单频激光干涉系统的研制

　　1 引言

　　单频激光干涉仪由于精度高和测量范围广，现在已经广泛应用在长度测量领域，纳米技术的发展，对单频激光干涉仪的性能也提出越来越高的要求。但由于单频激光干涉仪对测量的环境条件要求很高，使得其很容易受到环境温度、湿度、大气压力、机械振动、空气振动以及不当的结构设计等影响而阻碍了进一步的发展。因此，在对激光干涉仪进行机械结构设计及光学元件布局时，必须全面考虑，尽量使影响测量精度的各种因素由干涉仪自身予以消除，以提高测量精度，这是向纳米及亚纳米级测量精度发展的有效途径。与传统的单频激光干涉仪相比，新型纳米级精度激光干涉仪具有下列优点：(1)采用整体式的布局，提高了干涉系统的稳定性和灵敏度;(2)光程差放大技术，提高了系统的分辨率;(3)采用四通道探测原理和共模抑制的方法，对单频激光干涉仪4路相互正交的信号进行差分处理，减小激光光强零漂以及环境变化对系统的影响。最终通过误差补偿修正的处理，系统可以获得高质量的输出信号。

　　2 测量原理

　　单频激光干涉测量系统光路原理图如图1所示。

　　激光光源采用波长为632.8nm的稳频He-Ne激光器，功率为0.8MW，整个光路分为干涉部分和探测部分。在干涉部分中，入射光通过起偏器1和半波片2后变成45°线偏光，45°线偏光通过偏振分光镜3分成两路正交的p光与s光，分别射向测量镜和参考镜，测量光(p光)经过1/4波片6，线偏光变成圆偏光，经过测量镜7反射再次经过1/4波片6又变成线偏光(s光)，在直角棱镜6内经过两次反射后测量光束按原方向返回，再次入射到偏振分光镜3的分光面上，经过1/4波片6和测量镜7，又两次通过1/4波片6后变成线偏光(p光)并出射。参考光经过类似的传播过程最终变成s光并出射。直角棱镜8的作用是使两正交光再往返测量镜和参考镜一次，提高光学倍程，从而提高干涉测量系统分辨率。从干涉部分岀射的两路正交的线偏光(p光和s光)，通过1/4波片分别变为左旋和右旋的圆偏光，通过消偏振分光镜11将其平分成两路光，其中一路光经过偏振分光镜12形成两路相位差为180°的干涉信号，另一路光经过半波片13，左旋和右旋的圆偏光分别变成右旋和左旋的圆偏光，经过偏振分光镜14也形成两路相位差为180°的干涉信号，且4路信号的相位差分别为90°。因此这4路相位差分别为90°的正弦信号可以表示为：

　　式中：

　　n为表示1~4路通道;

　　an为各路信号的直流偏量;

　　bn为各路信号的交流振幅;