差频量子干涉仪原理及应用

在这类干涉仪中，激光器的谐振腔被用作形成测量信息的测量干涉仪。这时，为了确定距离要应用下列情况，即谐振腔两相邻纵模之间的频差是腔长的函数

Δv=c/（2L） （1）

式中，Δv是频差；L是谐振腔腔长；c是谐振腔内的光速。

因此，当一个反射镜移动一段被测距离时，差频的大小要发生变化，并且位移由下式决定：

ΔL=±2L²ΔF/c

式中，ΔF是差频的变化量。

这类量子干涉仪的基本优点是：将线性尺寸的测量归结为频率的测量，而频率可以进行高准确度的自动测量。为了实现差频量子干涉仪，激光器必须是单模双频振荡。

图1（略）为测长量子干涉仪的原理图。谐振腔的一个反射镜10是半透明的，并且固定不动，而另一反射镜3是不透明的，它可沿谐振腔的光轴移动。反射镜可以是平面的，也可以是球面的，它们之间的距离由谐振腔的损耗所限制。利用孔径可调光栏2可以获得激光器的单模振荡。激光束经过反射镜10和光学系统9投射到光探测器7上，并产生电信号，其频率等于与被测距离相应的激光器纵横的频差。这一信号经放大器进入终端测量装置——频率计5。(www.xing528.com)

检测标准零件尺寸的量子干涉仪原理图如图2所示。图中反射镜3固定在可动支座4上，可动支座4借助于固定在支承块5上的弹簧6，可在机座8的凹槽7内作往返运动。反射镜18固定在与支承块11连在一起的固定支座12上。被测零件10放在可动支座4与固定支座12之间。测量结果由频率计13显示。

图3给出测量被测对象5位移量的量子干涉仪的另一种可行原理图。激光束通过偏振器2后分裂为两个偏振面相互垂直的偏振光E₁和E₂，它们分别射向谐振腔反射镜3和4。在激光器输出端，谐振腔反射镜9的另一面装有检偏器8，由此使输出信号与分别通过谐振腔反射镜4、9之间和3、9之间的两路偏振光的程差有关。假设一个谐振腔反射镜，例如谐振腔反射镜3固定不动，而另一谐振腔反射镜4与被测对象5连在一起，则可以测量被测对象5的位移量。

图2 检测标准零件尺寸的量子干涉仪原理图

1—气体激光放电管 2—光栏 3，18—谐振腔反射镜 4—可动支座 5，11—支承块 6—弹簧 7—凹槽 8—机座 9—激光电源 10—被测零件 12—固定支座 13—频率计 14—放大器 15—光接收装置 16—光接收装置电源 17—光学系统

图3 测量物体位移的量子干涉仪原理图

1—激活介质 2—偏振器 3，4，9—谐振腔反射镜 5—被测对象 6—记录系统 7—光探测器 8—检偏器

如文献[2]指出，由于在光波干涉中可用频率法进行测量，所以对差频量子干涉仪的发展给予很大重视。为了使这类干涉仪达到高灵敏度，应消除由于环境的扰动而引起的发射频率的不稳定性。因此，在研究提高量子干涉仪激光频率的稳定性或者是消除频率不稳定性对测量过程的影响的方法和装置时，可以认为在三反射镜谐振腔中实现差频原则的量子干涉仪是最完善的。