激光干涉条纹锁定系统的设计与实现

    自 20 世纪 60 年代以来，由于激光的出现和电子技术的日益成熟，激光干涉仪因其非接触测量、精度高、稳定性好和易于实现等优点，得到了广泛的应用^{［1 －4］}。通常，干涉仪在不采用光学倍频和条纹细分技术情况下是以 λ/4 波长为计量单位。为测量 λ/4 波长以下的位移，如测量10^{－ 7}/ ℃ 以下材料的线膨胀系数^［5］、地面低频微振动^［6］和引力波探测^［7］等，需要进一步提高干涉仪的测量精度，为此设计了激光干涉条纹锁定系统，该系统由激光器及稳频装置、干涉系统、检测及控制电路、位移反馈执行机构( 压电陶瓷) ，以及数据采集系统组成。与一般干涉仪系统相比，采用调制法后整个干涉仪系统工作在高频段，大大降低了电路的 1/f 等噪声影响^［8］。将干涉仪工作点锁定在暗点及干涉极小位置，可抑制光散粒噪声。

    1 激光干涉条纹锁定系统工作原理

    激光干涉条纹锁定系统由激光干涉系统、检测及控制电路、数据采集系统 3 部分组成，如图 1所示。激光干涉系统为一个常用的迈克尔逊干涉仪，由兰姆凹陷稳频激光、分束镜、两个反射镜M₁、M₂和光电探测器 PD( RS Ltd． OSD15 －5T) 等器件构成。检测及控制电路由信号发生器、2F 带阻滤波器、1F 带通滤波器、乘法器、低通滤波器、PI 调节器以及 PZT( 其中 PZT₁用作调制，PZT₂用作反馈执行机构) 等构成。数据采集系统包括 16位 A/D、晶振时钟电路及 PC 计算机。

    激光干涉条纹由透镜汇聚到光电探测器上。信号发生器产生的高频 f_m( 设为 1 kHz) 正弦信号送到 PZT₁上，使 PZT₁的长度做频率为 f 的伸长缩短的周期运动，从而使得其光电探测器 PD 记录的干涉光强也随之发生周期性的变化，将这种工作在高频的干涉系统称为激光干涉调制测量系统。该系统加上一个位移反馈执行机构便构成一个常用的激光干涉锁定系统。如图 1 所示 PZT₂为位移执行机构，通过检测控制系统反馈一电压给 PZT₂，从而改变 M₂的位置，始终维持 M₂与 M₁的光程差不变。鉴于光散粒噪声抑制考虑，通常激光干涉锁定系统维持在干涉极小位置 ( 暗点)^{［9 －10］}。

    对于一般的激光干涉系统而言，光电探测器输出的干涉信号为:

    其中: U = ( U_max+ U_min) /2; Δ U = ( U_max－U_min) /2; U_max和 U_min分别为干涉相长和干涉相消时输出电压的最大值和最小值; φ = φ₀+ 4πΔd / λ; φ₀为工作点; Δd 为 d 的变化量。