中引入随机误差，难以保证λ/20以上的测量精度。为了评估环境振动，可以在移相干涉光路中嵌入光学外差测振系统，但光路较为复杂，对激光器的稳定性要求高，信号处理不易。如果使用普通半导体激光器作为干涉仪光源，其不稳定的功率输出会在振动检测系统中被误认为是振动信号。为了把振动信号与激光器不稳定的输出区分开来，本文设计了一种较为简单的基于单片机的干涉仪环境振动测量分析系统: 一只光电管测量干涉场的某点辐射功率，另一只光电管测量半导体激光器输出功率的变化; 将两只光电管的电压信号馈入MSP430 单片机，单片机内部ADC 模块对电压信号进行模数转换，数据通过单片机的串口传入计算机; 运用Visual Studio 软件平台，结合串行通信编程技术，对数据进行图形化显示与分析，得到去除了半导体激光器输出不稳定干扰的真实的干涉仪环境振动信号。

　　1 硬件系统

　　硬件系统包括两部分: 光学系统和电路系统。光学系统实现移相干涉测量、干涉场某点辐射功率及半导体激光器输出功率扰动的检测; 电路系统实现信号调理、变换以及与上位机通信。

　　1.1 光学系统

　　构建了光学移相干涉仪环境振动测量系统，如图1 所示。半导体激光器输出激光经扩束系统成为准直平面光源，平面光源经过分束镜BS1，有部分能量到达光电管PD1，通过PD1 可以监控激光器输出光功率的变化。平面光源经过分束镜BS2 分成两部分，反射部分投向参考平面镜并被反射后透过 BS2 成为参考光束;透射部分投向测试光学元件并被反射，被BS2 再次反射后成为测试光束。参考光束与测试光束形成空间干涉场，干涉场经分束镜BS3 分成两部分，透过部分通过透镜成像系统成像到CCD 靶面上( 由CCD 采集干涉图) ，反射部分被光电管PD2 进行点采样。如果有环境振动，通常会引起参考光束与测试光束间光程差的变化，干涉场波前相位也随之发生变化，导致PD2探测点处辐射功率的变化，在成像系统中亦可见到干涉条纹的抖动。由于PD1 可以测量激光器辐射功率的变化，PD2 测量干涉场空间某点辐射功率的变化，这样PD2 输出的信号既含有激光器输出功率变化的信息，又含有干涉仪因环境振动所导致干涉场变化的信息，因此只要把PD2 获得的信号与PD1 获得的信号作一个简单的数学处理就可以将环境振动信号提取出来，同时可消除半导体激光器非稳恒输出的影响。需要注意干涉场的两个干涉波面倾角不宜太大，以保证PD2 的光敏面满足相干检测的条件。