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第三章、激光干涉测量 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行高精密测量的一门技术。20世纪60年代激光的出现，才使干涉测量技术得到了长足的发展。因为激光出现以前，所用以光源单色灯经过滤光片滤光作为单色光源，其相干长度只有几mm，且干涉条纹比较模糊，只能微小变化的测量。激光的出现，由于激光束的高亮度和很长的相干长度（He-Ne激光器，相干长度几十Km），使得干涉测量的测量精度、可测量长度都有了质的提高。激光干涉测量的应用范围很广，可用于长度、位移、角度、形状、介质折射率（通过折射率的变化还可以测量压力、温度等）变化。 激光干涉测量的原理就是将入射激光束分成两束，一束为参考光束，一束为测量光束，测量两束光的光程差。 本章主要介绍激光干涉长度测量、激光干涉微小间隙测量以及光纤干涉传感器所构成的温度、压力测量。首先介绍激光干涉长度测量。 §3.1 激光干涉长度测量 激光干涉测长的基本原理 干涉测长仪是一种利用“增量法”的测长仪器。最基本的测长仪光路采用Michelson(迈克尔逊)干涉仪，参考反射镜M1固定不动，目标反射镜M2与被测对象固联，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，因为两光束来自于同一相干光源（同一台激光器），两光束产生的干涉条纹也将发生明暗交替的变化（因为两反射镜M1、M2不可能完全垂直，故应为等厚干涉）。假设目标反射镜从M2移至，则二光束的光程差变化量为： （3-1-1） 当用光电探测器接收干涉条纹的明暗变化时，两光束的光程差每变化一个波长（），干涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数，n为介质折射率，在空气中，n~1，故。 激光干涉测长系统的组成 激光干涉测长系统主要由激光干涉系统和干涉条纹计数处理系统组成。 （一）、激光干涉仪系统 因为He-Ne激光器输出的激光频率和功率稳定性都较高，且价格低，经济实用，所以，一般以He-Ne激光器为激光干涉仪光源，在干涉测量光路中，为了确保出射光路与反射回的光路平行，大多采用直角棱镜反射器，典型的干涉仪光路图如下。 对于双棱镜光路a)，入射、反射光在空间上完全分离，可以避免反射光束返回激光器，其缺点是两块棱镜需配对加工，且加工精度要求很高，为此改进为b)单棱镜光路。为了提高测量精度，可以采用如图c)的双光程光路，这样在测量过程中，光程差的变化量，测量精度比传统的Michelson(迈克尔逊)干涉仪提高一倍。在提高测量精度的同时，也给光路调整带来了困难，为了既可以提高测量精度，又调整方便，可将多个光学元件组合在一起，这就形成了整体式光路布居d)。一个立方体分光器，部分表面镀以全反膜，整个系统的一体化，提高了抗干扰能力。 （二）、干涉条纹计数与测量结果处理 激光干涉测长仪采用电子计数时，为了提高测量精度，必须判别可移动目标反射镜的前进与后退，也就说仪器必须可逆计数。此外，为了提高仪器的分辨率，还要对干涉条纹进行细分。为了达到这些目的，干涉仪必须具有两个相位差为90o的信号输出，既两个电信号中，一个为正弦信号，另一个为余弦信号，这就需要在干涉仪光路中加入一个90o。 移相器 常用的移相方法有：机械移相法、阶梯板移相法、金属膜移相法、分偏振移相法。下边分别介绍。 机械移相法： 产生90o相移信号的最简单的方法就是将参考反射镜M1倾斜一定角度，当M1倾斜6‘’时，条纹间隔大约为10mm，调节两个光电接收器D1、D2的距离为条纹间距的1/4（10/4=2.5mm），便可得到相位差为90o的两个电信号。该方法的缺点是反射镜的微小失调都会改变条纹间隔，使输出信号的相位差发生变化，从而导致计数错误。阶梯板移相法 在参考反射镜M1上半边镀一层厚度为d的透明介质，产生λ/8的阶梯，使光束的左、右两部分光波场产生λ/4的初始相位差， 金属膜移相法 利用金属膜表面的反射与透射产生附加相位差的原理，在分束器BS的分光面上，作成金属膜分幅移相器，如图。移相程度取决于镀层的厚度及膜材料，若将所镀金属膜的厚度对应反射光束与透射光束产生45o的相位差，对于光电接收器D1，移相器产生的相位为，而光电接收器D2，移相器的附加相位为0，故D1与D2的相位差为90o。 分偏振法移相 入射光为线偏振光，偏振方向与光线所组成的平面成45o角（保证垂直和平行反射面方向的光矢量振幅相等，既所分成的两束光光强近似相等），在参考光路中加入λ/4波片（快轴与线偏振光的偏振方向成45o角），所以出射的参考光束为圆偏振光（位相差为90o，且振动方向相互垂直的两线偏振光的合成光）。而测量光束为线偏振光。原偏振光束与线偏振光束经合束器合束，入射屋拉斯棱镜，将圆偏振的参考光束和线偏振的测量光束均 分成相互垂直的线偏振光（水平偏振和垂直偏振），进行干涉产生干涉条纹，而参考光束所分成的两相互垂直的偏振光有相位差9