高精度单频激光干涉仪的设计与试验研究

　　0　引　言

　　对于实现纳米级精度位移测量的干涉仪来讲,需要具有高稳定性、高分辨率和高精度^[1]。通常情况下,单频激光干涉仪对测量环境条件要求较高,很容易受到环境温度、仪器本身的温度梯度、大地振动、外部的机械变形、电子和机械噪声或不适当的仪器设计的影响,其结果造成了对误差补偿技术的过分依赖,而补偿本身也有一定的精度限制,这就影响了单频干涉测量向纳米级精度的发展^[2]。因此,在对干涉仪进行机械结构设计、光学元件布局时,应该尽量使影响测量精度的各项误差由干涉仪自身予以抵消或补偿,从而保证系统的测量精度^{[3, 4]。}

　　1　8倍频光学系统的设计

　　本文提出了耦合差动干涉的方法,并研制了耦合差动式激光干涉仪系统。它类似于差动干涉,但又不同于已有的差动干涉的概念,即没有一个固定不动的参考镜,而是有2个安装在导轨滑架两端的测量镜,它们随滑架一起移动,使两路光的光程差发生变化,进而测量出位移量。图1所示为光学8倍频的耦合差动式干涉仪光路图。组成该干涉系统的光学元件,除立体直角锥棱镜2, 5固定在导轨滑架两端以外,其余的光学镜片均固定在主支架上。

　　干涉仪的工作原理如图1所示,氦氖激光器发出的激光经倒置的望远系统准直扩束后到达干涉仪,其光斑直径大约为3mm,该光束由立体分光镜1分成两束光,一路反射光经过立体直角锥棱镜2, 3多次反射,平移一段距离后返回立体分光镜1,形成一测量光束;另一路透射光,经平面反射镜4反射,到达立体直角锥棱镜5, 6,经过多次反射平移一段距离后回到直角棱镜4,再经反射回到立体分光镜1,形成另一路测量光束;两路光在立体分光镜1重新汇合,形成干涉,干涉光由平面反射镜7反射,被分光镜8分成两部分,由PIN—FET混合集成光电接收器来接收干涉条纹信号,获得相位差为90°的两路按正弦规律变化的干涉信号。

　　当导轨滑架移动时,一路光程增加,另一路光程减小,从而实现差动测量;由于每路光在每对直角锥棱镜之间往返两次,因此,可以产生λ/8的光学细分,即导轨滑架每移动λ/8,光电接收器输出信号就会变化一个周期,记录下信号变化的周期数,就可以确定被测位移。于是,便得到了这台耦合差动干涉仪测长的基本公式

　　式中　n为测量条件下的空气折射率;λ0为真空中氦氖激光波长。如果用计算机对干涉信号再进行200细分,则有

　　与普通的迈克尔逊干涉仪相比,本文所研究的干涉测量系统具有光程差倍增和耦合差动的特点,因而,可减小环境温度、湿度、大气压力的变化给测量带来的影响,使系统具有良好的耐环境变化的特性,具有较高的实用推广价值。