波长扫描干涉测量技术优化

单频激光器（频率为ν）的激光通过迈克尔逊干涉光路测量距离时，参考光路和测量光路的相位差φ 与参考臂和测量臂之间光程差L 的关系为

波长扫描干涉法以半导体激光器作为调频光源，在测量距离保持静止时通过连续调制单纵模激光器的频率。激光频率快速连续变化，可以得到多个不同的干涉条纹，当变化量为Δν 时（对应波长变化为Δλ），相应的相位变化量为Δφ，被测距离可以表示为

因此，由式（3.58）可知，测量相位变化量Δφ 以及频率扫描范围Δν（波长扫描范围Δλ），即可求解被测距离。

在实际的扫描过程中，需要注意两点：①相位的变化是从0～2π 的周期性变化，因此需要对其周期数进行累加得到精确相位变化；②激光光源的频率难以长期维持稳定值，且扫描的重复性也难以保证，因此需要一个固定距离L0 作为参考。图3.33为带有参考距离的频率扫描干涉仪原理图。

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图3.33　波长扫描干涉仪原理示意图

图3.33中的干涉仪系统包括测量干涉仪和参考干涉仪，当扫描激光频率时，两个干涉仪的相位变化量分别为Δφ0 和Δφ，分别可以表示为

式中，n0 为参考干涉仪部分的空气折射率。

由式（3.59）可得

其中，L0 为已知量，可以通过测量Δφ0、Δφ 以及nair及n0 来求解被测距离L。此方法降低了对频率稳定性、扫描范围重复性以及光功率稳定性等在内的光源稳定性的要求，实现了较高精度的绝对距离测量。因频率的扫描需要一定的时间，因此该方法主要应用于静态测量，扫描范围越大，测量精度越高，扫描速度越快，动态性能越好。存在的问题是，提高扫描速度的同时相位变化的速率也变快，增加了相位测量的难度，因此测量精度也会下降。此外，该方案多采用外腔半导体激光器作为光源，此类激光器抗干扰能力差的特点也会影响到系统整体的抗干扰能力。