文/嚴建偉，舜宇集團
現代激光干涉儀有機地結合了現代物理學理論和激光應用技術的特定產物，經過無數科技工作者不斷的完善，已被廣泛應用于工業、農業、國防、醫療和科研等領域。
激光干涉儀按原理可分為單頻激光干涉儀和外差激光干涉儀；按應用場景、使用功能可分為X射線干涉儀、F-P干涉儀、單頻激光干涉儀、雙頻激光干涉儀和半導體激光干涉儀。
X射線干涉儀
X射線干涉儀用于晶體缺陷方面的檢測研究，測定晶體參量、晶體結構因子等基本參數，測定X射線的折射率、波長、伯格斯矢量、阿伏伽德羅常數。監測晶體缺限引起的晶體點陣中的微小角偏轉、微小點陣參量失配。
X射線照射晶體，散射的電子在相鄰散射線程差為波長整倍數的方向上產生干涉，出現X射線衍射線。當入射角非常小時（≤20’），產生全反射。
二晶、三晶透射型干涉儀均是分束器S將通過晶體的X射線，分成相干的直射束和衍射束，經過M鏡面將光束合，在分析器A形成駐波干涉條紋。分析器將駐波干涉條紋放大 為X射線疊柵條紋，通過疊柵條紋的微小變化，進行高精度有效檢測（見圖1）。
圖1：二晶干涉儀(左)和三晶干涉儀（右）示意圖。
采用COXI系統的X射線干涉儀，檢測研究 NPL（英國國家實驗室）的JAMIN型差動平面 鏡光學干涉儀，利用與X射線干涉儀的對準，校準測量傳感器位移，光路結構見圖2。X射線干涉儀是測量亞納米級別的高效計量工具。
圖2：NPL JAMIN型干涉儀結構及與X射線干涉儀結合對準。
F-P干涉儀
作為光譜儀，F-P干涉儀具備優質色散、色分辨率、自由光譜范圍，用于超精細結構的譜線分析、濾光器的選頻作用(見圖3)。
圖3：F-P腔（a）和多光束干涉（b）。
F-P干涉儀可用于各類廣泛的傳感應用。
（1）應變傳感器
光纖F-P腔傳感頭，存在腔長與相位、光強之間變化，可用于航天工程、建筑工程、大型橋梁等基礎設施。
（2）微位移傳感器
具有高分辨率、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、防爆特性，是應變、壓力、振動加速度、 流量的測量基礎。通過將F-P腔腔長的微小變化轉化為強度信號，實現直接快速地對待測目標的微位移進行測量。寬帶光源，經F-P后干涉后，呈梳妝波（見圖4），根據相鄰波峰的中心波長與F-P腔長的關系，能夠精確實現位移的絕對測量，精度為納米級。
圖4：F-P測量系統。
（3）聲發射傳感器
聲發射是當材料處于變形、斷裂時，材料中局域源快速釋放能量產生出瞬態彈性波現象， 強度很弱，需通過相應儀器測定。F-P干涉儀的聲發射傳感器可用于以下領域：
石油化工工業：各類容器、閥門的檢測；
電力行業：變壓器放電、高壓容器、汽輪葉片、汽輪機運行軸承、鍋爐泄漏等檢測；
材料試驗：材料性能及斷裂、疲勞、磨擦試驗；
航天航空：航天器結構、新型材料的疲勞、時效試驗，發動機葉片、殼體斷裂探測，變速箱過程檢測；
金屬加工：工具磨損、斷裂探測，加工過程中的焊接、振動、鍛壓測試；
交通運輸：鐵路材料和結構的裂紋探測，車輪、軸承斷裂探測；
聲發射傳感器還能檢測結構件的疲勞及缺限，監測焊接、腐蝕過程、金屬加工過程探測。
F-P干涉儀的聲發射傳感器EFPI傳感頭見圖5。
圖5：F-P干涉儀的聲發射傳感器EFPI傳感頭。
（4）微弱磁場傳感器
基于F-P干涉儀的微弱磁場傳感器，具有抗振、結構緊湊、靈敏度好、分辨率高等特點，廣泛用于軍事制導、獵潛、醫學工程、地質探礦等領域。將F-P腔的反射面與磁致伸縮材料連在一起，由磁致伸縮引發F-P腔長變化，構成F-P干涉儀的高精細度弱磁傳感器結構（見圖6）。
圖6：基于F-P干涉儀的高精細度弱磁傳感器結構。
除了上述應用外，F-P干涉儀還可以用于溫度傳感器、加速度傳感器等廣泛的傳感領域。
單頻激光干涉儀
激光器發射出來的光束，擴束準直后，經分光鏡形成兩路光束。再經固定反射鏡、可移動反射鏡反射后，在分光鏡上合成產生相應的干涉條紋；經由相應的光電器件，按干涉條紋的光強度變化將光信號轉化為電信號；經過信號的放大整形后，輸入可逆計數器，計算出總脈沖數；按相應的計算規則，即可測算出可動反射鏡的位移量（見圖7）。該系統對測量環境的穩定性有一定要求，目前產品設計是系統帶上補償單元。
圖7：單頻激光干涉儀原理圖。
激光干涉儀具有測量范圍大、測速快、高精度、高分辨率等特點，當與其他光學組件有效組合，可完成進行直線度、平面度、垂直度、角度等幾何指標的測量。結合計算機系統， 在相關應用軟件和模式的支持下，可完成數控機床系統的動態性能指標測量，如滾珠絲桿、導軌組件的動態特性測量分析。機床振動、機床驅動系統響應特性的測試分析，為數控機床系統修正誤差提供相關測量數據，有效保證數控機床系統的精度、設備正常生產使用率。
斐索型激光干涉儀（見圖 8）是一種高精度、共光路面形計量干涉儀，其融合了機械相移技術、數據采集技術、高性能的光電成像系統、振動補償軟件、非球面測量技術、波紋抑制技術等，數控步進聚焦，測量時對干涉腔長進行精確調制，能對樣品細微面形、光學元器件的平面、球面面形和透射波陣面提供快速、高精度干涉測量，具有高精確度及重復性，相干長度＞100m，成像分辨率1000×1000像素。
目前實際可測量玻璃、塑料光學元件、平面、透鏡、棱鏡、精密合金件、拋光件、陶瓷、接觸鏡、電腦磁盤、軸承和封接面等。索型激光干涉儀和位移干涉儀組合形成非接觸、快速、高精度的非球面3D測量激光干涉儀。
圖8：斐索型激光干涉儀。
雙頻激光干涉儀
加有微弱軸向磁場（約0.03特斯拉）的氦氖激光器，因塞曼效應、頻率牽引效應，產生出不同頻率、旋向相反的兩束圓偏振光。當通過1/4λ波片后形成相互垂直的兩束線偏振光，經分光鏡分成兩路光束，一路經偏振鏡1形成f1-f2參考光束。另一路經偏振分光棱鏡后繼續拆分為兩路光束，一路為f1光束，另一路由可動反射鏡反射后成為f2±△f光束。經偏振片2合成后，成為f1-(f2±△f)的測量光束，由相應的光電器件，將光信號轉換為電信號。經放大整形后，通過減法器，輸出±△f的電脈沖信號，經可逆計數后，按相應計算規則，可測得反射鏡的位移量。
該系統抗干擾能力強，光信號與電信號變化時，相互影響小，常用于各類機、電測量系統，完成高精度直線度、平面度、微小角度的測量，原理見圖9。
圖9：雙頻激光干涉儀原理圖。
雙頻激光干涉儀的光電探測器系統獲取的是光頻變化信號，并以此來計算位移量。
在單頻激光干涉儀的基礎上，通過外差式形成雙頻激光干涉儀，以波長為標準，計量被測長度，完成相應的幾何測量。可檢定坐標測量機、量塊、量桿、刻尺、光刻微定位、存儲器記錄槽距等。通過與其他有效光學器件的組合，可實現線性、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等幾何測量，廣泛用于高精度位移測量、數控機床、三坐標機、光學平臺校準測量。雙頻激光干涉儀的系統精度可達±0.4ppm，分辨率0.6nm，可多軸路同步測量（見圖10、11）。
圖10：X、Y、Z 三方向同測位移量。
圖11：垂直方向上測位移、偏擺、俯仰角。
半導體激光干涉儀
半導體激光器具有體積緊湊、低電壓、低功耗、使用方便的特點，由于激光二極管的發散角較大，輸出光斑為橢圓狀，傳輸過程衰減明顯。其與傳統干涉儀（如邁克耳遜干涉儀）結合，在短光程條件下能實現干涉效果，實現微位移、微振動量的精確測量（見圖12）。激光光源通過短焦距透鏡，匯集發散光源，分束鏡A固定于焦距內，M1、M2反光鏡放置于焦距附近，光路保持同軸性，經機械結構微調，屏上出現等傾干涉條紋。
圖12：半導體激光干涉儀原理圖。
通過干涉條紋的變化，由光敏器件將光信號轉化位電信號，經相關電力系統處理，可進行高精度、微小微移量的精準測定，檢測微小振動振幅和頻率，實現邁克耳遜干涉儀的微、 小型化。
半導體激光光源搭載傳統干涉系統，綜合光學、物理、醫療生化、精密機械、光電子學、 信號處理等技術，具有非接觸、高精度、結構緊湊、準確度高的特性。融合外差干涉系 統、光纖傳輸、光電探測器件、計算機及自動控制應用的軟件系統，與F-P腔結構組合制成高精度壓力測量系統及各類光纖傳感器，可有效測定位移、壓力、速度、液位、角速 度、振動等物理量。
該類光纖傳感器具備抗干擾、耐腐蝕、響應快、高靈敏度、結構簡潔、損耗小等優點，形成應用廣泛、實用性強的測量儀器。同時半導體激光光源也在不斷改進，采用分布反饋（DFB）、分布布喇格光柵（DBR）半導體激光器提高光源的穩定性、單色性，保證干涉效果。
結語
激光干涉儀系統得到的數字化干涉圖，通過移相干涉術、波面求解算法，提取波面信息， 數字波前分布，分析出光學元器件的誤差參數。通過光學系統測定出光學元件的像差分量、PV面形值及RMS值、平晶夾角、棱鏡角度誤差、材料折射率及均勻性、棱鏡二面角 偏差等參數，經過相關波面求解計算得到PSD功率譜密度、MTF調制傳遞函數、GRMS梯度均方根值等有效參數值。未來向寬波段、瞬態高速測量、高空間分辨率、高相位分辨率方向發展。
參考文獻：
1.錢瑞海 孟迎軍. 半導體激光干涉儀在微振動測量中的應用. 南京；南京理工大學 https://www.docin.com/p-937439030.html
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