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激光应用技术的特定产物，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