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双频外差激光干涉仪 班 级 名：应用物理学1401 班 作 者：U201410186 赵润晓 同组成员：U201410187 王羽霄 实验时间：2016 年11 月30 日 摘要：本实验在分析双频外差激光干涉仪的基础上，构建光路，实现了利用双频干涉 侧脸位移量的功能。 关键词：双频外差激光干涉仪 声光调制器 光路构建 一、引言 【实验目的及原理】 1. 实验目的。 ①了解双频外差激光干涉仪（dual-frequency heterodyne interferometer ）的工作原理。 ②熟悉各种光学镜片的功能及原理。 ③熟悉双频外差干涉仪基本光路的设计和搭建，通过声光调制器（或称声光移频器）产生双频 激光光束，并观察干涉仪的干涉信号。 2. 实验原理。 激光的发明使得精密测量有了新的发展方向，用激光测量长度（位移或距离）主要方法有两 种。一是以迈克尔逊干涉仪为基础的单频干涉仪；另一种是双频激光干涉仪。 ①单频激光干涉仪，从激光器发出的光束经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反 射镜和可动反射镜反射回来，会合在分光镜上而产生干涉现象。当可动反射镜移动时，干涉条纹 的光强变化由接受器中的光电转换元件（光电传感器）和电子线路（信号放大器）等转换为电压 信号；然后经整形、放大后输入信号采集系统算出相位差，最后再由相位差算出可动反射镜的位 移量（一个周期对应半波长）。由于激光频率甚高(1014Hz量级)，无法直接测量光的相位，光程 差检测的传统方法都是干涉强度法，即测量由相位差所引起的光干涉信号的强度变化，间接地测 量光程差。 单品激光干涉仪因此具有稳定性差的缺点。许多内部（电子噪声和长期漂移等）和外部因素 （环境变化，如温度、大气压力、折射率等的变化）都会对测量结果产生影响。 ②目前高精度的激光干涉仪大多为双频激光干涉仪，产生双频激光的方法主要是利用塞 曼效应（Zeeman Effect）和声光调制器（Acousto-Optical Modulators，AOM）。塞曼效应受频 差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。声光调制方法得到的频 差通常较大，一些产品双频激光频差达到20MHz 以上。双频激光干涉仪是应用直接测量两个信号 的相位差来决定位移的。这种位移（亦即光程差）信息载于两种频率光束干涉后产生的拍频信号 上；因此，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长 机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可直接用作测长机、高精度三坐标测量 机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。 本实验运用的是基于声光调制器的双频外差激光干涉仪。见图1。氦氖激光器输出的激光光 束通过分光镜BS1 分成两束，分别经过声光移频器产生频率为f1 和f2 的光束（原理参考背景知 识）。两束光再分别通过分光镜BS2 和BS4 各自分成两束，频率f1 和f2 的光束经过分光镜反射 后产生干涉，形成参考光束，并通过光电探测器PD1 接收干涉信号。另外，透过BS2 和BS4 的f1 和f2 的光束分别通过反射镜M1 和M2，当位于测量臂上的反射镜移动时（例如M2 前后移动 时），测量臂（由BS4 到M2）光程变化导致测量光束的相位发生变化，因而干涉后的拍频测量信 号的相位也发生变化，此测量信号由光电探测器PD2 接收。通过示波器（Oscilloscope）比较参 考（光束）信号和测量（光束）信号的相位差，即可得出干涉仪两臂光程差的变化量，继而得出 可动反射镜的位移量。 图1 基于声光调制器的双频外差激光干涉仪 二、实验过程 【实验内容】 1. 使用声光调制器对He-Ne 激光光束进行频率调制，产生不同频率的激光输出。 2. 搭建激光干涉仪实验光路。 【实验仪器和方法】 ①实验仪器 激光光源 （He-Ne Laser）、分光镜、反射镜、声光调制器、光电探测器等光学器件。 ②实验方法： 1. 对实验器件及各种光学元件进行了解，并熟悉仪器操作及光学镜片的功能； 实验中分光镜、反射镜等简单光学器件和激光光源、光电探测器在往常的实验中基本 熟悉。本次试验中声光调制器是实验成败的关键。 当超声波在介质中传播时（对介质施加射频信号），将引起介质的弹性应变作时间和 空间上的周