双纵模He-Ne激光单模干涉在大尺寸测量中的研究

吴 斌，喻洪平，莫 莉

（成都大学工业制造学院，四川 成都 610106）

1 引 言

随着航空航天、军事工业、重型机械、船舶工业等的发展，对于这些领域中的大型零部件几何尺寸的精度要求越来越高，对于相应测量手段的精度要求也越来越高，并且要求其具有良好的“环境适应性”——便携性。近年来，国内外对大尺寸测量进行了大量的研究，绝大多数是以“多光束干涉法”为基础，利用“小数重合法”进行测量，除了拍波波长本身的稳定性外，其中对整数倍拍波波长被测长度位置确定的精度是至关重要的。在前期研究当中，是采取对分别经过参考光路和测量光路的拍波信号的初始相位差的测量，来实现该位置的确定[1]。由于拍波信号频率较高，波长较长，要实现更高精度的测量比较困难，因此需要研究出更好的方法来实现高精度的大尺寸测量。

2 基本测量原理

在热稳频系统中，通过采样两个激光纵模的光强差，以此作为控制信号并通过控制电路直接调节激光器放电电流的大小，从而改变激光谐振腔的腔长以达到稳频的目的。

根据前面所述，如果以该高稳定性的拍波长作为测量基准，则可将任意长度分解为整数倍拍波波长长度和不足一个拍波波长长度两部分。对于前者只要能够精确确定被测长度中整数倍拍波波长长度的位置，就能很容易地测量出剩余部分长度的大小，并能够通过估算的办法得到前者的具体长度，从而得到整个长度的精确大小。由此可见，整数倍拍波波长长度位置确定的精度直接影响到最终测量精度的高低，也是非常关键的因素之一。

由于该测量实际是以两个纵模所形成的拍波波长作为测量基准，而这两个纵模是相互垂直的线偏振光。如果它们通过同一光程，并分别形成单模干涉，其干涉信号将随光程的变化而产生相应的变化，这种变化必然存在一定的规律，并与被测长度与拍波波长之间的关系有关。

在该测量系统中，采用了谐振腔长度为240～265mm的He－Ne激光作为光源，利用激光热稳频技术，可使其输出两个频率稳定纵模激光。其最主要的特点是，经过实验研究证明[2]，在普通环境条件下，这两个纵模分量所形成的拍波频率的稳定性优于1×10-7，从而可以提供一个在现场测量条件高稳定性的拍波波长，这首先解决了大尺寸测量中的基准问题。如果这两个纵模分量均分别通过测量光路和参考光路，则可得到测量光路：

参考光路：

式中：f1、f2——两个偏振分量的频率；

λ1、λ2——两个偏振分量的波长；

Lm、Lr——测量光路和参考光路的光程长度。

如果让这两个激光偏振分量分别进行单模干涉，则采用光电接收器所接收到的干涉条纹信号分别为：

3 光学测量系统设计

图1 测量光学原理图

基于上述基本测量原理，设计了如图1所示的光学测量系统。图中所示的热稳频He-Ne激光器1，可以发射出一束包含两个相互正交的线偏振分量的光束，其频率相差为650～700MHz，这就可形成一个波长大约在450～500mm之间的拍波，其拍波波长在普通环境下，可达到10-7～10-8[3-4]。该光束经过平行光管2后，成为平行光束并经过消偏振分光镜3分为两路，一路经过参考光路，另一路经过测量光路，由角锥棱镜4反射后，与参考光束在消偏振分光镜5处汇合。参考光束透射部分和测量光束反射部分，经过偏振分光镜6后，其中的两个偏振光分量，来自参考光路和测量光路的相同偏振分量汇合，并分别发生单模干涉，干涉条纹信号经过两个光阑7、9，由光电接收器8、10分别接收后，转换成电信号输入到控制电路进行处理[5]。

在测量中，采用一个不大于一个拍波波长长度的导轨，角锥反射镜可在其上作直线运动。测量时，当角锥棱镜从被测长度的一端开始沿短导轨向另一端作直线移动时，启动对其中一个单模干涉条纹进行计数，同时对两路单模干涉条纹进行监测。当两者同时出现亮条纹时，由控制电路发出计数停止指令，干涉条纹计数停止，所计数的结果即为被测长度中不足一个拍波波长的部分。对于整数倍拍波波长部分，可采用通常的方法如皮尺测量等，可以很容易地确定出n值大小[5-6]。

4 结束语

在该测量方法中，影响测量精度的主要因素有拍波波长的稳定度、整数倍拍波波长长度位置确定精度、不足整拍波波长长度的测量精度、测量路径空气扰动、激光光强波动等，其中前两项影响最大。由于这里所采用的热稳频激光光源能形成一个稳定度在10-7～10-8的拍波波长，较好地解决了拍波波长不稳定对大尺寸测量精度的影响；利用双纵模He－Ne激光所形成的两个单模干涉间随被测长度变化的关系，确定整数倍拍波波长长度的位置，可以以小于0.632 8 μm的分辨率来确定该位置，因此能够实现相对较高的精度。对于其他因素，可采用传统激光干涉测量所采用的方法解决[7-9]。

综上所述，该测量方法可以解决大尺寸精密测量技术中影响测量精度的两个主要难题，即整数倍拍波波长长度位置的精确确定和实现无长导轨测量大尺寸，从而可实现对大尺寸的高精度便携式测量的工程应用。

该文创新点：利用双纵模热稳频激光的两个单模干涉实现整数倍拍波波长的被测工件大长度尺寸确定，突破传统的双频激光干涉仪所必需的导轨，解决了该段长度测量精度难题。

[1] 喻洪平，吴 斌，莫 莉.基于He－Ne双频激光干涉的大尺寸精密检测技术[J].工具技术，2009，43（6）：119-121.

[2]周肇飞，吴 斌，张 涛.双纵模激光作无导轨大尺寸精密测量[J].光电工程，1996，23（4）：50-55.

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