声光外差干涉精密动态角度测量系统

　　一、概述

　　在动态角度测量方面，惠普5528A双频激光干涉仪是应用较广泛的一种仪器。仪器采用激光多普勒测量原理，测量两束相互平行的激光光程变化量之差，与两激光束的距离之比，即可得到动态角度值。测量分辨率为0.l，’，测量范围为士100.但在一些特定的角度测量场合，使用双频激光干涉仪有一定的局限性.其激光器、信号处理系统的体积都较大，在空间较小的地方安装不方便.在信号处理中对接收信号进行16倍频处理，使测量分辨率受到限制，因而测量精度也不可能进一步提高.另外，双频激光干涉仪价格十分昂贵。

　　本文提出了一种新型激光外差干涉仪.使用普通的0.6328氦一氖激光器，用声光调制器进行频率调制，采用激光外差干涉、电信号混频、相位测量技术进行动态角度的精确测量。干涉仪结构简单，调整方便，体积小，适用于特定场合的角度测量.由于采用激光相位测量技术，使测量分辨率得到很大提高。如果加上环境监测系统，或将干涉仪置于真空中以降低环境的影响，则测量精度可进一步提高。

　　二、激光外差干涉仪测量原理

　　激光外差干涉测量是目前研究较多的一门技术，可进行多种几何参数的测量，例如位移、速度、加速度、平面度、表面粗糙度、振动等.由于成本低，精度高，得到了越来越广泛的应用.

　　在迈克尔逊干涉测量法中，用氦一氖激光器发出的激光f0做为测量光束，在参考光束中用声光调制器AOM使激光产生频率偏移f1，如图1所示，设氮一氖激光的电场波动方程为:

　　式中又为激光波长，1为光程，必为初位相。’当光程1变化时，在接收处的位相也发生变化.

　　设在探测器处两光束的电场强度为：

　　两光束叠加后的光强为:

　　因为探测器对光学频率项不能响应，因此探测器的输出信号中只有拍频信号，即:

　　若测量镜M有一位移h(t)，则光束f。到达光电接收器时，由于光程改变引起相位变化。

　　则有:

　　代人(4)、(5)后可得:

　　通过测量输出信号的相位变化△中1，即可求得位移量:

　　在差频小于SOMHz时，目前的相位测量水平已达到0.01“，相当于分辨率为0.Oinm，可见激光外差干涉测量可以测得很微小的位移量。

　　三、外差干涉测角系统

　　外差干涉测角系统如图2所示。两个角锥棱镜R，、R:固定在被测件上。由He一Ne激光器发出的激光束经声光调制器AOM后发生衍射。零级衍射光频率仍为f0，一级衍射光频率为f。+几，其中坑为AOM的驱动频率。零级光经反射镜Ml、M‘、MS后，由分光镜BS，分为两束。一束光B。，穿过BS.后经角锥棱镜R:返回，由BS:反射进人探测器D、。另一束光B。:由BSI反射后穿过BSZ进人DZ。同样，一级光经反射镜Ml、MZ、M3后，由分光棱镜BS:分为两束。一束光B，，穿过BS:经角锥棱镜R:返回，由BS:反射后与B0:会合，两束光叠加发生干涉，进人探测器DZ。同样，另外一束光B，:反射后在BS，处与零级光Bot会合，两束光叠加干涉，进人探测器D，。由于零级光与一级光之间存在频差，因此探测器收到的是两束光的拍频信号。