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1、激光原理小论文共光路移相单频激光干涉测长系统13光电付骥共光路移相单频激光干涉测长系统付骥1 引 言位相测量技术早在20世纪70年代就已被用于干涉计量中[1]。最初采用改变参考光程长度来获得空间干涉条纹图移相,Smythe和Moore利用1/2波片和1/4波片及偏振分束器(PBS)得到了理想的瞬时移相干涉信号[2]。Dorsey,Crosdale和Palum将偏振光移相技术应用于长度测量干涉仪中[3]。光路布局应用光程差放大技术;偏振光移相技术和A/D转换器以及高倍数的电子细分的使用极大地提高了干涉仪的测量分辨力[4,5]。但在高分辨力单频激光干涉仪中,光强“
2、零漂”带来的干涉信号的直流点漂移直接影响电子细分的精度。作者提出了一种单频激光干涉测长系统[6]:(1)利用偏振光移相及共模抑制技术,解决了光强“零漂”的问题;(2)采用参考光束和测量光束共光路设计布局,能有效地消除由于气流、气压、温度、湿度和外界振动等测量环境因素给测量带来的误差;(3)光路布局采用了光程差放大技术,提高了干涉系统的分辨力。在解决了原理构成的基础上,如何尽可能详尽地找出影响干涉系统测长精度的因素,从而在仪器的安装调试中获得理想的测长精度,这就成了使原理构成实用化和仪器化的关键。因而构建了一套实验光路布局,并对整个干涉系统进行了精度分析和精度测
3、试。同时还对测量误差进行了误差分离和系统误差修正。2 系统组成及测长原理干涉系统如图1所示。采用波长为632.8nm的稳频He2Ne激光器,功率为4mW。分束部分由PBS3和直角棱镜4组成。合束部分由1/2波片11,直角棱镜12和BS13组成。偏振光移相由1/4波片15和PBS16完成。激光器1发出的单模线偏振光经扩束准直系统2后变成平行光束,经分束部分变成两束振向相互垂直的两束线偏振光;测量光束(S光)经过1/2波片5变为P光,透过PBS6和1/4波片7后变为圆偏振光,经测量反射镜9反射后再次经过1/4波片7,圆偏振光变为线偏振光,振向改变90°变为S光,并
4、在PBS6分束面上反射,被入射到角锥棱镜10上;经角锥棱镜中的三面反射后,振向不变按原方向反射到PBS6分束面上,并再次被反射到1/4波片7和测量反射镜9上,而且又两次经1/4波片7后变成P光,返回后透过PBS6成为包含有测量光程r1的测量光束。参考光束重复测量光束的传播过程(所不同的是被参考镜8反射),透过PBS6后成为包含参考光程r2的参考光束。应用光波迭加理论,假定两光束的振幅为a,则从PBS6射出的两光束的振动方程为测量光束:E1=acos(kr1-ωt)(1)参考光束:E2=acos(kr2-ωt)(2)1—He2Ne激光器;2—扩束准直镜;3—PB
5、S;4—直角棱镜;5—1/2波片;6—PBS;7—1/4波片;8—参考平面镜;9—测量平面镜;10—角锥棱镜;11—1/2波片;12—直角棱镜;13—BS;14—偏振片;15—1/4波片;16—PBS。参考光束首先经过1/2波片11变为S光,然后与测量光(P光)在BS13汇合。一部分光束经偏振片14后产生干涉图样1,偏振片14的透光轴P1的方位如图2所示。其合振动方程(假定振幅不变)为E′=E1/2+E2/2=2acoskr1-kr22coskr1+kr22-ωt(3)令kr1-kr2=δ,则干涉图样1的光强为I1=(2acosδ/2)2=a2(1+cosδ)
6、(4)另一部分光束经过1/4波片15,波片快慢轴方位如图2所示。两线偏振光变为旋向相反的两圆偏振光,振动方程如下: 两圆偏振光入射到PBS16,由PBS的性质可知,光矢量沿x方向的P波分量透射形成干涉图样2,光矢量沿y方向的S波分量反射形成干涉图样3,光强分别为I2和I3。干涉图样2的合振动方程为式中,δ=K(r1-r2)为由测量光束与参考光束的光程差引起的空间位相差,三路干涉信号位相依次相差90°,从而实现了偏振光移相。测量光束两次射入测量反射镜,光程差得以放大两倍。测量反射镜每移动1/4波长,干涉信号光强改变一个周期。从干涉仪获得初位相为0°,90°和-9
7、0°的三路光干涉信号来看,经光电接收器接收并放大后,使0°和90°,0°和-90°信号分别输入两个比较器电路,生成两路错相90°的交变方波信号。首先将得到的两路交变方波信号输入四倍频及判向电路,然后推动可逆计数器计数,记录交变脉冲个数N,即得到测量反射镜的移动距离L=±Nλ/16。在干涉测长中,共光路布局中的非共模量带来的光强干扰难以补偿。例如空气湍流、机床油雾和切削屑等环境因素在测量光路中对测量光束光强的影响,而此种光强干扰对于三路信号的影响是相同的,在比较电路中属共模量,从而在比较器中被有效抑制。3 精度分析通过调整,保证干涉系统正常工作,并使得测量误差最
8、小。调整应达到两个目的:一是使得干涉图
