外差干涉、白光干涉
文摘
科学
2024-09-10 11:58
江苏
光的干涉作为一种测量手段广泛应用于各种测量应用，比如震动检测、形貌检测、折射率检测等；干涉测量术是一种非接触式测量技术，对样本无损伤、测量精度高、速度快。常见的干涉仪有：迈克尔逊干涉仪、马赫干涉仪、赛格纳克等；迈克尔逊结构的干涉仪及其衍生测量仪器通常用于表面测量，震动测量等，马赫结构的干涉仪及其衍射物通常用于透射样本测量，如生物样本、全息术等；赛格纳克干涉结构一般为光纤结构，通常用于制作激光陀螺仪，用于民用、军用飞机以及导弹导航。利用干涉技术在实际测量过程中，由于其主要依赖于光程差进行测量，轻微震动就会影响测量结果，因而对测量环境要求较高；在这个前提下，我们可以引入区别于传统零差检测的技术—外差检测；外差信号是一种利用多普勒移频效应，使光的频率发生轻微改变，再与原来频率的光相干，从而得到的差频干涉光拍信号（双频激光器），相比于传统迈克尔逊测量结构，外差信号是时变的，当样本上下震动时，时变信号频率在原本的频率附近震动，求解这个震动频率和幅度就可以得到样本的震动信号；此技术可以用于震动测量、面型测量等；相比于零差干涉，外差干涉信号的强度变化对测量的影响可以忽略，测量精度更高、抗干扰能力更强。下图为利用声光器件获得外差信号的两种方式原理图（另外还可以利用电光、磁光获得差频信号），利用声波使晶体折射率呈周期分布，形成类似移动光栅的结构，使透过的光发生衍射以及多普勒效应；再让两束光干涉，就可以得到差频信号，也就是我们常用的双频激光器。![]()
图二：锐光凯奇外差干涉仪，可以输出30mhz光拍信号
对于零差激光干涉仪而言还存在相位、周期重叠的问题，当样本的相位差刚好为光源的一个波长时，可能存在无法分辨的情况，要解决这个问题可以利用扫描光谱代替单一波长的激光，也可以直接利用白光led之类的宽谱光源作为光源，相比于激光，led相干长度更短， led的干涉信号有绝对的零光程点，不存在相位重叠的问题，在应对一些突然的相位跳变问题的时候有着得天独厚的优势。另外led白光干涉技术的解相位可以不依赖于系统的移相精度和重复精度。利用白光干涉手段测量的结构一般有三种：Michelson、Mirau、Linnik。下图为锐光凯奇linnik白光干涉仪采集的白光干涉信号强度分布图以及重构图，可以看到相比于激光干涉强度分布，白光干涉有着非常突出的零光程位置，可以很好的避免相位的重叠问题。图三：白光干涉
图四：重构图
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对于透明样本而言，像气体、液体等测量，以及全息术，一般会采用马赫结构，一般的激光马赫同样会存在相位重叠等问题，在这里我们依然可以将光源换成宽谱白光led，用来解决激光照明下相位重叠的问题，下图为锐光凯奇搭建的白光马赫干涉仪。
