可调合成波长链绝对距离干涉测量

　　1　前言

　　无导轨绝对距离测量方法在精密测量中有很广阔的应用前景,其中常用的一种方法是合成波长法[1],而采用多波长激光器或多个单波长激光器作为光源的合成波绝对距离干涉测量方法具有不可避免的局限性:(1)光源系统的波长间隔是固定值,只能得到某些固定的合成波长;(2)不易选择合适的粗测波长,需要增加粗测手段。

　　而半导体激光器作为一种可调谐光源,在绝对距离干涉测量领域有很大的应用潜力[2,3]。另一方面,由于半导体激光器本身尚未发现特定的稳频物理判据,给半导体激光器稳频技术带来了很大困难,只能把激光频率锁定到外部参考标准上(如法布里-珀罗腔[3]或原子、分子的吸收谱线[4]),才能做到高精度稳频。然而如此一来,就会使整个系统变得相当复杂,其复杂程度甚至使整个系统的规模远远超过气体稳频激光器,从而并不能体现出用半导体激光器的优越性。因此,如何充分发挥半导体激光器易调谐的优点,进行绝对距离干涉测量,正是我们这项研究工作的目的。

　　本文提出一种利用半导体激光器的波长调谐特性实现的可调合成波长链绝对距离干涉测量方法,可以根据待测距离灵活地选择合成波长链。该方法在很大程度上克服了传统的合成波绝对距离干涉测量方法的局限性,同时又避免了半导体激光器复杂的稳频技术。

　　2　实验原理

　　基于可调合成波长链绝对距离干涉测量方法构建的干涉测量系统原理如图1所示,图中M11、M12的非镀膜面A、C分别与M13、M14平行;且M13、M14平行地固结在一起,以速度v匀速运动。d=d1+d2为待测距离。

　　入射光分别垂直入射至A、B和C、D四个表面。A、B面的反射光沿原路返回发生干涉由探测器接收,C、D面的反射光沿原路返回发生干涉由另一探测器接收,这样就构成了在一条直线上的两个双光束干涉仪。

　　设入射光波长为λ1,当M13、M14固定不动时,两干涉仪的探测器的信号为(为简化,暂不考虑空气折射率的影响)

式中:Pi为直流分量,Ri为干涉信号的幅值。当M13、M14以速度v匀速运动时(按图1所示方向),两干涉仪的光程差分别变为d1+vt和d2-vt,令Δf=2v/λ1(即反射镜以v运动时产生的多普勒频移),此时两干涉仪的探测器的信号分别为

　　由此可见,两套干涉信号频率相同,而相位差恒为2π·2d/λ1。因此通过该调制方式和该干涉仪结构的设计,可使干涉条纹级次的测量转化成为相位测量。设待测距离d表达如下

　　其中M1为整数级次,ε1为小数级次。ε1通过测相得到,而整数级次M1不能唯一地确定,需利用第二个波长进行测量。