分析激光干涉儀的原理

    激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。常用來測量長度的干涉儀。以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)(見激光測長技術(shù))測量位移的通用長度測量工具。

 

    激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的,最初用于檢定基準(zhǔn)線紋尺,后又用于在計(jì)量室中精密測長。雙頻激光干涉儀是1970年出現(xiàn)的，它適宜在車間中使用。激光干涉儀在極接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對濕度59%、CO2含量0.03%)下的測量精確度很高，可達(dá)1×10-7。

 

    激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測量工作，并可作為精密工具機(jī)或測量儀器的校正工作。

 

    激光干涉儀原理——單頻激光干涉儀

 

    如下圖，單頻激光干涉儀的工作原理：從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動反射鏡移動時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式

 

    式中:

 

    λ為激光波長

 

    N為電脈沖總數(shù)

 

    算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。

 

    激光干涉儀原理——雙頻激光干涉儀

 

    如下圖，雙頻激光干涉儀的工作原理：在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路：

 

    一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。

 

    一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束，另一路成為僅含有f2的光束。

 

    當(dāng)可動反射鏡移動時(shí)，含有f2的光束經(jīng)可動反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號表示移動方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生變化)。

 

    這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會合成為f1-(f2±Δf)的測量光束。測量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減，輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算(乘1/2激光波長)后即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。

 

    它常用于檢定測長機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測長機(jī)、高精度三坐標(biāo)測量機(jī)等的測量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

 

    激光干涉儀原理——應(yīng)用何處

 

    Ⅰ：位置精度的檢測及其自動補(bǔ)償可檢測數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度、微量位移精度等。

 

    Ⅱ：雙軸定位精度的檢測及其自動補(bǔ)償雷尼紹雙激光干涉儀系統(tǒng)可同步測量大型龍門移動式數(shù)控機(jī)床，由雙伺服驅(qū)動某一軸向運(yùn)動的定位精度，而且還能通過RS232接口，自動對兩軸線性誤差分別進(jìn)行補(bǔ)償。

 

    Ⅲ：數(shù)控機(jī)床動態(tài)性能檢測利用RENISHAW動態(tài)特性測量與評估軟件，可用激光干涉儀進(jìn)行機(jī)床振動測試與分析(FFT)，滾珠絲杠的動態(tài)特性分析，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)特性分析，導(dǎo)軌的動態(tài)特性(低速爬行)分析等。

 

    Ⅳ：幾何精度檢測可用于檢測直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度等。

 

    總結(jié)：激光干涉儀有單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀兩種，其中單頻激光干涉儀是通過發(fā)射激光束，有固定的波長，折返的激光束將光信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，計(jì)算折返的脈沖總數(shù)，通過計(jì)算得知位移距離，等長度的測量。