基于ACPT技术的纳米振动测量激光干涉仪

　　对微小振动的测量具有重要的现实意义,如地震早期的预测预报[1]和极其微小的引力波探测[2]等.因此,近些年来人们广泛关注这一方面的研究.激光干涉测量技术具有非接触、高分辨力和高精度等优点,是国内外研究机构和研究人员的研究热点,涌现了种类繁多的光学结构和检测方法[3-6].

　　根据直流干涉法构成的普通测量仪虽然结构简单,但容易受自身光学元件和电子器件波动的影响,测量稳定性不好且测量精度不高.而能够去除干涉背景和电子电路噪声的外差干涉法所构成的测量仪虽然能够提高测量分辨力,但结构比较复杂、成本相对较高且非线性误差较大[7-8].

　　本文中根据交流相位跟踪( alternating currentphase tracking, ACPT)零差法和准平面猫眼动镜设计了一种可用于微小振动测量的改进型迈克尔逊干涉仪.这种干涉仪不仅采用相位调制和相关检测技术有效抑制了光路背景和电路低频噪声、提高了测量分辨力,而且它带有外界干扰自动跟踪补偿结构,极大地提高了测量的稳定性.

　　1　激光干涉测量原理

　　在激光干涉测量中,若用平面反射镜作为测量反射镜,经过其反射的光束会回馈到激光器内,造成光源的波动,影响干涉测量仪的正常工作.通常采用在光源后面安放光隔离器的方法减弱回射光束对光源的影响,但光隔离器具有一定的隔离度,不能完全隔离回射光束,会影响纳米级振动信号的高精度测量.猫眼逆反射器不仅可以使反射光束沿入射光束平行的方向返回,而且反射光束与入射光束之间具有一定的距离,在不影响干涉测量的情况下,消除了回射光束引起的光源波动对干涉测量的影响.用分立的凸透镜和平面反射镜构成的平面猫眼逆反射器是众多猫眼逆反射器中结构最为简单的一种[9-11],但在测量过程中需要透镜与平面反射镜的整体移动,不便于安装和使用.由固定的凸透镜和运动的平面反射镜所构成的准平面猫眼逆反射器能够解决上面的问题.结合交流相位跟踪法和准猫眼逆反射器,考虑到角锥棱镜对光束偏振度的影响以及PZT驱动电路的难易程度,参考臂由分别粘接在两个PZT上的平面反射镜组构成.如图1所示,改进型迈克尔逊干涉仪由激光器、准直仪、非偏振分光棱镜、双PZT参考反射镜组、透镜和测量反射镜组成.

　　由光源发出的单频激光经准直仪投射到分光棱镜上,经分光棱镜将入射光线分成两束:一束进入测量臂,通过透镜照射到置于透镜焦点处的测量反射镜上.此光束再由测量反射镜反射,经过透镜后,以与原入射光束平行方向返回到分光棱镜上;另一束入射到固定在相位调制压电陶瓷上的参考镜后,反射到另一个固定在相位补偿压电陶瓷上的参考镜上,再由这一参考镜反射回分光棱镜.这样两束光经测量反射镜和参考反射镜组反射后,分别照射到分光棱镜后重新会合,同时照射到光电探测器上形成干涉.