摘要:现代机械工业的发展使得数控机床和三坐标测量机等的运行速度已经达到1 000 mm/s,而目前商用外差干涉仪的测量速度不能满足这一要求。为此研制了一种基于5 MHz频差双反射膜激光器的高测速干涉仪。通过实验对干涉仪的测量速度进行了验证。实验证明,该种干涉仪可以对速度为1 000 mm/s的运动物体进行位移和速度测量。
1引 言
外差激光干涉仪广泛应用于机械工业位移,速度测量领域。在微米精度外差干涉仪中,为满足测量高速运动机械的要求,广泛采用具有较高频差的纵向塞曼激光器。目前,HP公司生产的双频激光干涉仪频差可达到3 MHz,即可对运动速度达750 mm/s的运动物体进行测量。但现代机械工业的发展使得数控机床,三坐标测量机等的运行速度有了更大的提高,如加工中心工作台运行速度已达1 000 mm/s[1],美国B_S公司Scirocco三坐标测量机运行速度达到866 mm/s,这就要求外差激光光源频差要高于4 MHz,因此,提高激光光源的频差,提高双频激光干涉仪的测量速度是机械工业发展的必然要求。
常见的产生外差的方法有三种,为塞曼效应法[2-4],频率分裂法[5-7],声光调制法[8]。塞曼效应激光器可以分为纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器,横向塞曼激光器输出光的两频率分量为正交的线偏振光,具有良好的偏振特性,但频差一般较低,为几百kHz,纵向塞曼激光器输出光的两频率分量分别为左、右旋的圆偏振光,其频差较横向塞曼激光器高,但一般低于3 MHz,这主要是由于输出频差大于3 MHz时,对应于左右旋圆偏振光的增益曲线将完全分离,从而不能输出双频。频率分裂法是基于频率分裂的原理,通过在激光谐振腔内加入双折射元件实现的。双折射元件可以为自然双折射晶体,如晶体石英片,或电光晶体或是人工双折射元件,如应力片。当光通过双折射元件时,由于双折射效应使被分解的互相垂直的两偏振分量的光的光程不同,从而引起相应的光频发生分裂。其特点是可以产生很高的频差,但加入双折射器件使激光器结构复杂,稳频困难,双折射晶体的温度波动会造成频率漂移。以Zygo公司为代表的声光调制法是利用声光效应使衍射光产生频移。利用声光调制法获得双频激光,必须将激光先分光、起偏,然后分别进行调制,再合光成为包含两个正交偏振分量的激光束。声光调制器的振荡频率由石英晶振提供,频差值可达20 MHz,频率稳定性非常好,可以利用锁相放大器处理信号。其缺点是:稳频、调制、合光等环节使光强损失大,光学结构复杂,调整困难。因此必须寻求新的更简洁的、可用于高测速激光干涉测量系统的外差光源。
正是基于这样一种需求,本文介绍一种由偏振双反射膜双频激光器[9]构成的高测速激光干涉仪,测量速度可达1 000 mm/s,可以适应对现代数控机床,三坐标测量机等1 000 mm/s的运行速度进行测量的需要。
2 偏振双反射膜双频激光器
偏振双反射膜双频激光器结构如图1所示,由双反射膜双频激光管加横向磁场构成。
实验表明,横向磁场与激光管相对位置选择合适时,输出光为很好的正交线偏振光[10]。
采用热稳频方法对该种激光器进行稳频[2]。稳频后的激光器与国家计量科学研究院的碘稳频激光器进行拍频比对,结果表明,激光器的频率稳定度为6.6×10-10(1 000 s采样),平均真空波长扩展不确定度为3×10-8(K=3)。
3 高测速激光干涉仪
激光干涉仪的简单原理图如图2所示,GCG-5M为高频差稳频双频激光器,频差为5.375 MHz,两频率分量(f1,f2)为振动方向互相垂直的线偏振光。输出光经分光镜BS后,反射光经检偏器P1被光电探测器D1接收,形成参考信号,透射光经偏振分光镜PBS分为两束,一束被反射到固定角锥棱镜Mr,另一束被透射至测量镜Mm,两束光反射后经PBS合成一束,经检偏器P2被光电探测器D2接收,形成测量信号。参考信号和测量信号经前置放大后,送入外差信号处理系统,进行计数,从而得出测量镜的位移。
由多普勒原理可知,在双频激光干涉仪中,多普勒频移Δ&UPSilon;与测量镜的移动速度v的关系由下式决定
其中λ为测量路的光波长。光电接收器接收到的信号频率为f=f1-f2+Δυ,为避免低频噪声,f不能为0,其下限值由接收器的带宽决定,通常为几K到几百K。为计算方便,设定干涉仪下限频率为0.375 MHz,由于双频激光器频差为5.375 MHz,所以最大多普勒频移为Δυ= 5 MHz。则最大测量速度为
即理论上激光干涉仪的测量速度最大可以达到1 580 mm/s。但实际的测量速度还会受到信号处理电路带宽的影响。
4 实验装置
根据目前的客观需求,本文提出的目标为测量速度1 000 mm/s。由于目前找不到可以进行高速测量的干涉仪进行比对,为了测试该干涉仪在运行速度为1 000 mm/s时能够正确测量,进行如下实验(如图3):将测量镜Mm固定在一个可以沿导轨运动的小车上,在距离偏振分光镜约2m处放一扭簧表,该扭簧表用于确定基准位置;扭簧表型号:瑞典CEJ 500A-7;测量范围:±25μm,分辨率:0.2um。扭簧表固定在导轨上,其测头位于与测量镜入射光与反射光中间位置以减小阿贝误差。实验过程中,首先快速拉动小车,记录该过程中的最大速度,当接近扭簧表时,速度减慢,使测量镜接触扭簧表,且扭簧表的读数与基准位置时相同,记录此时干涉仪读数,然后返回,再重复上述过程若干次。若记录中某一过程或某几个过程中的最大速度大于1 000 mm/s,且每次记录的干涉仪读数相同,则证明在该方向上的测量结果正确,且最大测量速度可以达到1 000 mm/s。反方向上,也必须做同样的实验,因为(f1-f2) +ΔfD和(f1-f2) -ΔfD分别考核高频段和低频段的计数,从而在两个方向上验证激光干涉仪的测量速度。
5 实验数据
表1和表2分别为干涉仪在频率增加方向和频率减小方向的测量结果。
实验时间: 2000年4月3日
实验地点:精仪系馆1307
实验条件:温度:20.5℃ 气压:1003hPa
湿度:50%
从表中可以看出:当测量镜运动速度不超过1 000mm/s时,差值Δl小于±1.0μm,为可靠起见,可以认为干涉仪在测量速度为1 000 mm/s时能够正确计数。
6 结 论
本文在5.375 MHz频差偏振双反射膜双频激光器的基础上实现了用于高速测量的激光干涉仪。给出了高测速激光干涉仪的基本结构,设计了用于测试高测速干涉仪的实验装置,对干涉仪对应于频率增加和频率降低两个方向上的的高速性能进行了实验研究,结果表明:干涉仪可以对速度为1 000 mm/s的高速运动物体进行测量。
参考文献:
[1]沈福金,谭汝谋.从CIMT' 99看我国机床工业的进步和差距[J].制造技术与机床,1999(12):
[2]戴高良.双频激光纳米干涉测量技术的研究[D].北京:清华大学精密仪器与机械学系,1998
[3]李利聪,李恭亮.纵向塞曼激光器的磁场与频差特性[J].激光杂志,1989, 10(1):36—38
[4]巴恩旭,扬性愉,刘玉照.横向塞曼激光器的实验研究[J].光学学报,1984, 4(5):398—405
[5] Shulian Zhang, Hui Guo, Kelian Li, etc. Laser longitudinal modessplitting phenomenon and its applications in laser physics and activemetrology sensors [J]. Optics and Lasers in Engineering, 1995(23):1—28
[6]张书练,李岩.面向21世纪的双频激光及相关测量科学技术[J].中国机械工程,2000, 11(3):266—269
[7]金玉叶. 3～40 MHz小频差双折射He-Ne双频激光器的原理及器件研究[D].北京:清华大学精密仪器与机械学系,1999
[8]殷纯永.质量工程导论[M].北京:中国计量出版社, 1998
[9]殷纯永,郭继华,毛文炜,高赛.偏振双反射膜双频激光器[P].中国:发明专利.专利申请号:99123748.X
[10]高赛,殷纯永,郭继华.双反射膜双频He-Ne激光器双频特性及偏振特性的实验研究[J].光学技术,2000,26(6):529—531
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.59735120)
作者简介:高赛(1971-),女,河北深县人,清华大学博士研究生,主要从事高测速激光干涉测量系统的研究。
