文/嚴(yán)建偉，舜宇集團(tuán)
現(xiàn)代激光干涉儀有機(jī)地結(jié)合了現(xiàn)代物理學(xué)理論和激光應(yīng)用技術(shù)的特定產(chǎn)物，經(jīng)過無(wú)數(shù)科技工作者不斷的完善，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域。
激光干涉儀按原理可分為單頻激光干涉儀和外差激光干涉儀；按應(yīng)用場(chǎng)景、使用功能可分為X射線干涉儀、F-P干涉儀、單頻激光干涉儀、雙頻激光干涉儀和半導(dǎo)體激光干涉儀。
X射線干涉儀
X射線干涉儀用于晶體缺陷方面的檢測(cè)研究，測(cè)定晶體參量、晶體結(jié)構(gòu)因子等基本參數(shù)，測(cè)定X射線的折射率、波長(zhǎng)、伯格斯矢量、阿伏伽德羅常數(shù)。監(jiān)測(cè)晶體缺限引起的晶體點(diǎn)陣中的微小角偏轉(zhuǎn)、微小點(diǎn)陣參量失配。
X射線照射晶體，散射的電子在相鄰散射線程差為波長(zhǎng)整倍數(shù)的方向上產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)X射線衍射線。當(dāng)入射角非常小時(shí)（≤20’），產(chǎn)生全反射。
二晶、三晶透射型干涉儀均是分束器S將通過晶體的X射線，分成相干的直射束和衍射束，經(jīng)過M鏡面將光束合，在分析器A形成駐波干涉條紋。分析器將駐波干涉條紋放大 為X射線疊柵條紋，通過疊柵條紋的微小變化，進(jìn)行高精度有效檢測(cè)（見圖1）。
圖1：二晶干涉儀(左)和三晶干涉儀（右）示意圖。
采用COXI系統(tǒng)的X射線干涉儀，檢測(cè)研究 NPL（英國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）的JAMIN型差動(dòng)平面 鏡光學(xué)干涉儀，利用與X射線干涉儀的對(duì)準(zhǔn)，校準(zhǔn)測(cè)量傳感器位移，光路結(jié)構(gòu)見圖2。X射線干涉儀是測(cè)量亞納米級(jí)別的高效計(jì)量工具。
圖2：NPL JAMIN型干涉儀結(jié)構(gòu)及與X射線干涉儀結(jié)合對(duì)準(zhǔn)。
F-P干涉儀
作為光譜儀，F(xiàn)-P干涉儀具備優(yōu)質(zhì)色散、色分辨率、自由光譜范圍，用于超精細(xì)結(jié)構(gòu)的譜線分析、濾光器的選頻作用(見圖3)。
圖3：F-P腔（a）和多光束干涉（b）。
F-P干涉儀可用于各類廣泛的傳感應(yīng)用。
（1）應(yīng)變傳感器
光纖F-P腔傳感頭，存在腔長(zhǎng)與相位、光強(qiáng)之間變化，可用于航天工程、建筑工程、大型橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施。
（2）微位移傳感器
具有高分辨率、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、防爆特性，是應(yīng)變、壓力、振動(dòng)加速度、 流量的測(cè)量基礎(chǔ)。通過將F-P腔腔長(zhǎng)的微小變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)直接快速地對(duì)待測(cè)目標(biāo)的微位移進(jìn)行測(cè)量。寬帶光源，經(jīng)F-P后干涉后，呈梳妝波（見圖4），根據(jù)相鄰波峰的中心波長(zhǎng)與F-P腔長(zhǎng)的關(guān)系，能夠精確實(shí)現(xiàn)位移的絕對(duì)測(cè)量，精度為納米級(jí)。
圖4：F-P測(cè)量系統(tǒng)。
（3）聲發(fā)射傳感器
聲發(fā)射是當(dāng)材料處于變形、斷裂時(shí)，材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生出瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象， 強(qiáng)度很弱，需通過相應(yīng)儀器測(cè)定。F-P干涉儀的聲發(fā)射傳感器可用于以下領(lǐng)域：
石油化工工業(yè)：各類容器、閥門的檢測(cè)；
電力行業(yè)：變壓器放電、高壓容器、汽輪葉片、汽輪機(jī)運(yùn)行軸承、鍋爐泄漏等檢測(cè)；
材料試驗(yàn)：材料性能及斷裂、疲勞、磨擦試驗(yàn)；
航天航空：航天器結(jié)構(gòu)、新型材料的疲勞、時(shí)效試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、殼體斷裂探測(cè)，變速箱過程檢測(cè)；
金屬加工：工具磨損、斷裂探測(cè)，加工過程中的焊接、振動(dòng)、鍛壓測(cè)試；
交通運(yùn)輸：鐵路材料和結(jié)構(gòu)的裂紋探測(cè)，車輪、軸承斷裂探測(cè)；
聲發(fā)射傳感器還能檢測(cè)結(jié)構(gòu)件的疲勞及缺限，監(jiān)測(cè)焊接、腐蝕過程、金屬加工過程探測(cè)。
F-P干涉儀的聲發(fā)射傳感器EFPI傳感頭見圖5。
圖5：F-P干涉儀的聲發(fā)射傳感器EFPI傳感頭。
（4）微弱磁場(chǎng)傳感器
基于F-P干涉儀的微弱磁場(chǎng)傳感器，具有抗振、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度好、分辨率高等特點(diǎn)，廣泛用于軍事制導(dǎo)、獵潛、醫(yī)學(xué)工程、地質(zhì)探礦等領(lǐng)域。將F-P腔的反射面與磁致伸縮材料連在一起，由磁致伸縮引發(fā)F-P腔長(zhǎng)變化，構(gòu)成F-P干涉儀的高精細(xì)度弱磁傳感器結(jié)構(gòu)（見圖6）。
圖6：基于F-P干涉儀的高精細(xì)度弱磁傳感器結(jié)構(gòu)。
除了上述應(yīng)用外，F(xiàn)-P干涉儀還可以用于溫度傳感器、加速度傳感器等廣泛的傳感領(lǐng)域。
單頻激光干涉儀
激光器發(fā)射出來(lái)的光束，擴(kuò)束準(zhǔn)直后，經(jīng)分光鏡形成兩路光束。再經(jīng)固定反射鏡、可移動(dòng)反射鏡反射后，在分光鏡上合成產(chǎn)生相應(yīng)的干涉條紋；經(jīng)由相應(yīng)的光電器件，按干涉條紋的光強(qiáng)度變化將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；經(jīng)過信號(hào)的放大整形后，輸入可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)算出總脈沖數(shù)；按相應(yīng)的計(jì)算規(guī)則，即可測(cè)算出可動(dòng)反射鏡的位移量（見圖7）。該系統(tǒng)對(duì)測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定性有一定要求，目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)是系統(tǒng)帶上補(bǔ)償單元。
圖7：?jiǎn)晤l激光干涉儀原理圖。
激光干涉儀具有測(cè)量范圍大、測(cè)速快、高精度、高分辨率等特點(diǎn)，當(dāng)與其他光學(xué)組件有效組合，可完成進(jìn)行直線度、平面度、垂直度、角度等幾何指標(biāo)的測(cè)量。結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 在相關(guān)應(yīng)用軟件和模式的支持下，可完成數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)測(cè)量，如滾珠絲桿、導(dǎo)軌組件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量分析。機(jī)床振動(dòng)、機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)特性的測(cè)試分析，為數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)修正誤差提供相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，有效保證數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的精度、設(shè)備正常生產(chǎn)使用率。
斐索型激光干涉儀（見圖 8）是一種高精度、共光路面形計(jì)量干涉儀，其融合了機(jī)械相移技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、高性能的光電成像系統(tǒng)、振動(dòng)補(bǔ)償軟件、非球面測(cè)量技術(shù)、波紋抑制技術(shù)等，數(shù)控步進(jìn)聚焦，測(cè)量時(shí)對(duì)干涉腔長(zhǎng)進(jìn)行精確調(diào)制，能對(duì)樣品細(xì)微面形、光學(xué)元器件的平面、球面面形和透射波陣面提供快速、高精度干涉測(cè)量，具有高精確度及重復(fù)性，相干長(zhǎng)度＞100m，成像分辨率1000×1000像素。
目前實(shí)際可測(cè)量玻璃、塑料光學(xué)元件、平面、透鏡、棱鏡、精密合金件、拋光件、陶瓷、接觸鏡、電腦磁盤、軸承和封接面等。索型激光干涉儀和位移干涉儀組合形成非接觸、快速、高精度的非球面3D測(cè)量激光干涉儀。
圖8：斐索型激光干涉儀。
雙頻激光干涉儀
加有微弱軸向磁場(chǎng)（約0.03特斯拉）的氦氖激光器，因塞曼效應(yīng)、頻率牽引效應(yīng)，產(chǎn)生出不同頻率、旋向相反的兩束圓偏振光。當(dāng)通過1/4λ波片后形成相互垂直的兩束線偏振光，經(jīng)分光鏡分成兩路光束，一路經(jīng)偏振鏡1形成f1-f2參考光束。另一路經(jīng)偏振分光棱鏡后繼續(xù)拆分為兩路光束，一路為f1光束，另一路由可動(dòng)反射鏡反射后成為f2±△f光束。經(jīng)偏振片2合成后，成為f1-(f2±△f)的測(cè)量光束，由相應(yīng)的光電器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。經(jīng)放大整形后，通過減法器，輸出±△f的電脈沖信號(hào)，經(jīng)可逆計(jì)數(shù)后，按相應(yīng)計(jì)算規(guī)則，可測(cè)得反射鏡的位移量。
該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，光信號(hào)與電信號(hào)變化時(shí)，相互影響小，常用于各類機(jī)、電測(cè)量系統(tǒng)，完成高精度直線度、平面度、微小角度的測(cè)量，原理見圖9。
圖9：雙頻激光干涉儀原理圖。
雙頻激光干涉儀的光電探測(cè)器系統(tǒng)獲取的是光頻變化信號(hào)，并以此來(lái)計(jì)算位移量。
在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上，通過外差式形成雙頻激光干涉儀，以波長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)量被測(cè)長(zhǎng)度，完成相應(yīng)的幾何測(cè)量。可檢定坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、量塊、量桿、刻尺、光刻微定位、存儲(chǔ)器記錄槽距等。通過與其他有效光學(xué)器件的組合，可實(shí)現(xiàn)線性、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等幾何測(cè)量，廣泛用于高精度位移測(cè)量、數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)機(jī)、光學(xué)平臺(tái)校準(zhǔn)測(cè)量。雙頻激光干涉儀的系統(tǒng)精度可達(dá)±0.4ppm，分辨率0.6nm，可多軸路同步測(cè)量（見圖10、11）。
圖10：X、Y、Z 三方向同測(cè)位移量。
圖11：垂直方向上測(cè)位移、偏擺、俯仰角。
半導(dǎo)體激光干涉儀
半導(dǎo)體激光器具有體積緊湊、低電壓、低功耗、使用方便的特點(diǎn)，由于激光二極管的發(fā)散角較大，輸出光斑為橢圓狀，傳輸過程衰減明顯。其與傳統(tǒng)干涉儀（如邁克耳遜干涉儀）結(jié)合，在短光程條件下能實(shí)現(xiàn)干涉效果，實(shí)現(xiàn)微位移、微振動(dòng)量的精確測(cè)量（見圖12）。激光光源通過短焦距透鏡，匯集發(fā)散光源，分束鏡A固定于焦距內(nèi)，M1、M2反光鏡放置于焦距附近，光路保持同軸性，經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)微調(diào)，屏上出現(xiàn)等傾干涉條紋。
圖12：半導(dǎo)體激光干涉儀原理圖。
通過干涉條紋的變化，由光敏器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化位電信號(hào)，經(jīng)相關(guān)電力系統(tǒng)處理，可進(jìn)行高精度、微小微移量的精準(zhǔn)測(cè)定，檢測(cè)微小振動(dòng)振幅和頻率，實(shí)現(xiàn)邁克耳遜干涉儀的微、 小型化。
半導(dǎo)體激光光源搭載傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)，綜合光學(xué)、物理、醫(yī)療生化、精密機(jī)械、光電子學(xué)、 信號(hào)處理等技術(shù)，具有非接觸、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)確度高的特性。融合外差干涉系 統(tǒng)、光纖傳輸、光電探測(cè)器件、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制應(yīng)用的軟件系統(tǒng)，與F-P腔結(jié)構(gòu)組合制成高精度壓力測(cè)量系統(tǒng)及各類光纖傳感器，可有效測(cè)定位移、壓力、速度、液位、角速 度、振動(dòng)等物理量。
該類光纖傳感器具備抗干擾、耐腐蝕、響應(yīng)快、高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，形成應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)半導(dǎo)體激光光源也在不斷改進(jìn)，采用分布反饋（DFB）、分布布喇格光柵（DBR）半導(dǎo)體激光器提高光源的穩(wěn)定性、單色性，保證干涉效果。
結(jié)語(yǔ)
激光干涉儀系統(tǒng)得到的數(shù)字化干涉圖，通過移相干涉術(shù)、波面求解算法，提取波面信息， 數(shù)字波前分布，分析出光學(xué)元器件的誤差參數(shù)。通過光學(xué)系統(tǒng)測(cè)定出光學(xué)元件的像差分量、PV面形值及RMS值、平晶夾角、棱鏡角度誤差、材料折射率及均勻性、棱鏡二面角 偏差等參數(shù)，經(jīng)過相關(guān)波面求解計(jì)算得到PSD功率譜密度、MTF調(diào)制傳遞函數(shù)、GRMS梯度均方根值等有效參數(shù)值。未來(lái)向?qū)挷ǘ?、瞬態(tài)高速測(cè)量、高空間分辨率、高相位分辨率方向發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
1.錢瑞海 孟迎軍. 半導(dǎo)體激光干涉儀在微振動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用. 南京；南京理工大學(xué) https://www.docin.com/p-937439030.html
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