激光干涉中周期性非線(xiàn)性誤差的思考

位移是最基本的幾何參量之一，因其容易檢測、且相對檢測準確度高，所以在許多情況下將被測對象的物理量轉換為位移量

是十分實(shí)用的解決方式。在涉及納米/亞納米級別的的微位移測量中，激光干涉法因具有可溯源性，非接觸性，可分辨率高

等特點(diǎn)。在納米級別的精密測量中占有絕對地位，本文將針對常見(jiàn)的激光干涉方式進(jìn)行介紹，并針對對應出現的誤差做了簡(jiǎn)

單的分析非線(xiàn)性周期性誤差是廣泛存在于各類(lèi)測量設備中，在納米級別的測量中其導致的誤差經(jīng)常使得實(shí)驗數據失效。形成

誤差的原因多種多樣，最主要的原因一般為兩類(lèi)：一類(lèi)是信號失真以及處理信號時(shí)的誤差從而導致出現的誤差；還有一類(lèi)為

相關(guān)元器件本身會(huì )導致的誤差。

1 激光零差干涉：

零差法是在干涉光路中光頻率與參考光頻率相等，通過(guò)一定的光學(xué)器件使得信號光束與參考光束相遇疊加而產(chǎn)生干涉的測量

方法（如邁克爾遜干涉儀），零差干涉儀一般基于邁克爾遜干涉儀原理設計的（當被測量的位移為半波長(cháng)時(shí)，兩路光束由于

光程差會(huì )產(chǎn)生一條干涉條紋，通過(guò)所謂的條紋計數法即可得到被測位移的大?。?/span>。這是一種直流光強檢測的方法，對激光器

的頻率穩定度和測量環(huán)境要求很高，其中光學(xué)元器件是造成元器件的非線(xiàn)性誤差的重要因素之一，原因一般為安裝調試復雜，

還有調整內部玻片的角度，而且單頻干涉原理下抗干擾能力不強，受環(huán)境影響較大。

零差干涉儀示意圖

2 激光外差干涉：

外差干涉法是較為流行的一種檢測方式，其原理同樣基于邁克爾遜干涉儀，但采用一定頻差??f的雙頻光束作為載波信號的干

涉儀，也就是所謂的雙頻干涉。其原理為當激光探測到一個(gè)物體的位移時(shí)，由于多普勒效應，被物體散射或反射的光的頻率

將會(huì )發(fā)生多普勒頻移，即物體的位移對光進(jìn)行了調制，（波在波源移向觀(guān)察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠離觀(guān)察者時(shí)接收

頻率變低）。但是在光外差干涉法中普遍存在著(zhù)非線(xiàn)性（nonlinearity）問(wèn)題，該因素將會(huì )是其位移測量的主要誤差來(lái)源，

使其精度一般只有納米級至十幾納米，原因是頻率不同的光束不能很好的分離，使得相位位移和實(shí)際被測長(cháng)度不成線(xiàn)性關(guān)系。

這些周期性的非線(xiàn)性誤差問(wèn)題一直是該激光外差干涉發(fā)展的障礙。

3 F-P干涉檢測技術(shù)：

基于多光束干涉原理的F-P干涉儀具有干涉條紋細銳，襯托對比度高等特點(diǎn)，在高分辨率測量方面具有天然優(yōu)勢。

法一珀干涉儀輸出的信號特征為狹窄的諧振峰，其腔長(cháng)度變化每變化半波長(cháng)，峰值光強出現一次。諧振峰的寬度可小至光波

長(cháng)的千分之一。 通常F-P腔測量位移的原理即頻率追蹤，如下圖所示。通過(guò)將可調激光器的頻率鎖定到F-P干涉儀的的諧振頻

率上，將干涉儀的位移測量轉換為頻率變化的測量。當F-P腔長(cháng)在變化時(shí)，其諧振峰的頻率也在發(fā)生變化，若將可調激光器的

頻率鎖定在干涉儀的某一諧振模式N上，則其腔長(cháng)變化量與頻率變化量之間的關(guān)系為dl=-  L/f df，這樣，通過(guò)測量初始腔長(cháng)，

初始頻率和頻率變化，就可實(shí)現測量腔長(cháng)?？烧{激光器的頻率變化可通過(guò)與一個(gè)穩頻激光器進(jìn)行拍頻來(lái)測量。因這種方式將

位移變化轉換為了頻率變化，只要保證頻率變化為線(xiàn)性變化，就可以避免干涉儀的非線(xiàn)性誤差對測量結果的影響。同時(shí)其理

論分辨率低可達到1pm。

F-P干涉儀示意圖

昊量光電新推出的產(chǎn)品德國Qutools公司生產(chǎn)的皮米級別位移干涉測量?jì)xquDIS便是基于上述原理的法-珀干涉儀。較之之

前的設計結構，創(chuàng )新性的增加了飽和吸收氣室（GC）單元，根據其氣體的吸收光譜可以用來(lái)進(jìn)行精確的波長(cháng)控制。

昊量光電新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS通過(guò)快速的上下掃描改變激光波長(cháng)使波長(cháng)變化滿(mǎn)足Δλ/Δt >>Δx/Δt，之后通

過(guò)計算干涉條紋和確定固定波長(cháng)下的相位來(lái)模擬確定光路的相對距離變化，且因內部的參考腔的為線(xiàn)性波長(cháng)變化，加之GC單

元實(shí)現精確的波長(cháng)控制，使得這種測量方法不受被檢測信號的對比度和強度的影響。相對距離的測量也可以理解為通過(guò)計算

在一個(gè)采樣時(shí)間內波長(cháng)上掃和下掃期間的干涉最大值來(lái)確定。該方法不受信號對比度變化的影響。其它普通的檢測方式僅討

論在恒定波長(cháng)下的強度及其偏差，從而導致典型的周期性誤差模式。

昊量光電新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS絕對距離測量方式就是基于上文中提到的“拍頻”的方式，通過(guò)將內部參考

腔鎖頻，使其頻率和腔長(cháng)保持恒定，這樣，通過(guò)測量頻率變化，就可以知道實(shí)時(shí)的腔長(cháng)，也就是絕對距離。不論是相對距離

還是絕對距離，引入上述的“干涉光譜”這種方式都可以避免周期性非線(xiàn)性誤差，不過(guò)一種是將波長(cháng)變化確定為線(xiàn)性變化，

一種是將頻率變化確定為線(xiàn)性變化，但都是避免了直接測量的相位差引起的非線(xiàn)性結果。目前對于低頻振動(dòng)分析以及精密設

備位置控制等方面具有測量精度的*優(yōu)勢。

皮米級精度位移激光干涉儀quDIS主要功能介紹

德國quDIS在原理上同樣采用激光干涉法，不過(guò)與傳統激光干涉儀相比，其集成了法珀腔（Reference cavity）及飽和吸收氣

室（GC）作為頻率校準參考，通過(guò)激光波長(cháng)調諧掃描，比較兩種不同的干涉圖樣，可以實(shí)現其它設備所不具有的絕對距離測

量，基于這種*的測量方式，使得quDIS相對其他產(chǎn)品位移測量大，且與信號對比度無(wú)關(guān)，由于使用整個(gè)干涉模式來(lái)提取

位移信息，因此不存在非線(xiàn)性誤差。

關(guān)鍵特性：

共焦位移傳感器

光纖干涉儀

< 0.05 nm信號穩定性

絕對距離測量

工作距離0.2-5m

25kHz帶寬

3個(gè)傳感器軸

柔性光纖傳感頭

主要應用：

慢漂移測量

振動(dòng)分析

位置和角度

速度和加速度

質(zhì)量控制

分層結構的間隙和邊緣測量

quDIS針對不同應用目標的傳感頭組合

所有應用都需要不同的準直、聚焦和光束輪廓要求，這取決于反射目標。激光束的成形是通過(guò)不同的傳感頭來(lái)實(shí)現的。除了

聚焦頭和準直頭外，qutools還開(kāi)發(fā)了適用于惡劣環(huán)境的特殊頭，如真空或低溫。

	CB-2.3	FF-50	FF-50-1400	FA-30-1000	MI
傳感頭類(lèi)型	準直	聚焦	聚焦	測量角度	邁克爾遜
焦距（mm）	-	50	50-1400	-	-
工作距離范圍（mm）	20-5000	50 ± 0.5	50 ± 0.5-1400±0.5	30-1000	20-5000
光斑尺寸(2w0)	2.3	0.5	小于1	-	2.3
外形圖片

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