文/严建伟，舜宇集团

现代激光干涉仪有机地结合了现代物理学理论和HTH登陆入口网页 技术的特定产物，经过无数科技工作者不断的完善，已被广泛应用于工业、农业、国防、医疗和科研等领域。

激光干涉仪按原理可分为单频激光干涉仪和外差激光干涉仪；按应用场景、使用功能可分为X射线干涉仪、F-P干涉仪、单频激光干涉仪、双频激光干涉仪和半导体激光干涉仪。

X射线干涉仪

X射线干涉仪用于晶体缺陷方面的检测研究，测定晶体参量、晶体结构因子等基本参数，测定X射线的折射率、波长、伯格斯矢量、阿伏伽德罗常数。监测晶体缺限引起的晶体点阵中的微小角偏转、微小点阵参量失配。

X射线照射晶体，散射的电子在相邻散射线程差为波长整倍数的方向上产生干涉，出现X射线衍射线。当入射角非常小时（≤20’），产生全反射。

二晶、三晶透射型干涉仪均是分束器S将通过晶体的X射线，分成相干的直射束和衍射束，经过M镜面将光束合，在分析器A形成驻波干涉条纹。分析器将驻波干涉条纹放大 为X射线叠栅条纹，通过叠栅条纹的微小变化，进行高精度有效检测（见图1）。

图1：二晶干涉仪(左)和三晶干涉仪（右）示意图。

采用COXI系统的X射线干涉仪，检测研究 NPL（英国国家实验室）的JAMIN型差动平面 镜光学干涉仪，利用与X射线干涉仪的对准，校准测量传感器位移，光路结构见图2。X射线干涉仪是测量亚纳米级别的高效计量工具。

图2：NPL JAMIN型干涉仪结构及与X射线干涉仪结合对准。

F-P干涉仪

作为光谱仪，F-P干涉仪具备优质色散、色分辨率、自由光谱范围，用于超精细结构的谱线分析、滤光器的选频作用(见图3)。

图3：F-P腔（a）和多光束干涉（b）。

F-P干涉仪可用于各类广泛的传感应用。

（1）应变传感器

光纤F-P腔传感头，存在腔长与相位、光强之间变化，可用于航天工程、建筑工程、大型桥梁等基础设施。

（2）微位移传感器

具有高分辨率、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、防爆特性，是应变、压力、振动加速度、 流量的测量基础。通过将F-P腔腔长的微小变化转化为强度信号，实现直接快速地对待测目标的微位移进行测量。宽带光源，经F-P后干涉后，呈梳妆波（见图4），根据相邻波峰的中心波长与F-P腔长的关系，能够精确实现位移的绝对测量，精度为纳米级。

图4：F-P测量系统。

（3）声发射传感器

声发射是当材料处于变形、断裂时，材料中局域源快速释放能量产生出瞬态弹性波现象， 强度很弱，需通过相应仪器测定。F-P干涉仪的声发射传感器可用于以下领域：

石油化工工业：各类容器、阀门的检测；

电力行业：变压器放电、高压容器、汽轮叶片、汽轮机运行轴承、锅炉泄漏等检测；

材料试验：材料性能及断裂、疲劳、磨擦试验；

航天航空：航天器结构、新型材料的疲劳、时效试验，发动机叶片、壳体断裂探测，变速箱过程检测；

金属加工：工具磨损、断裂探测，加工过程中的焊接、振动、锻压测试；

交通运输：铁路材料和结构的裂纹探测，车轮、轴承断裂探测；

声发射传感器还能检测结构件的疲劳及缺限，监测焊接、腐蚀过程、金属加工过程探测。

F-P干涉仪的声发射传感器EFPI传感头见图5。

图5：F-P干涉仪的声发射传感器EFPI传感头。

（4）微弱磁场传感器

基于F-P干涉仪的微弱磁场传感器，具有抗振、结构紧凑、灵敏度好、分辨率高等特点，广泛用于军事制导、猎潜、医学工程、地质探矿等领域。将F-P腔的反射面与磁致伸缩材料连在一起，由磁致伸缩引发F-P腔长变化，构成F-P干涉仪的高精细度弱磁传感器结构（见图6）。

图6：基于F-P干涉仪的高精细度弱磁传感器结构。

除了上述应用外，F-P干涉仪还可以用于温度传感器、加速度传感器等广泛的传感领域。

单频激光干涉仪

激光器发射出来的光束，扩束准直后，经分光镜形成两路光束。再经固定反射镜、可移动反射镜反射后，在分光镜上合成产生相应的干涉条纹；经由相应的光电器件，按干涉条纹的光强度变化将光信号转化为电信号；经过信号的放大整形后，输入可逆计数器，计算出总脉冲数；按相应的计算规则，即可测算出可动反射镜的位移量（见图7）。该系统对测量环境的稳定性有一定要求，目前产品设计是系统带上补偿单元。

图7：单频激光干涉仪原理图。

激光干涉仪具有测量范围大、测速快、高精度、高分辨率等特点，当与其他光学组件有效组合，可完成进行直线度、平面度、垂直度、角度等几何指标的测量。结合计算机系统， 在相关应用软件和模式的支持下，可完成数控机床系统的动态性能指标测量，如滚珠丝杆、导轨组件的动态特性测量分析。机床振动、机床驱动系统响应特性的测试分析，为数控机床系统修正误差提供相关测量数据，有效保证数控机床系统的精度、设备正常生产使用率。

斐索型激光干涉仪（见图 8）是一种高精度、共光路面形计量干涉仪，其融合了机械相移技术、数据采集技术、高性能的光电成像系统、振动补偿软件、非球面测量技术、波纹抑制技术等，数控步进聚焦，测量时对干涉腔长进行精确调制，能对样品细微面形、光学元器件的平面、球面面形和透射波阵面提供快速、高精度干涉测量，具有高精确度及重复性，相干长度＞100m，成像分辨率1000×1000像素。

目前实际可测量玻璃、塑料光学元件、平面、透镜、棱镜、精密合金件、抛光件、陶瓷、接触镜、电脑磁盘、轴承和封接面等。索型激光干涉仪和位移干涉仪组合形成非接触、快速、高精度的非球面3D测量激光干涉仪。

图8：斐索型激光干涉仪。

双频激光干涉仪

加有微弱轴向磁场（约0.03特斯拉）的氦氖激光器，因塞曼效应、频率牵引效应，产生出不同频率、旋向相反的两束圆偏振光。当通过1/4λ波片后形成相互垂直的两束线偏振光，经分光镜分成两路光束，一路经偏振镜1形成f1-f2参考光束。另一路经偏振分光棱镜后继续拆分为两路光束，一路为f1光束，另一路由可动反射镜反射后成为f2±△f光束。经偏振片2合成后，成为f1-(f2±△f)的测量光束，由相应的光电器件，将光信号转换为电信号。经放大整形后，通过减法器，输出±△f的电脉冲信号，经可逆计数后，按相应计算规则，可测得反射镜的位移量。

该系统抗干扰能力强，光信号与电信号变化时，相互影响小，常用于各类机、电测量系统，完成高精度直线度、平面度、微小角度的测量，原理见图9。

图9：双频激光干涉仪原理图。

双频激光干涉仪的光电探测器系统获取的是光频变化信号，并以此来计算位移量。

在单频激光干涉仪的基础上，通过外差式形成双频激光干涉仪，以波长为标准，计量被测长度，完成相应的几何测量。可检定坐标测量机、量块、量杆、刻尺、光刻微定位、存储器记录槽距等。通过与其他有效光学器件的组合，可实现线性、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等几何测量，广泛用于高精度位移测量、数控机床、三坐标机、光学平台校准测量。双频激光干涉仪的系统精度可达±0.4ppm，分辨率0.6nm，可多轴路同步测量（见图10、11）。

图10：X、Y、Z 三方向同测位移量。

图11：垂直方向上测位移、偏摆、俯仰角。

半导体激光干涉仪

半导体激光器具有体积紧凑、低电压、低功耗、使用方便的特点，由于激光二极管的发散角较大，输出光斑为椭圆状，传输过程衰减明显。其与传统干涉仪（如迈克耳逊干涉仪）结合，在短光程条件下能实现干涉效果，实现微位移、微振动量的精确测量（见图12）。激光光源通过短焦距透镜，汇集发散光源，分束镜A固定于焦距内，M1、M2反光镜放置于焦距附近，光路保持同轴性，经机械结构微调，屏上出现等倾干涉条纹。

图12：半导体激光干涉仪原理图。

通过干涉条纹的变化，由光敏器件将光信号转化位电信号，经相关电力系统处理，可进行高精度、微小微移量的精准测定，检测微小振动振幅和频率，实现迈克耳逊干涉仪的微、 小型化。

半导体激光光源搭载传统干涉系统，综合光学、物理、医疗生化、精密机械、光电子学、 信号处理等技术，具有非接触、高精度、结构紧凑、准确度高的特性。融合外差干涉系 统、光纤传输、光电探测器件、计算机及自动控制应用的软件系统，与F-P腔结构组合制成高精度压力测量系统及各类光纤传感器，可有效测定位移、压力、速度、液位、角速 度、振动等物理量。

该类光纤传感器具备抗干扰、耐腐蚀、响应快、高灵敏度、结构简洁、损耗小等优点，形成应用广泛、实用性强的测量仪器。同时半导体激光光源也在不断改进，采用分布反馈（DFB）、分布布喇格光栅（DBR）半导体激光器提高光源的稳定性、单色性，保证干涉效果。

结语

激光干涉仪系统得到的数字化干涉图，通过移相干涉术、波面求解算法，提取波面信息， 数字波前分布，分析出光学元器件的误差参数。通过光学系统测定出光学元件的像差分量、PV面形值及RMS值、平晶夹角、棱镜角度误差、材料折射率及均匀性、棱镜二面角 偏差等参数，经过相关波面求解计算得到PSD功率谱密度、MTF调制传递函数、GRMS梯度均方根值等有效参数值。未来向宽波段、瞬态高速测量、高空间分辨率、高相位分辨率方向发展。

参考文献：

1.钱瑞海 孟迎军. 半导体激光干涉仪在微振动测量中的应用. 南京；南京理工大学 https://www.docin.com/p-937439030.html