激光测振仪原理

  激光测振仪是目前能够获取位移和速度分辨率的最佳测量方法。它能实现皮米级的振幅分辨率,线性度高,在极高频率范围内(当前已超过 1GHz)仍能确保振幅的一致性。这些特性不受测量距离影响,因此,无论是近距离的显微测试还是超远距离测试,该原理均适用。系统采用激光作为探测手段,完全无附加质量影响,具有非侵入性,从而能够在极小和极轻质的结构上进行测量。这种无与伦比的技术优势加上坚固的设计,无论是实验室还是户外均能得到很好的应用。

  其中,v 是物体速度,λ 是入射波波长。反过来,为了能确定对象速度,需要在已知波长的情况下测量(多普勒)频移,这正是通过 LDV 中的激光干涉仪来完成。

  激光多普勒测振仪以光学干涉为基础,即,本质上要求两个相干光束进行叠加,其各自的光强分别为 I1 和I2。两个光束的总强度不是简单的单个强度的求和,而是根据下列公式得出:

  该干涉项与两个光束之间的路径差相关。如果该差值是光波长的整数倍,则总强度是单个光强的四倍。

  光束分离器 (BS 1) 将激光束分成参考光束和测量光束。在通过第二个光束分离器 (BS2) 后,测量光束聚焦到样本上,并进行反射。该反射光束由 BS 2 向下偏转,然后与参考光束合并到检测器上。

  由于参考光束的光路为常数 (r2 = const.)(除干涉仪上可忽略的热效应之外),样本移动 (r1 = r(t))会在检测器上产生亮/暗条纹,这是一种典型的干涉法。检测器上的一个完整的亮/暗周期条纹正好与所用激光的半个波长的位移量相对应。这在激光测振仪经常使用的氦氖激光的情况下,对应于 316nm 的位移。

  每单位时间的光程改变表现为测量光束的多普勒频移。在计量方面,意味着多普勒频移直接与样本振动速度成正比。由于远离干涉仪的物体运动所产生的明暗条纹(和调制频率)与物体朝向干涉仪移动所产生的相同,因此仅这种设置无法明确物体移动的方向。鉴于此,将光频移典型值为40MHz的声光调制器放置在参考光束中(出于比较目的,激光频率为4.74·1014Hz)。当样本处于静态时,将产生40MHz的典型干涉调制频率。因此,当样本朝干涉仪移动时,调制频率会增加;当样本远离干涉仪移动时,则检测器接收到的频率则小于40MHz。这意味着,如今不仅能精确检测光程长度,还能检测出运动方向。

  原理上, 除可以直接测量出振动速度外,激光测振仪还可直接测量出位移量。不过不是通过对速度进行积分,而是通过对激光测振仪检测器上的亮/暗条纹进行计数来得出位移量。使用合适的插值技术,我们的激光测振仪的位移分辨率可达2nm,而在采用数字解调技术后,位移分辨率可达pm级。这种位移解调技术尤其适用于低频测量(在亚Hz范围内)。速度解调更适用于高频场合,因为谐波振动的最大振幅可以表示如下: