用于大尺寸测量的无长导轨激光光纤干涉仪

无导轨大尺寸测量在制造和装配工作中有广泛用途.目前已有的干涉仪测量大尺寸,一般需要长导轨,而且无绝对零点(即以增量码方式计数条纹).为了解决这些问题,采用两种干涉仪组成一套系统,其一是干涉长度很短的干涉仪——脉冲电流调制半导体作激光光纤干涉仪,它用于定位[1];另一是He-Ne激光(或称扫描)干涉仪,它用于测量光纤干涉仪移动棱(或称靶)镜相对绝对零位或某一定长度位置的光程差,从而确定被测距离.

1　测量原理

测量系统的组成如图1所示.He-Ne激光干涉仪的条纹当量为激光波长的二分之一,因此,它的导轨长100 mm,通过扫描镜的移动,能测量光纤干涉仪的光程差200 mm(称大数光程差).光纤干涉仪各路光经光纤分束器分成各路,靶镜位于绝对零位,当1与1’或2与2’,…,光程相等时(用移动扫描镜来实现),经3 db耦合器后产生光电信号脉冲,当靶镜离开零位处于任一位置时(拿起来后放回光路时,只要光线返回能进入光纤产生干涉即可),可知有几个大数光程差(由不同长度的光纤产生光电信号脉冲,并将它们编码,称绝对码或位置码,即该码只与靶镜位置有关.)而小于200 mm的距离,则由He-Ne激光扫描干涉仪来测量,He-Ne干涉仪的计数器开关门脉冲由光纤干涉仪发出的光电信号脉冲提供.

2　零光程差的实现

　　如上述,要想使光纤干涉仪光程相等(即零光程差)发一光电信号脉冲,则该干涉仪的光源干涉范围要很小.干涉仪的条纹输出信号为

式中:K0为光源的中心波数;ΔOP为光程差;γ(ΔOP)为条纹对比度.当ΔOP=0时,γ为最佳值.

　　用检查干涉条纹对比度最佳值的方法来确定零光程差.干涉长度很短(干涉长度为10～50μm)的LED可以作为光源,但它对光纤的耦合效应差,条纹对比度较低,最后选用了半导体激光器LD,用脉冲电流调制的方法来拓宽光谱线[2],它在一定范围内为连续光谱.

多模LD具有如图2所示的典型谱线分布.由它作光源产生的干涉图样信号如图3所示.中心条纹与相邻两侧的条纹光强差很小,因此取出零光程差光电信号的脉冲很困难.为了解决此问题,用455 kHz的脉冲电流调制多模半导体激光器LD,使它的谱线扩宽,在一定范围内成为连续光谱.经调制后的LD(6711G)产生的干涉条纹信号如图4所示,中心条纹与两侧条纹的幅度差很大(约3～4倍).这样,中心条纹的信号很容易取出作为零光程差信号.

3　实验结果

　　在光纤干涉仪中,为了抓住零光程差的点,用检测零点的办法来进行重复性试验,重复性误差为1μm.测试长度结果与HP5528双频激光干涉仪测得值比对,测量800 mm,误差为±2μm.