[发明专利]共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪

说明书

本发明涉及计量技术，属于长度、速度的精密测量技术领域。

激光干涉仪由于它的测量精度高，在长度、角度、位移速度和角速度等的精密测量中得到了广泛的应用，同时还可用它制成地震仪、应变仪、重力仪和工业自动化监控装置等专用仪器设备。

激光干涉仪的测量精度主要取决于激光频率(或波长)的稳定性。激光共振腔的选频作用是激光优良单色性的保证。共振腔的长度会随温度等环境因素而变化，导致激光器发射的激光频率会随时间漂移变化，引起干涉仪的测量误差。提高测量精度的常用办法是使激光器的频率稳定化。在使激光器频率稳定的各种措施中，以伺服稳频系统的效果最佳。其中用塞曼效应取得伺服稳频系统的误差信号的稳频系统同时还能取得双频激光。用双频激光器作成的干涉仪能大幅度减小光电探测器的低频噪音引起的误差，它比单频激光干涉仪的抗干扰能力更强，对工作环境条件要求也就更低。故商品中最常见的是塞曼效应稳频的双频激光干涉仪。(参阅华中工学院、天津大学、西北电讯工程学院合编的《激光技术》、湖南科学技术出版社出版)。

使用激光伺服稳频系统虽然可大幅度减小干涉仪的测量误差，但是使干涉仪结构复杂、成本昂贵，更主要的是激光稳频所达到的世界最高频率稳定度Δf/f只是1×10^-14，1×10^-15的频率稳定度还是未来的目标(参阅《我国激光发展战略研究》，上海科学技术文献出版社1988)，目前稳频激光干涉仪因激光频率漂移引起的测量误差Δf/f不小于1×10^-14。

一种声光调制式外差干涉仪(美国专利5061071号)如图4所示。它包括：1，由激器(10)、偏振分束器(14)和(18)、反射面(16)和(20)以及声光调制器(22)和(24)组成的外差系统、此系统起一个双频激光器的作用，由光电探测器(30)检测出声光调制产生的差频信号Sf_B；2，由所说的外差系统、偏振分束器(40)、其上设有物镜(36)的反射面(34)、反射面(38)和光电探测器阵列(56)构成的第一干涉系统，此系统产生的干涉信号Sf_W用来控制压电陶瓷调节器(70)的伸缩，使物镜(36)的焦点总是落在被测物体表面(34)上；3，由所说的外差系统、偏振分束器(46)、随物镜(36)移动的反射镜(42)、固定反射镜(44)和光电探测器(68)构成的第二干涉系统，此系统产生的干涉信号SfD与所说的差频信号Sf_B相比较用来测量出物镜(36)位置移动所产生的频移和相位变化，从而给出被测物体表面(34)的起伏情况。

这种声光调制式外差干涉仪既具有双频干涉仪的抗干扰能力强能抑制低频噪音的优点，又能在不用伺服稳频系统的情况下连续工作，因此造价可降低。但是它仍然要用昂贵的偏振分束器，随之而来又要用1/4波片和起偏器等附件，结构仍较复杂，成本还是偏高。它的最主要的缺点是测量精度低。因为它未用激光稳频系统，它的第一和第二干涉系统功能上彼此独立，没有用来解决激光器频率漂移引起的拍频测量误差问题，这个问题用图4这种无特定对称性的双干涉系统也不能解决。而且声光调制器因温度的变化、电源的不稳以及自身的不稳定又会使调制出的差频信号Sf_B随时间变化，也就是说，双频激光束先后到达光电探测器(30)和(68)时具有不同的频差，即使所有的反射镜都完全静止不动，信号Sf_D与Sf_B也将有不同的频率值，通过比较Sf_D与Sf_B所求得的物镜(36)移动所产生的频移就存在误差。声光调制频率的不稳和激光器频率的不稳都会影响干涉仪的测量精度。若为提高精度而采取恒湿、稳压和稳频等措施，伴随而来的是干涉仪装置的复杂化和成本的大幅度提高。

本发明的目的是用新方法替代传统的稳频方法，使激光干涉仪因频率漂移产生的测量误差Δf/f减小到1×10^-18以下，同时使干涉仪的结构简单，成本更低廉。