激光干涉测量技术
南京师范大学中北学院
18112122 谭昌兴
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。

20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。

干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。

干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。

在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。

干涉测长的基本原理
激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,用干涉条纹来反映被测量的信息。

干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。

激光器发出的激光束到达半透半反射镜P 后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。

两束光的光程差可以表为 (1) j M J j N i i
i l n l n ∑∑==-=∆11
式中j i n n ,分别为干涉仪两支光路的介质折射率；j i l l ,分别为干涉仪两支光路的几何路程。

将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜M 2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。

通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。

被测长度L 与干涉条纹变化的次数N 和干涉仪所用光源波长λ之间的关系是 2λ
N L = （2）
从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析
δλδδλ
λ+=∆+∆=∆N L N N L L 即
（3） 式中δλδδ和N ，L 分别为被测长度、干涉条纹变化计数和波长的相对误差。

这说明被测长度
的相对误差由两部分组成，一部分是干涉条纹计数的相对误差，另一部分是波长也就是频率的相对误差。

前者是干涉测长系统的设计问题，后者除了激光稳频技术有关之外还与环境控制，即对温度、湿度、气压等的控制有关。

因此激光干涉测长系统测量误差必须根据具体情况进行具体分析。

激光的发明和应用使干涉测长技术提高了精度，扩大了量程并且得到了普及，但是使干 涉测长技术走出实验室进入车间，成为生产过程质量控制设备的是激光外差干涉测长技术， 具体来讲就是双频激光干涉仪。

激光干涉仪产生的干涉条纹变化频率与测量反射镜的运动速度有关，在从静止到运动再 回到静止的过程中对应着频率从零到最大值再返回到零的全过程，因此光强转化出的直流电 信号的频率变化范围也是从零开始的。

这样的信号只能用直流放大器来放大处理。

但是在外 界环境干扰下，干涉条纹的平均光强会有很大的变化，以至于造成计数的错误。

所以一般的 激光干涉仪抗干扰能力差，只能在恒温防振的条件下使用。

为了克服以上缺点，可以在干涉 仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，使得干涉仪能够采用交 流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。

利用这种技术设计的干涉仪称作外差干涉 仪，或交流干涉仪。

产生干涉仪载波信号的方法有两种，一种是使参与干涉的两束光产生一 个频率差，这样的两束光相干的结果会出现光学拍的现象，转化为电信号以后得到差频的载 波，另一种是在干涉仪的参考臂中对参考光束进行调制，与测量臂的光干涉直接生成载波信
迈克尔逊干涉仪
图1 激光干涉测长仪的原理图
号。

前者称为是光外差干涉，而后者常常称作是准外差干涉。

迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。

干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法等。

激光干涉测长系统的另一个重要组成部分是干涉条纹计数与测量结果处理系统。

干涉仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程中可能需要正反两个方向的移动，或由于外界振动，导轨误差等干扰，使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以干涉仪中需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种脉冲。

当测量镜正向移动时所产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。

将这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计算就可以获得真正的位移值。

如果测量系统没有判向能力，光电接收器接收的信号是测量镜正反两方向移动的总和，就不代表真正的位移值。

另外为了提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。

为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90度的电信号输出，一个按光程的正弦变化，一个按余弦变化。

所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。

常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。

存在的问题：
1、稳定激光的工作环境。

保证系统有一个好的工作环境，特别是从保证激光频率稳定角度出发，要保证系统的工作环境相对稳定。

2、比较国内外开展激光检测研究与应用的现状：
（1）技术上——在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距。

国内开展的工作面不如国外广泛，但所做工作也不少，而且技术上尚比较先进，有些方面还是可比的。

（2）应用上——周内应用类别不少。

但由于产品化程度不高，影响使用面。

3、研究新的测量方法，研究多种技术的综合应用，降低成本，实现仪器化系统，开拓新的应用领域。

参考文献：
《激光干涉测量技术及应用》作者：张琢。