文/嚴建偉，舜宇集團

現(xiàn)代激光干涉儀有機地結合了現(xiàn)代物理學理論和激光應用技術的特定產物，經過無數(shù)科技工作者不斷的完善，已被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、醫(yī)療和科研等領域。 

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；按應用場景、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研究，測定晶體參量、晶體結構因子等基本參數(shù)，測定X射線的折射率、波長、伯格斯矢量、阿伏伽德羅常數(shù)。監(jiān)測晶體缺限引起的晶體點陣中的微小角偏轉、微小點陣參量失配。

X射線照射晶體，散射的電子在相鄰散射線程差為波長整倍數(shù)的方向上產生干涉，出現(xiàn)X射線衍射線。當入射角非常小時（≤20’），產生全反射。

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，進行高精度有效檢測（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，檢測研究 NPL（英國國家實驗室）的JAMIN型差動平面 鏡光學干涉儀，利用與X射線干涉儀的對準，校準測量傳感器位移，光路結構見圖2。X射線干涉儀是測量亞納米級別的高效計量工具。

圖2：NPL JAMIN型干涉儀結構及與X射線干涉儀結合對準。 

F-P干涉儀 

作為光譜儀，F(xiàn)-P干涉儀具備優(yōu)質色散、色分辨率、自由光譜范圍，用于超精細結構的譜線分析、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用。

（1）應變傳感器 

光纖F-P腔傳感頭，存在腔長與相位、光強之間變化，可用于航天工程、建筑工程、大型橋梁等基礎設施。

（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，是應變、壓力、振動加速度、 流量的測量基礎。通過將F-P腔腔長的微小變化轉化為強度信號，實現(xiàn)直接快速地對待測目標的微位移進行測量。寬帶光源，經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與F-P腔長的關系，能夠精確實現(xiàn)位移的絕對測量，精度為納米級。 

圖4：F-P測量系統(tǒng)。 

（3）聲發(fā)射傳感器 

聲發(fā)射是當材料處于變形、斷裂時，材料中局域源快速釋放能量產生出瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象， 強度很弱，需通過相應儀器測定。F-P干涉儀的聲發(fā)射傳感器可用于以下領域：

石油化工工業(yè)：各類容器、閥門的檢測；

電力行業(yè)：變壓器放電、高壓容器、汽輪葉片、汽輪機運行軸承、鍋爐泄漏等檢測；

材料試驗：材料性能及斷裂、疲勞、磨擦試驗；

航天航空：航天器結構、新型材料的疲勞、時效試驗，發(fā)動機葉片、殼體斷裂探測，變速箱過程檢測； 

金屬加工：工具磨損、斷裂探測，加工過程中的焊接、振動、鍛壓測試； 

交通運輸：鐵路材料和結構的裂紋探測，車輪、軸承斷裂探測；

聲發(fā)射傳感器還能檢測結構件的疲勞及缺限，監(jiān)測焊接、腐蝕過程、金屬加工過程探測。

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）微弱磁場傳感器 

基于F-P干涉儀的微弱磁場傳感器，具有抗振、結構緊湊、靈敏度好、分辨率高等特點，廣泛用于軍事制導、獵潛、醫(yī)學工程、地質探礦等領域。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腔長變化，構成F-P干涉儀的高精細度弱磁傳感器結構（見圖6）。

圖6：基于F-P干涉儀的高精細度弱磁傳感器結構。 

除了上述應用外，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域。

單頻激光干涉儀 

激光器發(fā)射出來的光束，擴束準直后，經分光鏡形成兩路光束。再經固定反射鏡、可移動反射鏡反射后，在分光鏡上合成產生相應的干涉條紋；經由相應的光電器件，按干涉條紋的光強度變化將光信號轉化為電信號；經過信號的放大整形后，輸入可逆計數(shù)器，計算出總脈沖數(shù)；按相應的計算規(guī)則，即可測算出可動反射鏡的位移量（見圖7）。該系統(tǒng)對測量環(huán)境的穩(wěn)定性有一定要求，目前產品設計是系統(tǒng)帶上補償單元。 

圖7：單頻激光干涉儀原理圖。 

激光干涉儀具有測量范圍大、測速快、高精度、高分辨率等特點，當與其他光學組件有效組合，可完成進行直線度、平面度、垂直度、角度等幾何指標的測量。結合計算機系統(tǒng)， 在相關應用軟件和模式的支持下，可完成數(shù)控機床系統(tǒng)的動態(tài)性能指標測量，如滾珠絲桿、導軌組件的動態(tài)特性測量分析。機床振動、機床驅動系統(tǒng)響應特性的測試分析，為數(shù)控機床系統(tǒng)修正誤差提供相關測量數(shù)據(jù)，有效保證數(shù)控機床系統(tǒng)的精度、設備正常生產使用率。 

斐索型激光干涉儀（見圖 8）是一種高精度、共光路面形計量干涉儀，其融合了機械相移技術、數(shù)據(jù)采集技術、高性能的光電成像系統(tǒng)、振動補償軟件、非球面測量技術、波紋抑制技術等，數(shù)控步進聚焦，測量時對干涉腔長進行精確調制，能對樣品細微面形、光學元器件的平面、球面面形和透射波陣面提供快速、高精度干涉測量，具有高精確度及重復性，相干長度＞100m，成像分辨率1000×1000像素。

目前實際可測量玻璃、塑料光學元件、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（約0.03特斯拉）的氦氖激光器，因塞曼效應、頻率牽引效應，產生出不同頻率、旋向相反的兩束圓偏振光。當通過1/4λ波片后形成相互垂直的兩束線偏振光，經分光鏡分成兩路光束，一路經偏振鏡1形成f1-f2參考光束。另一路經偏振分光棱鏡后繼續(xù)拆分為兩路光束，一路為f1光束，另一路由可動反射鏡反射后成為f2±△f光束。經偏振片2合成后，成為f1-(f2±△f)的測量光束，由相應的光電器件，將光信號轉換為電信號。經放大整形后，通過減法器，輸出±△f的電脈沖信號，經可逆計數(shù)后，按相應計算規(guī)則，可測得反射鏡的位移量。

該系統(tǒng)抗干擾能力強，光信號與電信號變化時，相互影響小，常用于各類機、電測量系統(tǒng)，完成高精度直線度、平面度、微小角度的測量，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器系統(tǒng)獲取的是光頻變化信號，并以此來計算位移量。

在單頻激光干涉儀的基礎上，通過外差式形成雙頻激光干涉儀，以波長為標準，計量被測長度，完成相應的幾何測量。可檢定坐標測量機、量塊、量桿、刻尺、光刻微定位、存儲器記錄槽距等。通過與其他有效光學器件的組合，可實現(xiàn)線性、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等幾何測量，廣泛用于高精度位移測量、數(shù)控機床、三坐標機、光學平臺校準測量。雙頻激光干涉儀的系統(tǒng)精度可達±0.4ppm，分辨率0.6nm，可多軸路同步測量（見圖10、11）。 

圖10：X、Y、Z 三方向同測位移量。 

圖11：垂直方向上測位移、偏擺、俯仰角。 

半導體激光干涉儀 

半導體激光器具有體積緊湊、低電壓、低功耗、使用方便的特點，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）結合，在短光程條件下能實現(xiàn)干涉效果，實現(xiàn)微位移、微振動量的精確測量（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，M1、M2反光鏡放置于焦距附近，光路保持同軸性，經機械結構微調，屏上出現(xiàn)等傾干涉條紋。 

圖12：半導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轉化位電信號，經相關電力系統(tǒng)處理，可進行高精度、微小微移量的精準測定，檢測微小振動振幅和頻率，實現(xiàn)邁克耳遜干涉儀的微、 小型化。 

半導體激光光源搭載傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)，綜合光學、物理、醫(yī)療生化、精密機械、光電子學、 信號處理等技術，具有非接觸、高精度、結構緊湊、準確度高的特性。融合外差干涉系 統(tǒng)、光纖傳輸、光電探測器件、計算機及自動控制應用的軟件系統(tǒng)，與F-P腔結構組合制成高精度壓力測量系統(tǒng)及各類光纖傳感器，可有效測定位移、壓力、速度、液位、角速 度、振動等物理量。

該類光纖傳感器具備抗干擾、耐腐蝕、響應快、高靈敏度、結構簡潔、損耗小等優(yōu)點，形成應用廣泛、實用性強的測量儀器。同時半導體激光光源也在不斷改進，采用分布反饋（DFB）、分布布喇格光柵（DBR）半導體激光器提高光源的穩(wěn)定性、單色性，保證干涉效果。 

結語 

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、波面求解算法，提取波面信息， 數(shù)字波前分布，分析出光學元器件的誤差參數(shù)。通過光學系統(tǒng)測定出光學元件的像差分量、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)，經過相關波面求解計算得到PSD功率譜密度、MTF調制傳遞函數(shù)、GRMS梯度均方根值等有效參數(shù)值。未來向寬波段、瞬態(tài)高速測量、高空間分辨率、高相位分辨率方向發(fā)展。 

參考文獻： 

1.錢瑞海 孟迎軍. 半導體激光干涉儀在微振動測量中的應用. 南京；南京理工大學 https://www.docin.com/p-937439030.html