资源描述：
《用于微振动测量的微型迈克尔逊干涉仪的构建》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第26卷第6期南 京 理 工 大 学 学 报Vol.26No.62002年12月JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyDec.2002用于微振动测量的微型迈克尔逊X干涉仪的构建XX孟迎军 华 敏(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094)摘要 该文介绍了一种用半导体激光器构建微型迈克尔逊干涉仪的方法。这种方法能应用于微振动的精确测量。实验证明,用这种方法构建的微振动传感器体积小、质量轻、价格便宜,并且具有很高的灵敏度和准确度。关键词 迈克尔逊干涉仪,振动传感器,微振动测量分类号 TH744.3,TN248.4[1,2]
2、将激光干涉仪应用于微小振动的测量可获得极高的准确度和灵敏度。传统干涉仪中的激光光源多为易于干涉的气体激光器,但是其体积大、驱动电源复杂等缺点限制了它的实际应用。相比较之下,半导体激光器具有驱动电压低、功耗小、体积小、幅度和频率调制方便、寿命长、价格低等众多优越性,但是半导体激光器形成干涉并不容易。另外激光二极管的发散角较大,平行于结的发散角最大为10°,垂直于结的发散角最大为40°,所以输出的光斑截面为一椭圆形,随着距离的增加衰减很快。本文着重从迈克尔逊干涉仪的设计入手,利用现有的可见光半导体激光器加一个会聚透镜,在短光程的条件下,构建出适合实际生产和使用的微型迈克尔逊干涉仪,并且得到了
3、明显可检的干涉条纹。文中设计的通过干涉条纹检测微小振动振幅和频率的检测电路,结构简单、性能可靠,经使用效果较好。1 迈克尔逊干涉仪的设计1.1 半导体激光光源特性笔者采用HDA4B型红色激光二极管,其峰值波长为670nm,阈值电流小于等于30mA,最大输出光功率5mW,由结平面发出一束发散光束,平行于结的发散角为10°,垂直于结的发散角最大为40°,出射光束的截面为一椭圆光斑。1.2 迈克尔逊干涉仪原理迈克尔逊干涉仪原理示意如图1所示,光源发出的光经分束镜分解为反射光1和透射X收稿日期:2002-02-28X国防科技预研行业基金资助项目XX孟迎军 男 52岁 副教授总第127期 孟迎
4、军 华 敏 用于微振动测量的微型迈克尔逊干涉仪的构建633光2,光束1垂直入射到平面反射镜M1后,沿原光路返回并且通过分束镜到达观察屏。光束2垂直入射到平面反射镜M2后,沿原光路返回并且通过分束镜反射后到达观察屏,与光束1重合。由于2束光线的频率、偏振方向、初始相位都相同,2光束的光程差仅取决于它们分别所经的路径L1和L2。只讨论M1和M2完全平行情况下的干涉,2光束的光程差为Δ=2n(L2-L1)。2列平面波的基本干涉公式为图1 半导体激光迈克尔逊2π干涉仪原理图I=I1+I2+2I1I2cos(Δ)λFig.1Schematicofsemiconductor式中,I1和I2分别为2光
5、束的光强。此式表明观察laserMichelsonsInterferometer屏上的光强随光程差即2臂长度差而周期地变化。若固定L1,则当L2改变半个波长时,干涉条纹明暗交替一次。由于选用短焦距的凸透镜,该干涉系统可以做得很小,并能获得良好的干涉效果。半导体激光器本身发散角较大,每路光束在屏幕上都形成一个光斑,调整2束光斑重合,在光场中即可得到干涉。干涉条纹可用光敏器件检测并由后继电路进行处理。1.3 测微振动系统灵敏度与最小检测信号分析传感器的噪声决定了传感器的最小探测信号,低于噪声水平的测量值不能被检测[3]到。最小检测信号(MDS)定义为当输出产生与均方根噪声相等的变化量时,输入
6、端对应的变化量,记为M。另一个重要特性是灵敏度S(X),定义为检测量(ΔX)变化一个单位所引起的传感器输出ΔWout(X)的变化,表示为ΔW(X)outS(X)=(1)ΔX显然,M与S(X)是相关的:NrmsΔXNrmsM==(2)ΔWout(X)S(X)式中,Nrms为均方根噪声。迈克尔逊干涉法中使用的光敏器件通常的检测电流Id由3个分量组成:光电流IPC、暗电流Idark和背景电流IB。即Id=IPC+Idark+IB其中,IPC=ηqPΓG/(2hγ),η为量子效率;ΓG为检测器增益;P为入射光功率;hγ为光子能量。噪声电流为1/2ΔId=(2qIdΓGFBm)式中,F为噪声因子,
7、Bm为测量仪器的带宽。则光学传感器的灵敏度为dIdSo=
8、
9、IddxdP取Id正比于P,P0为位移为0时到达光敏器件的功率,可近似地写为So=
10、
11、。P0dx对迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹进行检测,假设具有全条纹可见的情况下,其灵敏度634南 京 理 工 大 学 学 报 第26卷第6期与最小检测信号分别为π2πSm=sin(X)λλ(3)1/2M=λ[2qΓGFBm/Id]/π当Sm取最大值,即X=mλ+λ/4,m为整
