用球面共焦Fabry-Perot干涉仪测量微振动

　　微振动测量广泛应用于航天、航空和精密加工测试等领域.光学非接触法测量微振动不同于传统测振手段,它是一种彻底的非接触测量,测量系统与被测件之间没有任何机械接触,这样能更好地、且更真实地获得被测信息;测量系统同被测件之间的距离可以较长,这样可以实现对高温、有毒和腐蚀性的物体进行检测,拓宽了测试领域;激光干涉仪有很高的频响,并可以获得从几kHz到100 MHz的平坦响应区间;此外,光束原则上讲可以汇聚成一个有限大小的点,这样可以获得较高的空间分辨率,这种方法易于实现连续、快速、自动化检测.

　　通常把光学法测量微振动分为两类:一类是光学非干涉法,如狭缝法、刀刃法等;另一类为光学干涉法,包括偏振干涉法、外差干涉法和多光束干涉法等.由于光学干涉法的灵敏度高,被广泛应用于高精度的微振动测量.Fabry-Perot干涉仪是典型的多光束干涉仪[1,2],在进行固体表面微振动测量方面,球面共焦Fabry-Perot干涉仪仅对固体表面的振动速度敏感,对环境的振动反应不灵敏,而且可同时接受多个散射光斑,有较强的集光能力,因此,适合于工业现场对粗糙表面超微振动的测量.此外它保留了灵敏度高易于调整的特点[3].

　　本文采用球面共焦Fabry-Perot干涉仪组成的测量系统进行固体表面超微振动的测量,设计了腔长0.5 m、带宽5.9 MHz的Fabry-Perot干涉仪.通过实验,测出5 MHz脉冲压电换能器产生的微振动波形.在实验过程中发现,干涉仪的谐振腔长易受环境温度、振动、机械结构变形等因素影响,使干涉仪的输出产生漂移.为了克服这一缺点,设计了一套光学反馈自动稳腔长系统,保证了干涉仪的稳定性,并使其工作点处于最佳位置.

　　1　系统构成及工作原理

　　球面共焦Fabry-Perot干涉仪是由两个相同的相对放置的球面镜组成,两球面镜的间距为球面镜的曲率半径,球面镜内表面镀有高反射率的反射膜.如图1所示.干涉仪有两种透射光,一种是反射4m次(类型一),另一种是反射4m+ 2次(类型二),这里m= 0,1,2,…,则透射光干涉图样的强度公式可用两种类型表达.

　　可知,形成明条纹时位相差应满足δ(ρ,λ)=2kπ,其中k为整数.解得

　　当干涉仪处在共焦状态时,一般 ε ≤λ,中央条纹1∶1地成像于干涉仪中心对应的平面上,用一个线性探测器接收.镜间距每变化λ/4,干涉仪扫过Hz的自由光谱区,即一级条纹变成另一级条纹所需频率的变化量.图2为单一波长光在干涉仪中干涉后经线性探测器接收的透射光强分布.

　　自由光谱区Δvf为

　　条纹的半宽度(即干涉仪的带宽Δvm)为