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激光干涉仪的原理分类应用

发布时间:2019-08-08 14:24 来源:未知 编辑:admin

  激光干涉仪是以激光波长为长度计量基准的高精度测量仪器,随着双频激光干涉仪的出现,因其具有性能稳定、检测精度高及数据可靠性好等优点,已成为高精密机械生产中校准及补偿的标准仪器,在机械制造、金属切削加工及航空航天等领域得到了广泛的应用。激光干涉仪有单频和双频之分,单频激光干涉仪受环境因素影响较大,一般用于特定环境的实验室。双频激光干涉仪应用频率变化来测量位移,对由光强变化引起的直流电平变化不敏感,抗干扰能力强,广泛应用于各种工况下。

  激光干涉仪通常采取迈克尔逊干涉仪形式,由于反射器的作用,直接接收的脉冲当量为λ/2(约0.3μm),对于精密测量来说,显然是不够的。如何提高激光干涉仪系统的...[查看全部]

  激光干涉仪以光波为载体,具有测量精度高、测量速度快、测量范围大、最高测速下分辨率高等特点,其光波波长可直接对米进行定义并溯源至国家标准。因此,激光干涉仪广泛应用于数控机床、PCB钻孔机、坐标测量机、位移传感器等精密仪器的质量控制与校准以及科研开发、高端设备制造等领域。

  激光干涉仪发射单一频率光束,光束射入线性干涉镜后分成两道光束射向反射镜,这两道光束再反射回到分光镜,最后重新汇聚返回激光干涉仪。若光程差没有变化时,激光干涉仪会在相长性和相消性干涉的两极之间找到稳定的信号。若光程差有变化时,这些变化会被计算并用来测量两个光程之间的差异变化。

  当高压连接在阳极和阴极之间时,混合气体被激发,形成激光光束,通过放大激光光强使一些光透射出来成为输出激光光束。其中,为实现平衡状态,通过加热器控制激光管长度让激光稳频的精度保持在±0.05ppm以内,此时稳定输出后,激光器即可进行干涉测量。如今大多数现代位移干涉仪都使用氦氖(HeNe)激光管,这些激光管具有633纳米的波长输出。

  激光器的频率、功率、稳定性、可靠性、光束质量及寿命等指标参数,都关系着激光干涉仪的最终性能。其中激光频率是激光干涉仪最基本的参数,其频率(波长)的准确性和稳定性是激光干涉仪测量精度的保证。

  1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器,从此开始了光学技术飞速发展的新时代。从此,激光干涉测量被广泛地用于长度、角度、微观形貌、转速、光谱等领域,并和微电子技术、计算机技术集成,成为现代干涉仪。

  1982年Binning和Rohrer研制成功扫描隧道显微镜,1986年发明原子力显微镜,1986年获得诺贝尔奖。从此开始了干涉仪向纳米、亚纳米分辨率和精度前进的新时代。

  由于激光具有极好的时间相干性,自问世以来,已研制出多种激光干涉仪:单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、

  由于激光具有极好的时间相干性,其相干距离可以达到数公里,所以自激光问世以来,以激光为光源的激光干涉仪一直被人们所关注,其应用范围不断扩展,激光干涉仪技术也不断发展,出现了各种形式的激光干涉仪。

  单频激光干涉仪是最早出现的激光干涉仪系统,但是由于直流漂移的影响,多用于实验室的专用设备中,在相当时期内没有推广到现场使用。

  下图是一种带有补偿的单频激光干涉仪,线成为圆偏振光,在偏振分光器PBS的分光面上分解为P、S二个分量,在动镜M移动时,P光产生多普勒频移Δf,S光频率不变,2束光返回后经1/4波片Q2成为带有干涉信息的旋转线偏振光,为检偏器,其光轴方向依次相差45°,干涉信号由光电接收器接受并输入到运算放大器。

  D1、D2、D3接受的三路信号相位依次为0°、90°、180°,它们对应的光程是完全一致的,有效地补偿了由于测量距离过长引起的信号衰减和各类干扰。

  单频激光干涉仪的测量速度在原理上没有限制,主要取决于放大器的带宽和电子器件的速度。

  用于单频激光干涉仪的稳频方法主要有Lamb凹陷法和双纵模稳频法,Lamb凹陷法根据由于增益介质的增益饱和,使激光器的输出在中心频率处出现凹陷的特点,利用压电陶瓷来控制腔长,这种方法多用于使用环境较好的系统;双纵模稳频法利用控制激光输出的二个纵模强度来控制腔长,由于模式竞争,二个输出纵模取相互垂直的偏振状态,抑制其中一个偏振,从而得到单频激光,是目前常用的单频稳频方法。

  全内腔激光器置于磁场中,Ne原子的能级发生塞曼分裂,当磁场轴向放置时,激光器的输出为具有一定频差的两个方向相反的圆偏振光,而在磁场横向放置时,激光器的输出为具有一定频差的两个偏振方向相互垂直的线偏振光,以这样的光源构成的双频激光干涉仪原理如下图,光电探测器D

  激光干涉仪具有快速、高准确测量的优点,是校准数字机床、坐标测量机及其它定位装置精度及线性指标最常用的标准仪器,掌握一些激光干涉仪的使用技巧会使测量互作事半功倍。

  用激光干涉仪进行线性测量时,Z轴测量时激光光路的准直相对X、Y轴准直来说,要困难的多。尤其是在Z轴距离较长的情况下,要保证激光光束经反射镜反射后回到激先探测器的强度满足测量对对光强的要求,准直激光光路往往需要很长时间。

  Z轴激光光路快速准直方法具体调整方法如下:Z轴置于低处,利用激光器外壳中部的瞄准槽,正对Z轴放置分光镜,左右移开Z轴,观察激光光路,保证激光转向后大致平行于Z轴,左右移回Z轴放置线性反射镜及光靶(可以盖在反射或分光镜上以帮助入眼瞄准及控制光路的靶),激光打在反射镜光靶上。

  激光干涉仪初步调整后,固定分光镜并在分光镜上安装光靶,通过“整体”调整精确瞄准光靶后,取下分光镜光靶,将Z轴升高,观察激光在反光镜光靶上偏离程度,同时透过“尾部”调整使激光对准反光镜光靶,若在此过程中因“尾部”的调整导致分光镜遮挡了部分激光,则将Z轴停止上升回到起始处,重新调整“整体”,再次对准反射镜光靶。紧接着再升Z轴,继续调整“尾部”,观察激光在反光镜光靶上偏离程度。重复整个过程,往往几次即可达到准直要求。

  虽然激光干涉仪安装组件比较齐全,但在实际使用过程中还是需要另外配置一些辅助工具:

  部分机床工作台高度与地面是基本相平的,那么测量Z轴时,如果使用激光干涉仪原装三角架及云台安放激光器于地面,则肯定会因为三角架本身的高度,损失测量范围。

  磁性表座是激光干涉仪常用的辅助工具,选择时需要注意,表座工作面上需有螺孔以配合安装镜组安装杆,主磁性吸面位于底面和侧面的表座各选择两个(实验室或工厂多采用的是主磁性

  激光干涉仪通常采取迈克尔逊干涉仪形式,由于反射器的作用,直接接收的脉冲当量为λ/2(约0.3μm),对于精密测量来说,显然是不够的。如何提高激光干涉仪系统的分辨率是激光干涉仪中的重要技术,有多种激光干涉仪的细分方法,概括起来为光学细分和电子细分两大类。

  所谓激光干涉仪的光学细分方法是指利用动臂光路的多次反射而实现的细分方法,细分数是光束在动臂中往返次数的2倍。如在迈克尔逊干涉仪中,光束在动臂中往返1次,实现了光学2细分,分辩率为λ/2。

  光学细分是以牺牲激光干涉仪的测量速度为代价的,光学细分数即激光干涉仪测量速度降低的倍数,在HP系统中使用HP10716A高分辩率激光干涉仪的测量速度由700mm/sec(HP5529A)降到175mm/sec,此外光学细分的结构也过于复杂,难以实现高倍细分,因此电子细分是激光干涉仪的主要细分方法。

  在单频激光干涉仪中,光电接收器接收的2个相位差90°是电子细分和辨向的基础,将这二个信号整形、反向后,用取沿口的办法可直接得到4细分的信号(A/8)。对于高倍细分,一般采用微机细分的方法,将正弦和余弦信号经A/D转换为数字量,利用正弦信号的符号、余弦信号的符号和正弦信号与余弦信号的相对大小这样三个判断条件,将一个干涉信号的周期分为8个45°的区间,软件首先判断即时干涉信号所属的区间,然后将正弦和余弦信号相除,得到正切或余切值,以此值查表(反正切表或反余切表),得到此时的干涉信号相位值,达到细分目的。若按11.25°间隔制表,可达到32细分,在标准的迈克尔逊干涉仪中,分辩率达到10nm。

  基于声光频移的双频激光干涉仪在测量过程中,测量方波的上升沿连续采样三角波,并经A/D转换为数字量,一套附加电路判断三角波的上升或下降沿,并

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