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
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