双频激光干涉仪的原理与应用_一_.pdfVIP

崔1 _ 具技术 洲 双 频 激 光 干 涉 仪 的 原 理 与 应 用 (一 ) 机械部成都工具研究所 (61 0 0 5 6) 羡一民 【编者按】 双频激 光干涉仪是在单频激 光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪 。 被测信号载 波在一个固定频差上 整个系统成为交流 系统 , 大大提高了抗干扰能力 , 特别适合现场条件下使用 。 仪器 与不同光学部 件组 合 . 可测且长度 、 角度 、 速度 、 直线度 、 平行度 、 平面度 、 垂直度等 , 寮有 “ 小型计t 室 ” 之 称 。 本讲座以成都工具研究所生产的 M拐 双频激光 干涉仪为例 , 介绍双频激光 干涉仪的原理 、 精度及应 用 。 讲座共分三部分 : 一 、 双频激光 千涉仪的原理及精度 ; 二 、 双频激光干涉仪在机床检定中的应用 ; 三 、 双 频激光干涉仪的其它应 用 。 本期刊登第一部分 。 一 、 双频激光干 涉 .:1 的 原理及精度 (一 )双频激光干涉仪的工作原理 图 1 双频激光干涉仪工作原理框 图 图 1 为双频激光干涉仪原理图 。 单模激光 器 1 置于纵向磁场 2 中 , 由于 塞曼效应使输出 激光分裂为具有一定频差 (约 1一 2入任七 ) , 旋转 方向相反的左 、 右圆偏振光 , 双频激光干涉仪就 是 以这两个具有不同频率 (关 , 勿的圆偏振光作 为光源 。 左 、 右圆偏振光通过 刀 4 波片 3 后成为相 互垂直的线偏振光 (五垂直于纸面 , 人平行于纸 面 ) , 析光镜 4 将一小部分光反射 , 经过主截面 45 。 放置 的检偏 器 6 , 在 C 处 由光 电探测 器接 收 , 接收信号经前置放大整形电路 8 处理后 , 作 为后续电路处理的基准信号 。 通过析光镜 4 的光经扩束器 5 扩束后射向 偏振分光镜 9 , 偏振分光镜按照偏振光方 向将 五 和 关 分离 , 偏振方 向平行于纸面 的 人 光透 过偏振分光镜到测量反射镜 1 1 。 当测量反射镜 移动时 , 产生多普勒效应 , 返 回 光频率变为 关 士刃几4 厂为多普勒频移量 , 它包含了测 量反 射 镜的位移信息 。 返回 的 五 , 人士 A厂光在偏振分光镜再度汇 合 , 经反射镜 12 、 主截面 45 ” 放置的检偏器 13 在 A 处由光 电探测器 14 接收 , 接收信号经前 置放大整形电路 15 处理后 , 作为系统的测量信 号 。 我们讨论一下 C 、 A 两处的光强情况 。 设 C 处 关 , 人两束光的波动方程分别为 几二凡 leo s 27tA t ( l) 凡 = 及 Z co s Z顽 t (2 ) 其合成振幅为 E = El + 凡 = 及 leo s2 7rL t+ 瓜 Ze os Z顽 t (3 ) 光强 函数为 几一。一冬(冯 , + 及 )十孕 c 、顽 : + 驭os4 响 乙 乙 乙 + 及 1 凡式韶 2武人十人)t + 及 l 场‘ 0 5 2城 fz 一关)t (4 ) 由于光电探测器的频响限制 , 实际接收光 强为 、一 含 〔、 1十场, 十“ l “、 0 52 二(人一五, “ 5 , 同理 , 可 以计算 A处光 电探测器的接收光强为 、一 合 (。 1十二 2 , + “ d 凡、os2 7r (人一人士“ (6 , 从式 (5) 和式 (6) 可见 , C 处的接收信号为 一 一 , 、 ~ 1 , ~ . ~ 、 ~ 一 一 一 。 一 直 流 分 量 资 (及 , + 嵘 2 ) 与 一 交 流 信 号 一 “ ,“ ~ ~ 2 、 一~ ’ 一~ ‘ 碑 ~ p .“ ’H 及 , 肠 Z co s2 7t (人一五)t 的叠加 , 这一信号经由交 流放大器和过零触发器组成的前置放大整形电 路处理后 , 输出一组频率 为 (无一五)的连续脉 冲 ; 同样 , A 处的接收信号经放大整形后 , 输 出 一组频率为(人一五)士军的连续脉冲 。 19 9 6 年 第 3 0 卷 脚 4 图 1 中减法器的作用就是实现这两组连续 脉冲的相减 , 即 士 4 了三【(人一关)土刃」一 (人一人) (7 ) 在激光干涉仪中 , 测量光束的光程变化为 测量反射镜位移的 2 倍 , 多普勒效应可用下式 表示 4f= 誉 式中 , C 为光速 , V 为测量反射镜 的移动速度 , f 为光频 。 设测量长度为 L , 则有 rt _ _ . f’。危 . , 「 ‘ . , . L ~ J O vdt = J · 方 dt = 万 J 。 圳 又, , 几为激光在测量时刻的波长值 , 频 率的时 间积分为周期数 N , 所 以上式可化为 气压 户一 10 1 32 5Pa (7 6 0 1llln H宫