解读单频和双频激光干涉传感器工作原理

　　激光干涉传感器以激光为光源，测量精度高、分辨率高，测量1m长度精度可达10^-7〜10^-8量级，并可测出10^-4nm以下的长度变化，量程可达几十米，便于实现自动测量。激光干涉传感器可作用普通干涉系统（迈克尔逊干涉系统），这时所用的激光器可以是一般的稳频激光器（即单频激光器），也可以用塞曼效应或声光效应分成两个频率相近的双频激光器作光源，其抗干扰能力较强。另外，激光干涉传感器也可用作全息干涉系统，用来检测复杂表面。

　　1.基本工作原理

　　激光干涉传感器的基本工作原理就是光的干涉原理。在实际长度测量中，应用最广泛的仍是迈克尔逊双光束干涉系统，如下图所示。

图 迈克尔逊干涉系统

        来自光源S的光经半反半透分光镜B后分成两路，这两路光束分别由固定反射镜M₁和可动反射镜M₂反射在观察屏P处相遇产生干涉。当镜M₂每移动半个光波波长时，干涉条纹亮暗变化一次，因此测长的基本公式为

　　式中，x——被测长度；n——空气折射率；λ——真空中光波波长；N——干涉条纹亮暗变化的数目。干涉条纹由光电器件接收，经电路处理由计数器计数，则可测得x值。当光源为激光时就成为激光干涉系统。所以激光干涉测长是以激光波长为基准，用对干涉条纹计数的方法进行的。

　　由于激光波长随空气折射率n而变化，n又受测量环境条件（温度、气压、湿度、气体成分等）的影响。因此在高精度测量中，特别是较长距离高精度测量中，对环境条件要求甚严，而且必须实时测量折射率并自动修正它对激光波长的影响。

　　2.单频激光干涉传感器

　　单频激光干涉传感器是由单频氮氖激光器作为光源的迈克尔逊干涉系统，其光路系统如下图所示。

单频激光干涉传感器光路系统原理图

        氦氖激光器发出的激光束经平行光管14（由聚光镜、光阑、准直物镜组成）成为平行光束，通过反射镜12反射至分光镜7。分光镜7将光束分成两路：一路透过分光镜7经反射镜6和固定角锥棱镜3返回；另一路由分光镜7反射至可动角锥棱镜4（固定在工作台上）返回。这两路返回光束在分光镜7处汇合形成干涉。被测物1安置在工作台2上，随工作台带着角锥棱镜4一起平稳移动，从而改变了该路的光程，使干涉条纹亮暗变化。工作台每移动λ\2（λ为激光波长），干涉条纹亮暗变化一个周期。相位板5是用来得到两路相位差为90°的干涉条纹信号为电路细分和辨向用。该两路相差90°的条纹信号分别经反射镜11和10反射，由各自物镜9汇聚于各自的光电器件8上，产生两种相位差90°的光电信号，经电路处理成为具有长度单位当量的脉冲，由可逆计数器计数并显示工作台移动的距离（即被测长度）；或由计算机处理，打印出测量结果。

　　光路系统中的可动反射镜4和固定反射镜3均采用角锥棱镜，而不采用平面反射镜，这是为了消除工作台在运动过程中产生的角度偏转而带来的附加误差。半圆光阑13是为了防止返回的光束经反射镜12返回到激光管中，从而保证激光器的工作稳定。也可利用1/4波片来改变激光束的偏振方向，使激光器正常工作。

　　单频激光干涉传感器精度高，例如采用稳频单模氦氖激光器测10m长，可得0.5μm精度，但对环境条件要求高，抗干扰（如空气湍流、热波动等）能力差，因此主要用于条件较好的实验室以及被测距离不太大的情况下。

　　3.双频激光干涉传感器

　　双频激光干涉传感器采用双频氦氖激光器作为光源。其精度高，抗干扰能力强，空气湍流、热波动等影响甚微，因此降低了对环境条件的要求，使它不仅能用于实验室，还可在车间条件下测量大距离用。

　　双频激光干涉传感器的光路系统如下图所示。

图 双频激光干涉传感器光路系统原理图

        通常将单频氮氖激光器置于轴向磁场中，成为双频氦氖激光器。由于塞曼效应（外磁场使粒子获得附加能量而引起能级分裂和谱线分裂）使激光的谱线在磁场中分裂成两个旋转方向相反的圆偏振光，从而得到两种频率的双频激光。它不仅用来测量长度，而且还能直接测量小角度。

　　激光千涉传感器可应用于精密长度计量，如线纹尺和光栅的检定，量块自动测量，精密丝杆动态测量等，还可用于工件尺寸、坐标尺寸的精密测量中。在这些测量中，除了应用激光干涉传感器测定工作台（或测杆）位移外，还需有相应的瞄准装置。常用的有光电显微镜瞄准（应

　　用于线纹尺及某些工件尺寸和坐标位置测量），白光干涉瞄准（用于量块检定）及接触瞄准（用于一般精密量块及工件尺寸和坐标位置测量）。激光干涉传感器还可应用于精密定位，如精密机构加工中的控制和校正、感应同步器的刻划、集成电路制作等的定位。