基于外差干涉的微振動(dòng)測量技術(shù)研究

劉 丹，鄭 賓，2，郭華玲，2，劉 輝，劉乃強(qiáng)

（1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）

引言

激光外差干涉技術(shù)因具有測量速度快、非接觸、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于微弱振動(dòng)信號的檢測。目前美國ZYGO公司研制的激光干涉儀采用傳統(tǒng)Michelson干涉儀原理，在單光路中利用聲光調(diào)制法獲得雙頻，分辨率可達(dá)0.31nm［1］。隨著超精密檢測技術(shù)的發(fā)展，對激光外差干涉儀的測量精度提出了更高的要求［2］。大量實(shí)驗(yàn)研究表明外差系統(tǒng)的實(shí)用性主要受其穩(wěn)定性和環(huán)境噪聲的影響。此外，頻移裝置的頻率漂移將引起干涉信號的不穩(wěn)定［3］，雜散光會導(dǎo)致光路噪聲大，降低系統(tǒng)的信噪比，影響干涉效率［4］。本文旨在對傳統(tǒng)外差干涉微振動(dòng)測量光路進(jìn)行改進(jìn)，提高系統(tǒng)的測量精度。

1 外差干涉原理

圖1 外差干涉光路示意圖Fig.1 Scheme of heterodyne interferometer

傳統(tǒng)外差干涉光路如圖1所示，激光器發(fā)出激光進(jìn)入聲光調(diào)制器AOM產(chǎn)生移頻，從AOM出射的光被分成了兩束［5］，一束為參考光，其頻率為ωl，經(jīng)M1和M3反射，進(jìn)入分束器M4。另一束光經(jīng)M2反射，經(jīng)過分束器M4入射到貼有反射鏡的樣品上，作為信號光，其頻率為ωs，信號光反射回M4，最終與參考光同時(shí)進(jìn)入光電探測器產(chǎn)生干涉信號［6］。光電探測器輸出含有相位調(diào)制的電流信號，其表達(dá)式為［7］

由（2）式可以看出，光電探測器的輸出電流由3部分組成，包括直流成分和相位調(diào)制的交流成分，其中直流項(xiàng)可以從測量中去除，而相位調(diào)制信號可經(jīng)過調(diào)相解調(diào)后得到u（t）［8］。當(dāng)于直流分量；第3項(xiàng)為和頻項(xiàng)，可以用低通濾波器濾去；α為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，為簡化令α＝1，所以光電流為

2 外差干涉光路的改進(jìn)

針對傳統(tǒng)外差干涉光路存在穩(wěn)定性低、嚴(yán)重受環(huán)境噪聲影響等缺點(diǎn)，對其進(jìn)行改進(jìn)。

首先，改為雙光路，外差干涉檢測技術(shù)對外界環(huán)境的干擾十分敏感，環(huán)境振動(dòng)會導(dǎo)致采集干涉信號過程中引入隨機(jī)相位誤差，而且以傳統(tǒng)方法利用聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電信號作為參考信號，難以保證預(yù)期測量精度［9］。利用差分原理改進(jìn)后的雙光路可以解決上述問題。

其次，利用偏振分光棱鏡PBS代替波片改變激光偏振態(tài)，增強(qiáng)干涉信號。使用波片時(shí)需要對準(zhǔn)光軸，調(diào)試過程復(fù)雜，使用PBS操作簡單易行，還避免了波片引入非線性誤差［10］。

第三，聲光調(diào)制器的不穩(wěn)定會導(dǎo)致衍射光級次混疊，帶來新的誤差。因此，使用高精度聲光調(diào)制器TSGMN-5，驅(qū)動(dòng)信號由高功率信號發(fā)生器提供。

第四，在聲光調(diào)制器后加入精密光闌，只允許衍射光中0級光和＋1級光進(jìn)入光路，消除干涉信號中雜散光的干擾，有效抑制了光學(xué)噪聲。改進(jìn)的光路如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后外差光路示意圖Fig.2 Scheme of improved heterodyne interferometer

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)改進(jìn)光路的效果，首先對模擬微振動(dòng)信號進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)過程中采用壓電陶瓷提供模擬振動(dòng)信號，通過外差干涉光路進(jìn)行采集，送入示波器，可以觀察到雙光路的干涉信號如圖3所示。改進(jìn)的兩路干涉信號幅值分別為552mV和736mV，相同條件下傳統(tǒng)外差干涉信號的幅值為66mV，信號幅值提高近10倍，對微弱超聲信號的檢測過程不再需要額外的放大電路，降低了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和成本。兩路信號幅值接近而且頻率穩(wěn)定，它的頻率為79.37MHz，與理想的80MHz的頻率相對誤差只有0.7%，降低了頻率不穩(wěn)對解調(diào)的影響，有利于下一步的信號處理。

圖3 改進(jìn)外差干涉光路信號Fig.3 Signal of improved heterodyne interferometer

用matlab解調(diào)出振動(dòng)信號，選取2組典型的信號來對比，分別是幅值為100mV頻率為5kHz的信號解調(diào)處理波形，如圖4、圖5所示。

圖4 原始光路采集振動(dòng)信號圖Fig.4 Vibration signals detected by traditional heterodyne interferometer

圖5 改進(jìn)光路采集振動(dòng)信號圖Fig.5 Vibration signals detected by improved heterodyne interferometer

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)光路得到的振動(dòng)信號紋波嚴(yán)重，低頻漂移導(dǎo)致幅值抖動(dòng)高達(dá)0.2mV，嚴(yán)重影響對微弱振動(dòng)信號強(qiáng)度的提取和分析。改進(jìn)后光路得到的振動(dòng)信號時(shí)域波形無紋波，不存在低頻漂移趨勢。傳統(tǒng)光路探測的頻域波形中除5kHz頻率成分外，還有噪聲頻譜成分。而改進(jìn)后光路探測信號的主頻為5kHz，雖然也存在其他頻率成分，但是旁瓣的幅值與主頻相差10倍，極大地降低了噪聲干擾。通過壓電陶瓷的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)位移與實(shí)驗(yàn)測量位移的對比，得到系統(tǒng)分辨率為2.3nm。

對高頻激光超聲信號進(jìn)行探測，實(shí)驗(yàn)中采用Nd:YAG脈沖激光器作為激勵(lì)源，波長1 064nm，脈寬7ns，能量150mJ，激勵(lì)被測樣品產(chǎn)生超聲信號。用改進(jìn)前后外差光路對超聲波進(jìn)行探測，對比結(jié)果如圖6、圖7所示。

超聲信號頻率高達(dá)2.57MHz，傳統(tǒng)光路探測結(jié)果噪聲信號幅度在0.2V左右，信噪比為7.5，由環(huán)境振動(dòng)引起的震蕩時(shí)間長達(dá)10μs，而新型雙光路探測結(jié)果中噪聲幅度小于0.04V，信噪比125，干擾震蕩時(shí)間僅2μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型雙光路外差干涉檢測系統(tǒng)的信噪比提高了16.7倍。

圖6 傳統(tǒng)外差干涉光路對超聲信號探測結(jié)果圖Fig.6 Ultrasonic signals detected by traditional heterodyne interferometer

圖7 改進(jìn)外差干涉光路對超聲信號探測結(jié)果圖Fig.7 Ultrasonic signals detected by improved heterodyne interferometer

4 結(jié)論

新型雙光路激光外差干涉微振動(dòng)檢測系統(tǒng)消除了環(huán)境振動(dòng)對外差干涉信號的影響，利用PBS改變偏振態(tài)，提高干涉信號幅值，操作簡單易行。增加光闌避免了雜散光的干擾，干涉信號更純凈，使得濾波處理得以簡化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型雙光路外差干涉系統(tǒng)可提高檢測的精度及信噪比，有利于納米量級微振動(dòng)信號檢測。

［1］ Frank C D.High-resolution，high-speed，low data age uncertainty，heterodyne displacement measuring interferometer［J］.Electronics，1998，25 （11）：1527-1531.

［2］ Zhong Zhi，Tan Jiubin.Study on residual cumulative error in fast ultra-precision measurement by laser interference［J］.Journal of Optoel Ectronics Laser，2005，16（3）：328-331.鐘志，譚久彬.激光干涉快速超精密測量殘余累計(jì)誤差研究［J］.光電子激光，2005，16（3）：328-331.

［3］ Huo Lei，Zeng Xiaodong，F(xiàn)eng Zhejun.Non-reciprocal characteristics of acousto-optic devices in laser heterodyne interferometer［J］.Journal of Optoel Ectronics Laser，2011，12：1765-1768.霍雷，曾曉東，馮喆珺，等.激光外差干涉中聲光器件非互 易 特 性 研 究 ［J］. 光 電 子 激 光，2011，12：1765-1768.

［4］ Suat T.Heterodyne interferometric technique for displacement control at the nanometricscale［J］.Review of Scientific Instruments，2003，74（11）：4876-4880.

［5］ Gong Yuliang，Li Hongwei，Bai Shiwu.Principle，method and experiment of ultrasonic displacement measurement by laser heterodyne interferometer［J］.Acta Acustica，1996，21（3）：259-264.龔育良，李紅衛(wèi)，白世武.激光外差探測超聲位移的原理、方 法 和 實(shí) 驗(yàn) ［J］.聲 學(xué) 學(xué) 報(bào) 1996，2l（3）：259-264.

［6］ Monchalin J P.Heterodyne interferometer laser probe to measure continuous ultrasonic displacement［J］.Rev.Sci.Instrum.，1985，56（4）：543-546.

［7］ Chen Hongfang，Ding Xuemei，Zhong Zhi，et al.High acceleration ultra-precision measurement model in laser heterodyne interferometer［J］.Opto Electronic Engineering，2007，34（8）：72-75.陳洪芳，丁雪梅，鐘志，等.高加速度超精密激光外差干涉測量模型［J］.光電工程，2007，34（8）：72-75.

［8］ Xu Su'an，Chen Le，Sun Jian，et al.Polarimetric interferometer for measuring nonlinearity error of heterodyne interferometric displacement system［J］.Chinese Optics Letters，2013，11（6）：197-201.

［9］ Hou Wenmei，Wang Jun.Subdivision and elimination of nonlinearity in heterodyne interferometers［J］.Acta Metrologica Sinica，2007，28（3）：210-215.侯文玫，王俊.外差激光干涉儀非線性的細(xì)分和消除［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2007，28（3）：210-215.

［10］ Zhou Xiaoshan，Li Yan.Absolute distance measurement by combining phase distance meter and heterodyne interferometer［J］.Journal of Applied Optics，2010，31（6）：1013-1017.周小珊，李巖.相位激光測距與外差干涉相結(jié)合的絕對距離測量研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010，31（6）：1013-1017.