畢業(yè)論文---外差干涉測(cè)量?jī)x的研究

1、<p>　　外差干涉測(cè)量?jī)x的研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　外差干涉測(cè)量?jī)x又稱雙頻干涉儀或交流干涉儀，它具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于幾何量計(jì)量活動(dòng)。它是利用兩種不同頻率的單色光作為測(cè)量光束和參考光束，通過光電探測(cè)器的混頻，輸出差頻信號(hào)。同時(shí)被測(cè)物體的位移

2、變化引起的光波相位或頻率的變化載于此差頻上，經(jīng)解調(diào)即可獲得被測(cè)數(shù)據(jù)。本文便是根據(jù)外差干涉測(cè)量?jī)x的發(fā)展，對(duì)外差干涉測(cè)量?jī)x的原理、應(yīng)用及其在測(cè)量微小位移方面的原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹和軟件模擬。</p><p>　　關(guān)鍵詞：外差干涉測(cè)量?jī)x，單頻激光干涉儀，測(cè)距，激光，聲光調(diào)制器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　H

3、eterodyne interferometer, also known as dual frequency interferometer or AC interferometer, has a high precision, wide range of applications, the ability to adapt to the environment, higher real-time dynamic velocimetry

4、and other unparalleled advantages. And that makes it become the main force of geometrical measurement activities. Heterodyne interferometer uses two different frequency of monochromatic light as the measuring light beam

5、and reference beam, by the mixing of the photoelectric dete</p><p>　　Key words: heterodyne interferometer, a single wavelength interferometric measurement, distance measurement, laser, acousto-optic modulato

6、r</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>　　第一章 簡(jiǎn) 介1</p&g

7、t;<p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.1.1發(fā)展背景1</p><p>　　1.1.2發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 外差干涉測(cè)量?jī)x的主要特點(diǎn)2</p><p>　　1.3 本文的研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第二章 外差干涉測(cè)量?jī)x

8、原理4</p><p>　　2.1產(chǎn)生具有微小頻差的雙頻的原理4</p><p>　　2.1.1聲光調(diào)制器4</p><p>　　2.1.2磁光調(diào)制器10</p><p>　　2.1.3電光調(diào)制器10</p><p>　　2.1.4光學(xué)機(jī)械頻移12</p><p>　　2.1.5雙縱

9、模He-Ne激光器12</p><p>　　2.2本課題選擇聲光效應(yīng)產(chǎn)生雙頻的原因13</p><p>　　2.3外差干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量位移的原理13</p><p>　　2.2.1利用位相差測(cè)量位移13</p><p>　　2.2.1利用頻差測(cè)量位移15</p><p>　　第三章 軟件模擬16</p&

10、gt;<p>　　第四章 主要應(yīng)用與前景展望20</p><p>　　4.1主要應(yīng)用20</p><p>　　4.1.1外差干涉測(cè)量?jī)x在精密定位中的應(yīng)用20</p><p>　　4.1.2光學(xué)外差干涉法檢測(cè)微弱超聲振動(dòng)21</p><p>　　4.2前景展望22</p><p><b>

11、;　　總結(jié)24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　第一章 簡(jiǎn) 介</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p>

12、;<p>　　隨著20世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn)，幾何量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展步入了嶄新的時(shí)期。激光的時(shí)間和空間相干性好、亮度高和方向性好,因而測(cè)量中激光技術(shù)的應(yīng)用使得其不僅具有更高的靈敏度和精度,而且測(cè)量范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,測(cè)量速度進(jìn)一步加快。雖然單頻激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)具有高精度、寬頻帶、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，并且在檢測(cè)多種幾何尺寸、精度方面廣泛應(yīng)用[1]，然而單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號(hào)以及光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)都是直流量。而直流

13、漂移是形成測(cè)量誤差的重要原因，并且使得信號(hào)處理及細(xì)分都比較困難。</p><p>　　而采用雙頻光源的外差干涉儀，利用兩種不同頻率的單色光分別作為測(cè)量光束和參考光束，通過光電探測(cè)器的混頻，輸出拍頻。同時(shí)被測(cè)物體的位移變化引起的光波相位或頻率的變化載于此拍頻上，經(jīng)解調(diào)即可獲得被測(cè)數(shù)據(jù)。因而使光、電信號(hào)均成為交流量，不僅克服了上述單頻干涉儀的漂移問題，而且使細(xì)分變得更容易，顯著提高了抗干擾性能[2]。因此，雙頻激光干

14、涉的發(fā)明對(duì)計(jì)量事業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展有著很大的推動(dòng)作用[3]。</p><p><b>　　1.1.1發(fā)展背景</b></p><p>　　長(zhǎng)度和位移是最常用的物理量，它的變化與光程差和干涉儀的條紋變化相對(duì)應(yīng)，因此測(cè)量長(zhǎng)度和位移是干涉儀的基礎(chǔ)功能。另外，現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)的要求不斷向小尺寸和大尺寸兩個(gè)極端深入，向特殊環(huán)境下的長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)發(fā)展。<

15、;/p><p>　　一方面，當(dāng)代科技的發(fā)展已經(jīng)從不同領(lǐng)域進(jìn)入了原子分子尺度，產(chǎn)生了納米科學(xué)這一新的研究領(lǐng)域，而這一領(lǐng)域大多以小尺寸位移測(cè)量為技術(shù)先決條件。另外，現(xiàn)代精密儀器的安裝調(diào)制許多要求非常高的精度，例如大型天文望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)、大型機(jī)床的裝調(diào)等，并且使用環(huán)境千變?nèi)f化，因此必須有高精度、大量程，高速、高效的大尺寸長(zhǎng)度位移測(cè)量設(shè)備，才能滿足這些需要。</p><p>　　外差干涉測(cè)量?jī)x，特別是聲

16、光調(diào)制外差干涉測(cè)量?jī)x，是能同時(shí)滿足以上兩方面要求的測(cè)量設(shè)備，并且具有的精度高、量程大，特別是體積小、測(cè)量速度高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。因此，研究聲光調(diào)制激光外差干涉測(cè)量技術(shù)，進(jìn)一步完善和發(fā)展這一技術(shù)，將具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。</p><p><b>　　1.1.2發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　外差干涉測(cè)量?jī)x的發(fā)明把幾何量測(cè)量的發(fā)展推向了又一個(gè)高峰。就長(zhǎng)度計(jì)量而言

17、，通常將200m以上的測(cè)量稱為距離測(cè)量（Distance Measurement），3m以下的稱為一般長(zhǎng)度測(cè)量，3~200m之間的測(cè)量稱為大尺寸測(cè)量(Large Dimension Measurement)[4]。其中，外差干涉測(cè)量?jī)x較多的使用在一般長(zhǎng)度精密測(cè)量中。它可以在恒溫、恒濕、防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺等，也可以在一些普通車間內(nèi)為大型機(jī)床進(jìn)行刻度標(biāo)定，不僅可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量，也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精

18、密測(cè)量，不僅可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量，也可以用于特殊場(chǎng)合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。而且它不僅應(yīng)用在單純的長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域，在其他工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，并且不乏一些很有創(chuàng)見的應(yīng)用。</p><p>　　1.2 外差干涉測(cè)量?jī)x的主要特點(diǎn)</p><p>　?。?）精度高：外差干涉測(cè)量?jī)x是以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)

19、長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。普通激光干涉儀的精度為±0.2μm，而外差干涉測(cè)量?jī)x精度一般可達(dá)到（0.08μm+10-6L），其中L是以μm為單位的被測(cè)量長(zhǎng)度。對(duì)于小量程測(cè)量，靈敏度和精度都可以更高。</p><p>　?。?）應(yīng)用范圍廣：外差干涉測(cè)量?jī)x除了可用于長(zhǎng)度的精密測(cè)量外，配上適當(dāng)?shù)母郊€可測(cè)量角度、直線度、平面度、振動(dòng)距離及速度等等。另外，可以直接從輸出頻率相對(duì)于差頻的增減判別運(yùn)動(dòng)的方向，因此可以測(cè)量物

20、體的連續(xù)變化過程如隨機(jī)振動(dòng)波形，氣流擾動(dòng)隨時(shí)間變化過程，而零差干涉儀較難實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?。?）環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)：由于物體變化所產(chǎn)生的多普勒頻移的信息是載于這個(gè)穩(wěn)定的差頻上，并且其頻率較高（幾兆至100兆赫），因此，光電探測(cè)器探測(cè)時(shí)避過了半導(dǎo)體器件的1/f噪聲區(qū)和激光器的低頻噪聲。又利用了頻率跟蹤等外差解調(diào)技術(shù)濾除了大量寬帶噪聲，因而使光電信號(hào)的信噪比大為提高。例如在零差干涉測(cè)量?jī)x中，當(dāng)測(cè)量光束受到外界干擾

21、光強(qiáng)衰減至50％時(shí)，就容易產(chǎn)生不正常工作的現(xiàn)象，而外差干涉測(cè)量?jī)x則可以在光強(qiáng)衰減90％時(shí)仍能正常工作，因此能用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并能測(cè)量較長(zhǎng)距離（大于60米）。由于這一特點(diǎn)，外差干涉測(cè)量?jī)x既可在恒溫、恒濕、防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺、微分校準(zhǔn)器和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，也可以在普通的車間內(nèi)為大型的機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。</p><p>　?。?）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)速高：現(xiàn)代的外差干涉測(cè)量?jī)x測(cè)速普遍達(dá)到1 m/s，有的甚至于十幾

22、m/s，適于高速動(dòng)態(tài)測(cè)量。因此外差干涉測(cè)量?jī)x的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計(jì)量室的束縛，更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。</p><p>　?。?）濾波性能好：為了形成外差信號(hào)，要求參考光和信號(hào)光空間方向嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。然而若背景光入射的方向是雜亂的，振動(dòng)方向不確定，不能滿足空間要求，因而不能形成所需要的有效的外差信號(hào)。因此，外差探測(cè)能夠?yàn)V除背景光，有比較強(qiáng)的空間濾波能力。另外，只要兩束相干光波的頻率是穩(wěn)定的，并且

23、當(dāng)檢測(cè)通道的通頻帶剛好覆蓋有用的外差信號(hào)的頻譜范圍時(shí)，在此通帶之外的雜散光，即使形成了拍頻信號(hào)也將被濾掉。因此，光外差探測(cè)系統(tǒng)也具有良好的光譜濾波性能。</p><p>　?。?）探測(cè)能力強(qiáng)，可能獲得全部信息：光波的相位、振幅及頻率的變化，都會(huì)引起光電探測(cè)器的輸出。在光外差探測(cè)中，光電探測(cè)器輸出的中頻光電流的相位、振幅和頻率，都隨信號(hào)光的相位、振幅和頻率的變化而變化。使我們能將相位調(diào)制和頻率調(diào)制的信號(hào)光，可以像強(qiáng)

24、度調(diào)制或幅度調(diào)制一樣進(jìn)行解調(diào)。因此，光外差干涉測(cè)量?jī)x不但能檢測(cè)出振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光波信號(hào)，還可以檢測(cè)出相位和頻率調(diào)制的光波信號(hào)，因而可知它的探測(cè)能力強(qiáng)，可獲得全部信息，是測(cè)試光的波動(dòng)性的一種非常有效的方法。而這是非相干直接探測(cè)所無法比擬的[5]。</p><p>　　1.3 本文的研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文將利用聲光調(diào)制法產(chǎn)生的微小的差頻實(shí)現(xiàn)外差干涉所需的雙頻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)

25、物體的微小位移的測(cè)量。文中將首先對(duì)外差干涉測(cè)量?jī)x中產(chǎn)生雙頻的多種方法的原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，進(jìn)而得出聲光式外差干涉儀的優(yōu)點(diǎn)。然后將對(duì)聲光式外差干涉儀利用相位法測(cè)量微小位移的光路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、模擬。進(jìn)而將利用mathematica對(duì)相位變換求得位移的方式進(jìn)行模擬。最后推廣出外差干涉測(cè)量?jī)x在其它方面的應(yīng)用及原理。</p><p>　　第二章 外差干涉測(cè)量?jī)x原理</p><p>　　2.1產(chǎn)生具有微

26、小頻差的雙頻的原理</p><p>　　外差干涉儀中兩種不同頻率的相干光束可由兩只穩(wěn)頻的激光器提供，也可以利用聲光效應(yīng)、磁光、旋轉(zhuǎn)光柵盤的衍射或電光效應(yīng)提供。</p><p>　　2.1.1聲光調(diào)制器</p><p>　　當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將會(huì)引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作空間和時(shí)間上的周期性變化，并且會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)一束光通過通著超聲波的介質(zhì)后便

27、會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。通有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個(gè)相位光柵。</p><p>　　聲光效應(yīng)分為正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)兩種。在各項(xiàng)同性的介質(zhì)中，聲－光的相互作用并不會(huì)導(dǎo)致入射光束的偏振狀態(tài)的變化，即為正常聲光效應(yīng)[2]。而在各項(xiàng)異性介質(zhì)中，聲－光相互作用則可能導(dǎo)致入射光的偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。反常聲光效應(yīng)是制造聲光偏轉(zhuǎn)器和高性能可調(diào)濾波器的基礎(chǔ)。正常聲光效應(yīng)可以用喇曼－納斯的光柵假設(shè)作解釋

28、，而反常聲光效應(yīng)則不可以用光柵假設(shè)作說明。在非線性光學(xué)中，利用參量相互作用理論，能建立起聲－光相互作用的統(tǒng)一理論，并且運(yùn)用動(dòng)量失配和匹配等概念對(duì)反常和正常聲光效應(yīng)都可作解釋。本課題只運(yùn)用到各向同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)[6]。</p><p>　　設(shè)聲光介質(zhì)中通入的超聲波是沿y方向傳播的平面縱波，角頻率為ωs，波長(zhǎng)為，波矢為。入射光是沿x方向傳播的平面波，角頻率為ω，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為，波矢為。介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)變也是以

29、行波的形式隨著聲波一起傳播。由于光速大約是聲速的105倍，則在光波通過介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，由超聲波引發(fā)的，介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。</p><p>　　由于應(yīng)變引起的介質(zhì)的折射率變化是由下式?jīng)Q定</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，為介質(zhì)的折射率，為應(yīng)變，為光彈系數(shù)。通常，和是二階張量。當(dāng)聲波在各項(xiàng)

30、同性介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，和可作標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也是以行波的形式傳播，所以可寫為：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　當(dāng)應(yīng)變比較小時(shí)，折射率作為和的函數(shù)可寫作</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　式中，為沒有通過超聲波時(shí)的介質(zhì)的折

31、射率，為聲波折射率變化的幅值，由方程（2-1）可求出 </p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　設(shè)光束是垂直入射（⊥）的，并且通過厚度為的介質(zhì)，則前后兩點(diǎn)的相位差為</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　式中，為入射光在真空

32、中的波矢的大小，右邊第一項(xiàng)為未通過超聲波時(shí)光波在介質(zhì)的前后兩點(diǎn)的相位差，第二項(xiàng)為超聲波引發(fā)的附加相位差（相位調(diào)制），?？梢?，當(dāng)平面光波入射到介質(zhì)的前界面時(shí)，超聲波會(huì)使出射光波的波面變?yōu)橹芷谛宰兓陌櫿鄄妫瑥亩淖兞顺錾涔獠ǖ膫鞑ヌ匦?，使其產(chǎn)生衍射[3]</p><p>　　設(shè)入射面上的光振動(dòng)為，為一常數(shù)，也可以是一復(fù)數(shù)。又考慮在出射面上各點(diǎn)相位的調(diào)制和改變，在這一平面內(nèi)距離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)的衍射光疊加結(jié)果為<

33、;/p><p><b>　　寫成等式時(shí)，</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中，為光束寬度，為衍射角，為與有關(guān)的常數(shù)，為了方便可取其為實(shí)數(shù)。又利用其與貝塞耳函數(shù)有關(guān)的恒等式</p><p>　　式中為（第一類）階貝塞耳函數(shù)，將（2-6）式展開并進(jìn)行積分得<

34、;/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　上式中與第級(jí)衍射有關(guān)聯(lián)的項(xiàng)為</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　又因?yàn)楹瘮?shù)在取極大值，因此衍射極大的方位角由

35、下方程決定：</p><p><b>　　（2-10）</b></p><p>　　式中，為真空中光波長(zhǎng)，為介質(zhì)中超聲波波長(zhǎng)。式（2-10）與一般的光柵方程相比可知，由超聲波引起的發(fā)生應(yīng)變的介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)光柵常數(shù)為該超聲波波長(zhǎng)的光柵。由（2-8）式可知，第級(jí)衍射光的頻率ωm為</p><p><b>　　(2-11)</b>

36、;</p><p>　　可見，衍射光依舊是單色光，并且發(fā)生了頻移。由于ω>>ωs，這種頻移是比較小的[7]。</p><p>　　當(dāng)聲光效應(yīng)的距離滿足,而且光束相對(duì)于超聲波波面以某一特定角度斜入射時(shí)，在理想的情況下除了0級(jí)之外，只出現(xiàn)1級(jí)或－1級(jí)衍射。如圖2-2所示。晶體對(duì)X光的布喇格衍射與這種衍射很類似，故稱為布喇格衍射。能產(chǎn)生這種衍射的光束的入射角稱為布喇格角。此時(shí)通有超聲

37、波存在的介質(zhì)起了體光柵的作用?？梢宰C明，布喇格角滿足</p><p><b>　　圖2-3布拉格衍射</b></p><p><b>　　（2-12）</b></p><p>　　式（2-12）稱為布喇格條件。由布喇格角一般都很小，故衍射光相對(duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)角為：</p><p><b>

38、　?。?-13）</b></p><p>　　式中，為超聲波的波速，為超聲波的頻率，其它量的意義與之前相同。在布喇格衍射條件下，一級(jí)衍射光的效率為</p><p>　　] （2-14）</p><p>　　式中， 為超聲波功率，H和L為超聲換能器的寬和長(zhǎng)，是反映聲光介質(zhì)自身性質(zhì)的一個(gè)常數(shù)，，為介質(zhì)密度，為光彈系數(shù)。在

39、布喇格衍射的條件下，衍射光的效率也由（2-11）式?jīng)Q定。理論上布喇格衍射的衍射效率可達(dá)100％，所以使用的聲光器件多采用布喇格衍射。</p><p>　　由波長(zhǎng)隨著超聲波頻率變化的關(guān)系知，超聲波的波長(zhǎng)會(huì)隨著頻率的變化而變化，當(dāng)功率信號(hào)源的功率增大時(shí)，聲光晶體上加載的頻率變大，使體光柵的常數(shù)d發(fā)生變化，由公式（2-11）得知第m級(jí)衍射光的頻率為,當(dāng)聲光晶體所加載的超聲波頻率增大時(shí)，即增大，衍射光頻率減小，衍射光波長(zhǎng)

40、增大[8]。</p><p>　　進(jìn)而，我們通過實(shí)驗(yàn)對(duì)聲光效應(yīng)產(chǎn)生的頻移進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)裝置圖為：</p><p>　　圖2-4 實(shí)驗(yàn)裝置圖</p><p>　　并且，使用的WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀是采用光柵做分光元件的光譜儀器，它的波長(zhǎng)范圍為200nm—600nm，分辨率優(yōu)于0.06nm。我們選擇起始波長(zhǎng)為620.94(nm)，終止波長(zhǎng)為670.10(

41、nm)，掃描間隔為0.02(nm)。</p><p><b>　　得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖2-5 光源波長(zhǎng)651.79nm頻率4.6*1014Hz 圖2-6 衍射波長(zhǎng)651.72nm頻率4.6*1014Hz</p><p>　　圖2-7 衍射波長(zhǎng)651.7nm頻率4.6*1014Hz 圖2-8 衍射波長(zhǎng)651.66

42、nm頻率4.6*1014Hz</p><p>　　可以得到通不同頻率的超聲波產(chǎn)生的衍射光與光源頻差較大，例如圖2-5與2-6頻差為49GHz，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備取點(diǎn)間隔不夠小且不精確、光源單色性不夠好等原因，造成試驗(yàn)誤差比較大。但是，由上述結(jié)果仍然可看出，通過改變超聲波的頻率和功率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束頻移的控制，因此，利用聲光調(diào)制就可以很方便的產(chǎn)生和控制頻率的變化，得到雙頻。在具體應(yīng)用中，既可以直接應(yīng)用一個(gè)聲光調(diào)制器的零級(jí)

43、和一級(jí)光得到較大差頻，一般為幾十兆赫，也可以用調(diào)制頻率略有差別的兩個(gè)聲光調(diào)制器的同一級(jí)衍射光，得到小頻差外差干涉，其頻差可以從幾十千赫茲到幾十兆赫茲。所以聲光調(diào)制法有很廣的頻率適應(yīng)范圍[9]。</p><p>　　另外，由于光外差干涉測(cè)量?jī)x的基本原理是基于兩束光的相干，必須采用相干性好的激光器作光源，在接收信號(hào)光的時(shí)同時(shí)加入?yún)⒖脊猓ū镜卣袷幑猓?。因參考光的頻率與信號(hào)光頻率極為接近，使參考光和信號(hào)光在光電探測(cè)器的光

44、敏面上形成拍頻信號(hào)。只要光電探測(cè)器對(duì)拍頻信號(hào)的響應(yīng)速度足夠高，就能輸出電信</p><p>　　號(hào)，檢出信號(hào)光中的調(diào)制信號(hào)來，如圖2-9所示即為一例。</p><p>　　圖中用一個(gè)激光器射出激光，經(jīng)半透、半反的平面鏡M后分成兩路。一路透射光再經(jīng)半透、半反的平面鏡M3后直接投向光電探測(cè)器作為參考光；另一路反射光經(jīng)反射鏡M1偏轉(zhuǎn)90o方向后投向聲光調(diào)制器。聲光調(diào)制器出射光束，由光闌M0選出其

45、一級(jí)衍射光，它經(jīng)反射鏡M2偏轉(zhuǎn)后投向半透、半反的平面鏡M3成為信號(hào)光。微調(diào)M3使信號(hào)光和參考光以幾乎重合、平行地投向光電探測(cè)器，兩束光在光敏面上相干。如果這兩束光偏振方向一致（或偏振方向一致的分量），它們就能形成所需的差頻信號(hào)。其中聲光調(diào)制器由聲頻信號(hào)提供聲頻ω1的信號(hào)加到聲光調(diào)制器上。</p><p>　　若調(diào)制器是布拉格衍射，則出射的一級(jí)衍射光就是聲頻信號(hào)的調(diào)制光，其光頻率為ω0＋ω1或ω0－ω1（視入射方向

46、而定）。ω0為入射光頻率；ω1可以是單一頻率也可以是小范圍變化的頻率ω1(t)。</p><p>　　若參考光是平面光波，可用復(fù)數(shù)表示為</p><p>　　AL=k exp[i(ω0+φ0)]                

47、60;             （2-15）</p><p>　　式中k為常數(shù)；φ0是初始相位。</p><p>　　若調(diào)制器輸出的調(diào)制光波為平面光波，可用復(fù)數(shù)表示為</p><p>　　As=as exp{ i[(ω0+φ0)t+ φs

48、 ]}                           （2-16）</p><p>　　式中as為信號(hào)光振幅；φs為初始相位。則在光電探測(cè)器

49、光敏面上的混合光場(chǎng)可表示為</p><p><b>　　A＝AL＋As</b></p><p>　　在光敏面上的光強(qiáng)度可表示為</p><p>　　I∝(AS+AL)(AS*+AL*)             

50、60;             （2-17）</p><p>　　AL*和As*分別是AL和As的共軛復(fù)數(shù)；∝表示比例關(guān)系。</p><p>　　把式（2-15）和（2-16）代入（2-17）得</p><p>　　I∝{αs2+k2+2αs

51、kcos[ω1t+(φs-φ0)]}                （2-18）</p><p>　　式中第三項(xiàng)就是光電探測(cè)器能檢出的調(diào)制信號(hào)，也就是送入調(diào)制器中調(diào)制入射光波的聲頻信號(hào)。</p><p>　　2.1.2磁光調(diào)制器</p>

52、<p>　　在1896年，塞曼（Zeeman）發(fā)現(xiàn)了在外磁場(chǎng)的作用下，光譜線的頻率有微小的變化，并具有偏振性質(zhì)，這就是塞曼效應(yīng)。即在原子、分子物理學(xué)和化學(xué)中的光譜分析里原子的光譜線在外磁場(chǎng)中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象。</p><p>　　當(dāng)原子被置于弱磁場(chǎng)時(shí)，其能級(jí)發(fā)生塞曼分裂。因而其輻射和吸收譜線也產(chǎn)生相應(yīng)分裂，一條譜線被幾條塞曼譜線替代，這些譜線和原譜線存在不大的頻差。根據(jù)He -Ne激光器[10]光輻射方向

53、和外磁場(chǎng)方向的關(guān)系，可以構(gòu)成縱向塞曼激光器和橫向塞曼激光器。當(dāng)所加磁場(chǎng)和光輻射方向一致時(shí)，迎光線方向觀察到偏振光為左、右旋圓偏振光，而觀察不到振動(dòng)方向平行于光傳播方向的偏振光，為縱向塞曼激光器。當(dāng)所加磁場(chǎng)垂直于光輻射方向時(shí)，迎光線方向觀察到的是平行于磁場(chǎng)的線偏振光，觀察不到垂直于磁場(chǎng)的線偏振光，為橫向塞曼激光器。</p><p>　　縱向塞曼激光器輻射的左、右旋圓偏振光。由于介質(zhì)的頻率牽引效應(yīng)，產(chǎn)生的頻差。約0.

54、03T的磁場(chǎng)，便可得到1MHz~2 MHz的頻差。橫向塞曼激光器中，當(dāng)磁場(chǎng)增加到所謂的特征磁場(chǎng)時(shí)，即分裂頻率等于縱模間隔時(shí)，由于介質(zhì)的色散作用和腔結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，表現(xiàn)出頻差，不同激光管在70 kHz——700kHz之間[2]。</p><p>　　因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度可由電流強(qiáng)度控制，所以利用磁光調(diào)制技術(shù)是十分方便的，而且調(diào)制范圍較大，現(xiàn)在已經(jīng)成功的應(yīng)用在外差干涉儀中[8]。</p><p>　　

55、2.1.3電光調(diào)制器</p><p>　　電光調(diào)制器開關(guān)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場(chǎng)的方向不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。</p><p>　　電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的裝置如圖</p><p>　　首先考

56、慮靜態(tài)的情況．即施加電壓的力向和軸成角，</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　采用鈮酸鋰電光晶體，在外電場(chǎng)作用下，折射率橢球和平面相交得：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　為了換算到主軸坐標(biāo)系，繞z軸旋轉(zhuǎn)，令，，，求出所要求的旋

57、轉(zhuǎn)角為：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　它的物理意義是：當(dāng)電場(chǎng)方向相對(duì)軸轉(zhuǎn)過角，晶體的折射率主軸沿反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而且45o是個(gè)定值，不隨電場(chǎng)大小和變化。</p><p>　　再考慮動(dòng)態(tài)的情況。以圖2-10的方法施加電壓方向和y方向的電壓的相位差為，因而電場(chǎng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角頻率為，即，這是折射率主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角

58、頻率為。以圓偏振光通過晶體，輸出地矢量可以表示為</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　式中為電致雙折射形成的相位差，寫成在之坐標(biāo)中的光矢量為</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　式中，第一項(xiàng)和輸人圓偏振光的偏振態(tài)相同，頻率也相同，即

59、未經(jīng)頻移的成分；第二項(xiàng)的角頻率變?yōu)椋穷l移分量，頻移量和調(diào)制頻率相同。如果，則，可得到“干凈”的頻移光，它要求外電場(chǎng)的幅度使電光晶體變成一塊旋轉(zhuǎn)的半波片[9]。</p><p>　　2.1.4光學(xué)機(jī)械頻移</p><p>　　在參考光路中放入一個(gè)固定的波片和一個(gè)旋轉(zhuǎn)地波片，如果固定波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。該圓偏振光兩次穿過的波片后，其將產(chǎn)生頻移。圓偏振光

60、再次穿過固定的波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)波片只能實(shí)現(xiàn)低頻差的頻移。如線偏振光通過以頻率旋轉(zhuǎn)的波片，就可以得到同軸傳播的，頻差為4的左、右旋圓偏振光。由于頻差受機(jī)械轉(zhuǎn)速的限制，只能用在一些特殊的場(chǎng)合</p><p>　　垂直于入射光束方向移動(dòng)（勻速）光柵的方

61、法也可以實(shí)現(xiàn)光的頻移，通過光柵的第n級(jí)衍射光產(chǎn)生的頻移為，此處是光柵的空間頻率，V是光柵移動(dòng)速度。</p><p>　　2.1.5雙縱模He-Ne激光器</p><p>　　利用激光器諧振腔的選頻作用可以得到模間隔為的一系列縱模，選擇并控制諧振腔長(zhǎng)可以得到較大功率的雙縱模。例如選用250mm長(zhǎng)的He-Ne激光器，可以得到頻差約600 MHz的雙頻激光，以二者光強(qiáng)相等為條件穩(wěn)頻。兩頻率對(duì)稱于

62、中心頻率，幅值和中心幅值相差不大，可應(yīng)用于外差干涉儀。但由于頻差太大，不利于光電檢測(cè)及信號(hào)處理，并且需要和穩(wěn)定的本機(jī)振蕩信號(hào)混頻，取其差頻進(jìn)行計(jì)數(shù)和鑒相。雖然它可為測(cè)距提供合成波長(zhǎng)，但是眾多的缺陷仍然影響了其發(fā)展。</p><p>　　2.2本課題選擇聲光效應(yīng)產(chǎn)生雙頻的原因</p><p>　　由于聲光調(diào)制器產(chǎn)生的雙頻的頻差可以很大，改變也較容易，并且頻差穩(wěn)定性直接由驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率穩(wěn)定性決

63、定，所以穩(wěn)定性可以做得很好。另外，它還具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，所以目前這是最常用的雙頻器件之一。因而，本課題運(yùn)用聲光調(diào)制器來獲得所需雙頻。</p><p>　　2.3外差干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量位移的原理</p><p>　　獲得雙頻光源原理如2.1小節(jié)中所述，為方便起見，在本論文中直接用雙頻光源表示。</p><p>　　2.2.1利用位相差測(cè)量位移</p><

64、;p>　　圖2-11為典型的激光外差干涉原理圖。S為雙頻光源，PBS為偏振分光鏡，R、M為角隅棱鏡，P1、P2為檢偏器，D1、D2為光電檢測(cè)器。聲光調(diào)制雙頻光源出射的兩線偏振光分別以E1、E2表示</p><p>　　E1=E cos 2πf1t </p><p>　　E2=E cos2πf 2t （2-25）</p><p>

65、　　式中：f1和f2為光源的兩個(gè)頻率；E1、E2被偏振分光鏡BS分開，E1進(jìn)入測(cè)量臂，E2進(jìn)入?yún)⒖急?。由兩角隅棱鏡反射，在偏振分光鏡會(huì)合成為</p><p>　　E1=E cos （2πf1t +φ1）</p><p>　　E2=E cos （2πf 2t +φ2） （2-26）</p><p>　　式中：φ1和φ2為兩干涉臂光程形成的

66、位相變化。檢偏器P1的通光軸平分兩線偏振光振動(dòng)方向。通過檢偏器以后</p><p>　　E1= Ecos（2πf 1t +φ1）</p><p>　　E2 = Ecos（2πf 2t +φ2） （2-27）</p><p>　　產(chǎn)生拍頻，成為 （2-28）</p><p>　　光強(qiáng)信號(hào)的交流分量為</

67、p><p>　　Im=Icos（?fπt +φ/2） （2-29)</p><p>　　式中：Im為光強(qiáng)幅值，?f=f1-f2，φ=φ1-φ2。φ和被測(cè)物體在短時(shí)間內(nèi)的微小移動(dòng)位移x的關(guān)系為 </p><p>　　φ=4πx/λ （2-30)&l

68、t;/p><p>　　將Im信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)行鑒相，可以求的φ，由式（2-30）可以求出移動(dòng)的微小位移[2]</p><p>　　x=φλ/4π (2-31)</p><p>　　拍的傳播速度相對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)速度而言極快，因而可以將物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻移忽略，則進(jìn)而可得物體移動(dòng)的瞬時(shí)速度</p><p>

69、;　　V=x/?t (2-32)</p><p>　　其中，?t為物體發(fā)生的運(yùn)動(dòng)極短時(shí)間。另外，由于兩頻率的頻差相對(duì)其自身而言很小，因而λ可取其平均值或兩者之一。</p><p>　　2.2.1利用頻差測(cè)量位移 </p><p>　　圖2-12 利用頻差測(cè)量位移原理圖</p><p>　　雙頻光

70、源產(chǎn)生的兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光﹐經(jīng)分光鏡后分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為頻率為f1- f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路﹕一路為僅含有f1的光束﹐另一路為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)﹐僅含f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2 ±Δf 的光束﹐其中Δf 是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率﹐正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向。</p><p>　　這路光束與由固定反射鏡反射回來的僅

71、含有f1光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合，成為f1-(f2±Δf )的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件﹑放大器﹑整形器后利用減法器相減﹐輸出僅含有±Δf 的電脈動(dòng)信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后﹐由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行換算(即乘 1/2激光波長(zhǎng))后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量，即L=±N(λ/2) [11]。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測(cè)量位移的﹐這種位移信息載于f1和f2的頻差上﹐對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變

72、化不敏感﹐所以抗干擾能力強(qiáng)[12]。</p><p><b>　　第三章 軟件模擬</b></p><p>　　基于頻移測(cè)量位移的相關(guān)研究、論文已經(jīng)有很多且比較成熟。本論文將主要對(duì)相位變換求得極短時(shí)間內(nèi)的位移進(jìn)而求出瞬時(shí)速度的方式利用mathematica進(jìn)行模擬。</p><p>　　由圖2-11，R、M為角隅棱鏡，它們距離第二個(gè)偏振分光鏡P

73、BS的距離分別為L(zhǎng)2、L1，其中L1為要測(cè)距離。D1、D2為光電檢測(cè)器，它們檢測(cè)出的參考光的拍頻信號(hào)可以利用下公式（2-28）</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　進(jìn)行模擬。</b></p><p>　　首先為了計(jì)算方便，假設(shè)D1與D2的圖像相同時(shí)為t0，并且假設(shè)在t0時(shí)刻φ1=φ2=0，即

74、L1=L2，又由式(2-29)可知光強(qiáng)信號(hào)的交流分量即振幅隨時(shí)間變化的函數(shù)為</p><p>　　Im=Icos（?fπt +φ/2）</p><p>　　當(dāng)經(jīng)過時(shí)間?t后，M速度相對(duì)很小，因而移動(dòng)位移x為微小量。此時(shí)D1相對(duì)D2將存在有位相差φ， 且φ為φ1-φ2則可知，若要檢測(cè)M的微小位移，即L1產(chǎn)生微小變化，則可由其引發(fā)的位相φ的變化，觀察t1時(shí)刻D1相對(duì)D2移動(dòng)的相應(yīng)的位相，通過移

75、動(dòng)的位相可知L2變化值即x。式(2-31)</p><p><b>　　x=φ1λ/4π</b></p><p>　　令?f =80M Hz，m=4.6*1014 Hz，從t0時(shí)刻模擬得到的D1與D2光拍圖像的參考程序?yàn)椋?lt;/p><p>　　Plot[2*Cos[π* ?f *t]*Cos[π {2*m + ?f }*t], {t, 0, 3

76、×10-8}]</p><p><b>　　得出的光拍圖像為 </b></p><p>　　圖3-1 t0時(shí)刻參考光拍信號(hào)</p><p>　　單個(gè)周期光拍參考程序?yàn)椋?lt;/p><p>　　Plot[2*Cos[π* ?f *t]*Cos[π{2*m + ?f }*t], {t, 6.25×10-9,

77、 1.875×10-8}]</p><p>　　可得單個(gè)周期光拍圖像為：</p><p>　　圖3-2 t0時(shí)刻參考光拍信號(hào)</p><p>　　通過對(duì)圖的分析可以看出：振幅A的周期為1.25*10-8s。</p><p>　　我們可以認(rèn)為已知?t=30ns時(shí)間內(nèi)位相φ1的變化，來求的L1的移動(dòng)值x以及其在?t時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)速度。&l

78、t;/p><p>　　若假設(shè)當(dāng)φ1=π/3，即==時(shí)，則D2處光拍信號(hào)參考程序?yàn)?lt;/p><p>　　Plot [2*Cos[π* ?f *t]*Cos[π {2*m + ?f }*t], {t, 3×10-8, 6×10-8}]</p><p>　　得D2處參考光拍信號(hào)圖像為：</p><p>　　圖3-2 t1時(shí)刻參考光拍

79、信號(hào)</p><p>　　D1處光拍信號(hào)的參考程序?yàn)?lt;/p><p>　　Plot[2*Cos[π* ?f *t+ π/6]*Cos[π {2*m + ?f }*t+ π/6], {t, 3×10-8, 6×10-8}]</p><p><b>　　得出光拍圖像為</b></p><p>　　圖3-3

80、 t1時(shí)刻φ1=π/3時(shí)測(cè)量光拍信號(hào)</p><p>　　又由式(2-31) x=φ1λ/4π，則可以得出L1移動(dòng)x為：</p><p><b>　　x=λ/12</b></p><p>　　瞬時(shí)速度為：V=x/?t=1.81m/s</p><p>　　若假設(shè)當(dāng)φ1=π/5，即==時(shí)，則D1處光拍信號(hào)參考程序?yàn)椋?lt;

81、/p><p>　　Plot[2*Cos[π* ?f *t+ π/10]*Cos[π {2*m + ?f }*t+ π/10], {t, 3×10-8, 6×10-8}]</p><p>　　D1處光拍信號(hào)圖像為：</p><p>　　圖3-4 t1時(shí)刻φ1=π/5時(shí)測(cè)量光拍信號(hào)</p><p>　　又由式(2-31) x=φ1

82、λ/4π，則可以得出L1移動(dòng)x為：</p><p><b>　　x=λ/20</b></p><p>　　瞬時(shí)速度為：V=x/?t=1.086m/s</p><p>　　若我們并不知曉t1時(shí)刻位相φ1的變化，則要先通過圖像大致觀察，然后由數(shù)據(jù)求得φ1的值，進(jìn)而求得L1的移動(dòng)值x和瞬時(shí)速度。</p><p>　　假設(shè)L1的

83、移動(dòng)值x后，可得D1處光拍的圖像為：</p><p>　　圖3-5 t1時(shí)刻未知位相φ1的變化</p><p>　　將圖3-5與3-2對(duì)比可以估計(jì)出φ1/2的變化大致為π/3至π/5之間，又由我們通過對(duì)比振幅為零值的點(diǎn)所在位置兩者之間對(duì)應(yīng)的時(shí)間差a為3.125*10-9s，再加上已知振幅周期為1.25*10-8s， </p><p>　　φ1/2 = π a /T&

84、lt;/p><p>　　所以φ1/2=π/4，則φ1=π/2。因而，可得出L1的移動(dòng)量x，由式(2-31) x=φ1λ/4π得：</p><p><b>　　x=λ/8</b></p><p>　　相應(yīng)的瞬時(shí)速度為：V=x/?t=2.71m/s</p><p>　　第四章 主要應(yīng)用與前景展望</p><p

85、><b>　　4.1主要應(yīng)用</b></p><p>　　關(guān)于利用外差干涉儀進(jìn)行干涉測(cè)長(zhǎng)的相關(guān)原理已于第二章詳細(xì)講解，本章所涉及的主要為外差干涉測(cè)量?jī)x除測(cè)量微小位移以外的應(yīng)用。</p><p>　　4.1.1外差干涉測(cè)量?jī)x在精密定位中的應(yīng)用</p><p>　　圖4-1 外差干涉測(cè)量?jī)x在精密定位中的原理</p><p&

86、gt;　　由平面反射鏡作為測(cè)量鏡，激光器射出的一束振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光f1和f2在偏振分光鏡的A點(diǎn)分開。垂直于紙面振動(dòng)的f2光反射到上面的參考角隅棱鏡后又反射回來，在B點(diǎn)反射出偏振分束鏡。</p><p>　　平行于紙面振動(dòng)的f1光自A點(diǎn)透過偏振分束鏡，射向可動(dòng)角隅棱鏡后又被反射回來。該反射光因反射鏡的移動(dòng)，產(chǎn)生多普勒頻移?f。因?yàn)樗鼉纱瓮高^1/4波片，振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過90 °，使f1±?f

87、光在偏振分光鏡的分束面上不能通過，而反射至下面的角隅棱鏡后又反射回B點(diǎn)。f1±?f光經(jīng)分束鏡再次射向平面反向鏡后，就為f1±2?f。同樣因兩次通過1/4波片，振動(dòng)方向再轉(zhuǎn)過90°，f1±2?f光在分束面上就由反射為透射。這時(shí)，f1±2?f 與f2匯合在一起，回到激光頭的接收系統(tǒng)中去。 </p><p>　　該干涉儀系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)： 1．儀器分辨率由于多普勒頻差

88、增加一倍而增加一倍。 2．平面反射鏡相對(duì)于光軸的任何偏斜只會(huì)使反射回的光束偏移，而不會(huì)偏斜。 </p><p>　　上述干涉系統(tǒng)具有的對(duì)平面反射鏡偏斜不敏感的特性，大大放寬了對(duì)平面反射鏡的失調(diào)要求，可以將其應(yīng)用于雙軸精密定位臺(tái)上，其優(yōu)點(diǎn)是：允許x方向的測(cè)量，因而兩坐標(biāo)測(cè)量的兩塊反射鏡可以安裝在同一個(gè)部件上，便于在雙軸測(cè)量系統(tǒng)中消除阿貝偏移誤差。這種系統(tǒng)在測(cè)量X方向的位移時(shí)，因?qū)к壌嬖谥本€性誤差，測(cè)量臺(tái)的Y方向的偏

89、移也能同時(shí)監(jiān)測(cè)出來[11]。</p><p>　　4.1.2光學(xué)外差干涉法檢測(cè)微弱超聲振動(dòng)</p><p>　　圖4-2 光學(xué)外差干涉法檢測(cè)微弱超聲振動(dòng)原理圖</p><p>　　測(cè)量微弱振動(dòng)信號(hào)的線偏振光外差干涉系統(tǒng)[13]示意圖如4-2所示。采用功率為12mW的He-Ne線偏振激光器作為光源, 發(fā)出的偏振光波長(zhǎng)為632. 8nm, 光束通過具有移頻作用的布拉格器

90、件產(chǎn)生頻率不同、偏振方向相互垂直的兩束線偏振光: 0級(jí)光和1級(jí)光, 其頻差f B為40MHz。通過 λ/ 2波片來調(diào)整其偏振方向(線偏振光通過λ/2波片, 若入射線偏振光的振動(dòng)方向與波片快軸的夾角為α, 則出射線偏振光的振動(dòng)方向向著快軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)2α角) , 使0級(jí)光在偏振分光鏡上發(fā)生全透射( 同時(shí)1級(jí)光全反射) , 在PBS上透射的光束經(jīng)過λ/ 4波片和透鏡匯聚成像到被測(cè)樣品表面上(要求被測(cè)樣品與透鏡的距離為透鏡焦距f ), 之后被樣品

91、表面反射,重新通過λ/4波片, 返回到偏振分光鏡上。調(diào)整λ/4波片的快軸與入射偏振光的振動(dòng)方向成45° ,光線兩次經(jīng)過λ/4波片, 0級(jí)偏振光的偏振方向變化90°, 回到偏振分光鏡時(shí)則變成為全反射的光束。1級(jí)光依次通過反射鏡M1、λ/2波片、反射鏡M2和M3時(shí), 因λ/2波片的作用(調(diào)整λ/2波片的快軸與入射偏振光的振動(dòng)方向成45° , 使1級(jí)光偏振相位改變90° ) </p>&l

92、t;p>　　若樣品表面有超聲振動(dòng)，則整個(gè)過程為聲光效應(yīng)產(chǎn)生雙頻的外差干涉測(cè)量?jī)x的逆過程，具體計(jì)算原理與第二章類似，在此不再雷述。此外，該外差干涉系統(tǒng)通過光路系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，抑制了光學(xué)噪聲，提高了系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度。而且，系統(tǒng)調(diào)試方便，成本較低，適合對(duì)微弱的激光超聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)研究。</p><p><b>　　4.2前景展望</b></p><p>　　雙頻激光干涉儀

93、已成為精密測(cè)量中廣泛應(yīng)用的儀器，國(guó)內(nèi)外許多公司都有商品化儀器出售。但這也往往使人們產(chǎn)生了錯(cuò)覺，以為激光干涉儀已經(jīng)完全滿足制造業(yè)的需求，不必再研究了。其實(shí)，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)測(cè)量工具也提出了更高的要求。為迎合新的測(cè)量要求，雙頻激光干涉儀也相應(yīng)向高分辨率、高精度、高測(cè)速等幾個(gè)方向發(fā)展。</p><p>　?。?）高分辨率：僅依靠光學(xué)系統(tǒng)，普通干涉儀的只能達(dá)到半波長(zhǎng)的分辨率，即0. 1Lm 量級(jí)，目前的

94、干涉儀產(chǎn)品通過電子細(xì)分的方法提高測(cè)量分辨率。國(guó)外Agilent 、ZYGO 等公司的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)2048細(xì)分，最大分辨率達(dá)到0.15nm 。清華大學(xué)精儀系殷純永教授的研究小組研制的SJD5 型雙頻激光干涉儀可實(shí)現(xiàn)640 細(xì)分，分辨率0.49nm。當(dāng)然，通過增大電子細(xì)分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率，細(xì)分?jǐn)?shù)越大，出現(xiàn)的相對(duì)誤差也就越大，而目前還沒有很好的儀器作為納米量級(jí)測(cè)量的基準(zhǔn)?，F(xiàn)在的納米量級(jí)測(cè)量大多的是將原子力顯微鏡、X射線干涉儀等儀器與光學(xué)干涉儀結(jié)合

95、使用，如英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室將光學(xué)干涉儀和X 射線干涉儀結(jié)合，形成新的測(cè)量?jī)x器，其測(cè)量范圍是 1mm，最小測(cè)量步長(zhǎng)是0.192nm 。 </p><p>　　（2）高精度與納微米精密測(cè)量溯源：在要求納米精度的條件下，出現(xiàn)大量科學(xué)與技術(shù)問題有待解決，諸如非線性誤差 ( 對(duì)半個(gè)波長(zhǎng)分割的不均勻性) 、空氣折射率影響、溫度壓力效應(yīng)環(huán)境振動(dòng)影響等問題。非線性誤差對(duì)于納米溯源的影響十分嚴(yán)重，因?yàn)樗l(fā)生在半個(gè)波長(zhǎng)的位移內(nèi)，在非

96、常短的量程內(nèi)也照樣存在。雙頻干涉儀首先被發(fā)現(xiàn)有非線性誤差。很長(zhǎng)時(shí)期以來，單頻干涉儀生產(chǎn)廠家號(hào)稱沒有非線性誤差，經(jīng)德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院( PTB) 嚴(yán)格測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)單頻干涉儀也有非線性誤差[2]，而且在 10nm 量級(jí)或者更大。和商業(yè)雙頻干涉儀在同一數(shù)量級(jí)。他們的研究表明，可由“李薩如”圓的橢圓化程度判斷非線性誤差，從而用專門的電路加以校正。修正后可以達(dá)到2nm。BIPM 納米工作組已將激光干涉儀、高精度位移傳感器等列入國(guó)際計(jì)劃，納米精

97、密測(cè)量技術(shù)的溯源成為迫切需要解決的課題。</p><p>　?。?）高測(cè)速：制造業(yè)的發(fā)展迫切需要解決高速加工過程中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精密測(cè)量和定位，許多精密機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度已達(dá)幾m/s，而從精度等方面考慮，只有激光干涉技術(shù)更適合解決以上問題。對(duì)雙頻激光干涉儀，高測(cè)速就要求雙頻激光的頻差要大。利用塞曼效應(yīng)產(chǎn)生雙頻最大只能達(dá)到4MHz 頻差，最高測(cè)量速度僅1m/s 。一些高測(cè)速的干涉儀利用聲光效應(yīng)得到雙頻，頻差可達(dá)20MHz，

98、最高測(cè)速5.1m/s 。最近我們成功地克服了塞曼雙頻激光器的頻差閉鎖現(xiàn)象，研究出國(guó)內(nèi)外計(jì)量領(lǐng)域多年期盼的中頻差( 3~ 40MHz頻差可控輸出) He- Ne激光器并獲得專利。以這種激光器作為光源的雙頻激光干涉儀將實(shí)現(xiàn)4m/s 的測(cè)量速度，其優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量速度快，且穩(wěn)頻系統(tǒng)和信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單可以實(shí)現(xiàn)，不增加太多造價(jià)[15]。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p>

99、<p>　　外差干涉法具有很高的相位測(cè)量精度和空間分辨率，特別重要的是外差干涉法在原理上不是去用兩相干光束的強(qiáng)度，而是利用它們的相位關(guān)系。因此，即使相干光強(qiáng)有時(shí)間或空間的變化，也不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。此外，移頻裝置造成的光頻偏的波動(dòng)，對(duì)兩光束的影響是相同的，不致引起相對(duì)的相位變化，這就為高精度的測(cè)量提供了可靠的保證。本論文即是在充分研究外差干涉測(cè)量?jī)x的原理的基礎(chǔ)上，深入探究了外差干涉測(cè)量?jī)x利用位相變化測(cè)量微小位移的方法，增加了外差

100、干涉測(cè)量?jī)x的理論結(jié)構(gòu)，使其能更好地運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　杜振輝，蔣誠(chéng)志，桂 垣，王 斌. 激光干涉儀測(cè)量長(zhǎng)度[J]. 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào).2003，21(2):35-37.</p><p>　　殷純永，現(xiàn)代干涉測(cè)量技術(shù)[A]，天津:天津大學(xué)出版社，1999.162-171.<

101、/p><p>　　戴高良. 雙頻激光納米干涉測(cè)量技術(shù)的研究[D]. 申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文, 1998.</p><p>　　周肇飛，He-Ne激光器的雙縱模熱穩(wěn)頻系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1988，9（4）：374-380.</p><p>　　雷玉堂，葉聲華.光電檢測(cè)技術(shù),中國(guó)計(jì)量出版社,2010.1第二版.</p><p>　　蔣紅艷

102、，何寧．基于聲光效應(yīng)的相干光探測(cè)方法的研究［Ｊ］．光電子技術(shù)，2009，29(3)：164-167.</p><p>　　于艷春，李冠成，王秉坤．聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)研究［Ｊ］．光學(xué)儀器，2004，26(6)：51-57.</p><p>　　孫長(zhǎng)庫，葉聲華. 激光測(cè)量技術(shù)[A], 天津大學(xué)出版社,2001.7 第一版.</p><p>　　王文生，干涉測(cè)試技術(shù)[

103、A]，兵器工業(yè)出版社，1992.4.</p><p>　　Jin Yuye, Zhang Shulian, Li Yan, et al. Zeeman-Birefrin-gence He-Ne Dual Frequency Lasers[J]. Chinese Physics Letters,2001, 18( 4) :533- 536.</p><p>　　張愛紅， 雙頻激光外差干涉的應(yīng)

104、用技術(shù)[A]，計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2010，12：92.</p><p>　　杜振輝,蔣誠(chéng)志,桂垣,,王斌. 激光干涉儀測(cè)量長(zhǎng)度[A], 河北建筑工程 學(xué)院學(xué)報(bào),2003,21(2):35-37.</p><p>　　龔育良, 張永智,梁海巖. 用外差干涉法探測(cè)固體表面激光超聲的研究[J] .中國(guó)激光, 1997,24(9): 819-822.</p><p>

105、　　李醒飛，王馳, 向紅標(biāo), 張國(guó)雄. 光學(xué)外差干涉法檢測(cè)微弱超聲振動(dòng)[A]，光學(xué)精密工程，2008，07：1158-1162.</p><p>　　所睿,范志軍,李巖,張書練. 雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[A], 激光與紅外, 2004, 34（4）：251-253.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在本次課題

106、的研究和設(shè)計(jì)過程中，我得到了老師和同學(xué)的熱情幫助。</p><p>　　首先，要對(duì)我的指導(dǎo)老師表示衷心的感謝。從方案的選取、審題、查找資料，到軟件模擬的各部分工作，到最后論文的書寫和完成，老師在我的整個(gè)畢業(yè)論文工作中給了我很大的幫助和支持。老師的諄諄教導(dǎo)，使我受益匪淺。</p><p>　　其次，要對(duì)大學(xué)四年以來所有給我授課的老師們表示感謝。是他們教會(huì)了我大學(xué)應(yīng)該掌握的知識(shí)和技能，給我打下