雙縱模He-Ne激光單模干涉在大尺寸測量中的研究

吳 斌，喻洪平，莫 莉

（成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院，四川 成都 610106）

1 引 言

隨著航空航天、軍事工業(yè)、重型機(jī)械、船舶工業(yè)等的發(fā)展，對于這些領(lǐng)域中的大型零部件幾何尺寸的精度要求越來越高，對于相應(yīng)測量手段的精度要求也越來越高，并且要求其具有良好的“環(huán)境適應(yīng)性”——便攜性。近年來，國內(nèi)外對大尺寸測量進(jìn)行了大量的研究，絕大多數(shù)是以“多光束干涉法”為基礎(chǔ)，利用“小數(shù)重合法”進(jìn)行測量，除了拍波波長本身的穩(wěn)定性外，其中對整數(shù)倍拍波波長被測長度位置確定的精度是至關(guān)重要的。在前期研究當(dāng)中，是采取對分別經(jīng)過參考光路和測量光路的拍波信號的初始相位差的測量，來實(shí)現(xiàn)該位置的確定[1]。由于拍波信號頻率較高，波長較長，要實(shí)現(xiàn)更高精度的測量比較困難，因此需要研究出更好的方法來實(shí)現(xiàn)高精度的大尺寸測量。

2 基本測量原理

在熱穩(wěn)頻系統(tǒng)中，通過采樣兩個(gè)激光縱模的光強(qiáng)差，以此作為控制信號并通過控制電路直接調(diào)節(jié)激光器放電電流的大小，從而改變激光諧振腔的腔長以達(dá)到穩(wěn)頻的目的。

根據(jù)前面所述，如果以該高穩(wěn)定性的拍波長作為測量基準(zhǔn)，則可將任意長度分解為整數(shù)倍拍波波長長度和不足一個(gè)拍波波長長度兩部分。對于前者只要能夠精確確定被測長度中整數(shù)倍拍波波長長度的位置，就能很容易地測量出剩余部分長度的大小，并能夠通過估算的辦法得到前者的具體長度，從而得到整個(gè)長度的精確大小。由此可見，整數(shù)倍拍波波長長度位置確定的精度直接影響到最終測量精度的高低，也是非常關(guān)鍵的因素之一。

由于該測量實(shí)際是以兩個(gè)縱模所形成的拍波波長作為測量基準(zhǔn)，而這兩個(gè)縱模是相互垂直的線偏振光。如果它們通過同一光程，并分別形成單模干涉，其干涉信號將隨光程的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這種變化必然存在一定的規(guī)律，并與被測長度與拍波波長之間的關(guān)系有關(guān)。

在該測量系統(tǒng)中，采用了諧振腔長度為240～265mm的He－Ne激光作為光源，利用激光熱穩(wěn)頻技術(shù)，可使其輸出兩個(gè)頻率穩(wěn)定縱模激光。其最主要的特點(diǎn)是，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究證明[2]，在普通環(huán)境條件下，這兩個(gè)縱模分量所形成的拍波頻率的穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-7，從而可以提供一個(gè)在現(xiàn)場測量條件高穩(wěn)定性的拍波波長，這首先解決了大尺寸測量中的基準(zhǔn)問題。如果這兩個(gè)縱模分量均分別通過測量光路和參考光路，則可得到測量光路：

參考光路：

式中：f1、f2——兩個(gè)偏振分量的頻率；

λ1、λ2——兩個(gè)偏振分量的波長；

Lm、Lr——測量光路和參考光路的光程長度。

如果讓這兩個(gè)激光偏振分量分別進(jìn)行單模干涉，則采用光電接收器所接收到的干涉條紋信號分別為：

3 光學(xué)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 測量光學(xué)原理圖

基于上述基本測量原理，設(shè)計(jì)了如圖1所示的光學(xué)測量系統(tǒng)。圖中所示的熱穩(wěn)頻He-Ne激光器1，可以發(fā)射出一束包含兩個(gè)相互正交的線偏振分量的光束，其頻率相差為650～700MHz，這就可形成一個(gè)波長大約在450～500mm之間的拍波，其拍波波長在普通環(huán)境下，可達(dá)到10-7～10-8[3-4]。該光束經(jīng)過平行光管2后，成為平行光束并經(jīng)過消偏振分光鏡3分為兩路，一路經(jīng)過參考光路，另一路經(jīng)過測量光路，由角錐棱鏡4反射后，與參考光束在消偏振分光鏡5處匯合。參考光束透射部分和測量光束反射部分，經(jīng)過偏振分光鏡6后，其中的兩個(gè)偏振光分量，來自參考光路和測量光路的相同偏振分量匯合，并分別發(fā)生單模干涉，干涉條紋信號經(jīng)過兩個(gè)光闌7、9，由光電接收器8、10分別接收后，轉(zhuǎn)換成電信號輸入到控制電路進(jìn)行處理[5]。

在測量中，采用一個(gè)不大于一個(gè)拍波波長長度的導(dǎo)軌，角錐反射鏡可在其上作直線運(yùn)動(dòng)。測量時(shí)，當(dāng)角錐棱鏡從被測長度的一端開始沿短導(dǎo)軌向另一端作直線移動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)對其中一個(gè)單模干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)對兩路單模干涉條紋進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)兩者同時(shí)出現(xiàn)亮條紋時(shí)，由控制電路發(fā)出計(jì)數(shù)停止指令，干涉條紋計(jì)數(shù)停止，所計(jì)數(shù)的結(jié)果即為被測長度中不足一個(gè)拍波波長的部分。對于整數(shù)倍拍波波長部分，可采用通常的方法如皮尺測量等，可以很容易地確定出n值大小[5-6]。

4 結(jié)束語

在該測量方法中，影響測量精度的主要因素有拍波波長的穩(wěn)定度、整數(shù)倍拍波波長長度位置確定精度、不足整拍波波長長度的測量精度、測量路徑空氣擾動(dòng)、激光光強(qiáng)波動(dòng)等，其中前兩項(xiàng)影響最大。由于這里所采用的熱穩(wěn)頻激光光源能形成一個(gè)穩(wěn)定度在10-7～10-8的拍波波長，較好地解決了拍波波長不穩(wěn)定對大尺寸測量精度的影響；利用雙縱模He－Ne激光所形成的兩個(gè)單模干涉間隨被測長度變化的關(guān)系，確定整數(shù)倍拍波波長長度的位置，可以以小于0.632 8 μm的分辨率來確定該位置，因此能夠?qū)崿F(xiàn)相對較高的精度。對于其他因素，可采用傳統(tǒng)激光干涉測量所采用的方法解決[7-9]。

綜上所述，該測量方法可以解決大尺寸精密測量技術(shù)中影響測量精度的兩個(gè)主要難題，即整數(shù)倍拍波波長長度位置的精確確定和實(shí)現(xiàn)無長導(dǎo)軌測量大尺寸，從而可實(shí)現(xiàn)對大尺寸的高精度便攜式測量的工程應(yīng)用。

該文創(chuàng)新點(diǎn)：利用雙縱模熱穩(wěn)頻激光的兩個(gè)單模干涉實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍拍波波長的被測工件大長度尺寸確定，突破傳統(tǒng)的雙頻激光干涉儀所必需的導(dǎo)軌，解決了該段長度測量精度難題。

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