高测速双频激光干涉仪

　　1引　言

　　外差激光干涉仪广泛应用于机械工业位移,速度测量领域。在微米精度外差干涉仪中,为满足测量高速运动机械的要求,广泛采用具有较高频差的纵向塞曼激光器。目前,HP公司生产的双频激光干涉仪频差可达到3 MHz,即可对运动速度达750 mm/s的运动物体进行测量。但现代机械工业的发展使得数控机床,三坐标测量机等的运行速度有了更大的提高,如加工中心工作台运行速度已达1 000 mm/s[1],美国B_S公司Scirocco三坐标测量机运行速度达到866 mm/s,这就要求外差激光光源频差要高于4 MHz,因此,提高激光光源的频差,提高双频激光干涉仪的测量速度是机械工业发展的必然要求。

　　常见的产生外差的方法有三种,为塞曼效应法[2-4],频率分裂法[5-7],声光调制法[8]。塞曼效应激光器可以分为纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器,横向塞曼激光器输出光的两频率分量为正交的线偏振光,具有良好的偏振特性,但频差一般较低,为几百kHz,纵向塞曼激光器输出光的两频率分量分别为左、右旋的圆偏振光,其频差较横向塞曼激光器高,但一般低于3 MHz,这主要是由于输出频差大于3 MHz时,对应于左右旋圆偏振光的增益曲线将完全分离,从而不能输出双频。频率分裂法是基于频率分裂的原理,通过在激光谐振腔内加入双折射元件实现的。双折射元件可以为自然双折射晶体,如晶体石英片,或电光晶体或是人工双折射元件,如应力片。当光通过双折射元件时,由于双折射效应使被分解的互相垂直的两偏振分量的光的光程不同,从而引起相应的光频发生分裂。其特点是可以产生很高的频差,但加入双折射器件使激光器结构复杂,稳频困难,双折射晶体的温度波动会造成频率漂移。以Zygo公司为代表的声光调制法是利用声光效应使衍射光产生频移。利用声光调制法获得双频激光,必须将激光先分光、起偏,然后分别进行调制,再合光成为包含两个正交偏振分量的激光束。声光调制器的振荡频率由石英晶振提供,频差值可达20 MHz,频率稳定性非常好,可以利用锁相放大器处理信号。其缺点是:稳频、调制、合光等环节使光强损失大,光学结构复杂,调整困难。因此必须寻求新的更简洁的、可用于高测速激光干涉测量系统的外差光源。

　　正是基于这样一种需求,本文介绍一种由偏振双反射膜双频激光器[9]构成的高测速激光干涉仪,测量速度可达1 000 mm/s,可以适应对现代数控机床,三坐标测量机等1 000 mm/s的运行速度进行测量的需要。

　　2　偏振双反射膜双频激光器

　　偏振双反射膜双频激光器结构如图1所示,由双反射膜双频激光管加横向磁场构成。

　　实验表明,横向磁场与激光管相对位置选择合适时,输出光为很好的正交线偏振光[10]。