1 引 言
将激光干涉仪应用于对微小位移量的测量可获得极高的准确度和灵敏度，传统干涉仪中的激光光源多为易于干涉的气体激光器，但是其体积大，驱动电源复杂等缺点限制了它的实际应用范围。相比之下，半导体激光器驱动电压低、功耗小、体积小，便于使用，但是其相干长度短，难以形成明显的干涉条纹。另外，激光二极管的发散角较大，平行于结的发散角最大为10°，垂直于结的发散角最大为40°，所以输出的光斑截面为一椭圆形，随着距离的增加衰减很快，这对测试和指示有一定的困难。通过反复实验，利用可见光半导体激光器在短光程的条件下构建了小型迈克尔逊干涉仪并得到了明显可检的干涉条纹。这个系统证明了用半导体激光器构建微小干涉仪的可能性，并验证了它适用于对微小位移量的精确测量。将其用于对微振动量的测量，取得了较为理想的结果。根据实验结果，提出用内建微小干涉仪制造高灵敏度、高精确度微振动传感器的方法。
文中设计了通过干涉条纹检测微小振动振幅和频率的检测电路，结构简单、性能可靠，经使用较为满意。
2 半导体激光干涉仪测振的结构设计
2.1 半导体激光光源的特性
采用HDA4B型红色激光二极管，其峰值波长为670nm，阀门电流≤80mA，最大输出光功率5mW，由结平面发出一发散光束，平行于结的发散角为10°，垂直于结的发散角为40°，出射光束的截面为一椭圆形光斑。
2.2 构建迈克尔逊干涉仪
如图1所示，红色激光光源的结平面发出的光束，经过一短焦距凸透镜S，可将光源发散光束的光斑会聚到一点，分束镜A至于透镜焦点以内，将两反射镜M1和M2置于透镜焦点附近，光线基本同轴，经过微调，可在屏上得到明显的等倾干涉条纹，如图2所示。准直系统和调试方法是本系统的关键技术，经反复实验得以实现。
图1 半导体激光干涉仪原理图
Fig.1 Schematic of semiconductor laser interferometer
图2 等倾干涉条纹图
Fig.2 The interference stripes
由于选用短焦距的凸透镜，该干涉系统可以做得很小并可以获得良好的干涉效果。半导体激光器本身发散角较大，每路光束在屏幕上都形成一个光斑，调整两束光斑重合，在光场中即可得到干涉。干涉条纹可用光敏器件检出并由后继电路进行处理。
实验中选用可见光半导体激光器构建迈克尔逊干涉仪是为了观察方便，从这一实验结果可以得知，如用合适的光敏器件作为干涉条纹的接收装置，非可见光范围内的半导体激光器亦可作为干涉仪的激光光源。
2.3 测振结构的设计原理
用半导体激光器干涉仪对微振动进行测量时，用一弹性体与被测量(力或加速度)相互作用，使之产生微位移。将这一变化引到动镜上来，就可以在屏上得到变化的干涉条纹，对等倾干涉来讲，也就是不断产生的条纹或不断消失的条纹。由光敏元件将条纹变化转变为光电流的变化，经过电路处理可得到微振动的振幅和频率。
3 测振的电路设计
测量微小振动包括对振动振幅和频率的测量，通过对振动的研究可知，在一个振动周期中的振幅波形应如图3(a)所示。
图3 振动信号处理示意图
Fig.3 Schematic of vibration signal processing
由于振幅最大位置振动的速度为零，即干涉条纹所在的光场的光强变化为零，所以这时光敏二极管光电压的变化为零。这样在滤掉直流量并放大交流量后所得到的光电压的波形如图3(b)所示。又经整形后可得图3(c)所示的脉冲，该脉冲在一个振动周期内的总个数反映了振动的振幅。
图3(b)所示的光电压波形包含有高频和低频分量，对其进行高通滤波，再经整形后可得图3(d)所示的波形。可见，该波形可用来指示振动方向的改变，单位时间内振动方向改变的次数就是振动的频率，由此也确定了振动的频率。
测振仪的电路原理框图如图4所示。这个电路经使用，适合于一般低频振动量的测量。将该测试仪做进一步改进，如用双光敏元件提取干涉条纹的方向变化等，可对微振动作更灵敏的分析。但一般情况下，该测试仪已能满足灵敏度和准确度的需要。
图4 数字式测振仪原理框图
Fig.4 The principle of digital vibration measurement meter
4 系统的灵敏度与最小检测信号分析
传感器的噪声决定了传感器的最小探测信号，低于噪声水平的测量值不能被检测到(除非使用相关方法)。最小检测信号(MDS)可定义为，当输出产生与均方根噪声相等的变化量时，输入端对应的变化量。
另一个重要特性是灵敏度S(X)，定义为检测量(ΔX)变化一个单位所引起的传感器输出(ΔWout)的变化量:
(1)
显然，MDS与S(X)是相关的：
(2)
迈克尔逊干涉法中可使用多种不同的光电探测器，包括光电二极管，PIN二极管，雪崩二极管，光电倍增管。通常，检测电流(Id)有3个分量：光电流IPC、暗电流Id和背景光电流IB。
(3)
式中 η——量子效率； ΓG——检测器增益；
P——入射光功率； hγ——光子能量。
噪声电流为：
(4)
式中 F——噪声因子。
则光学传感器的灵敏度为：
(5)
取Id正比于P,P0是位移为0时到达光电探测器的功率，可以近似地写为：
(6)
进一步地，检测功率可表示为P0T(X)，这里T(X)为传感器的平衡位置移动量的函数，X为动镜沿光轴方向的位移。
那么So≈dT(X)/dx，解出dx的最小值，可得MDS：
(7)
对光电倍增管，ΓG的典型值是105～106，对雪崩二极管是102～104，对PIN约为1。在这些探测器中Id能在几nA到几mA之间变化，取决于η和Iph。在光电倍增管和雪崩二极管中，F通常较高(10～100)，BM通常在10Hz～1MHz范围内。
对于迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹的检测，假设具有全条纹可见度，灵敏度由下式给出：
(8)
最后有：
(9)
这里取SM为最大值，即,m为整数。
取λ≈600nm,Id≈1mA，FΓGBm≈100kHz，则可得：MDS=10-3nm。
若进行条纹细分，最小检测信号还能提高，例如将干涉条纹进行100细分，MDS就能再提高两个数量级。条纹细分的实现文中不再赘述。
5 结 论
实现了用半导体激光器构建小型迈克尔逊干涉仪，并将其应用于微小振动量的测量，取得了阶段性的成果，并由此提出将半导体激光器构建的小型干涉仪应用于制造高灵敏、高精确的传感器，从而可以得到廉价、小体积、小功耗的高性能传感器。
作者简介：钱瑞海 男 25岁 现为南京理工大学硕士研究生，从事光电新型传感器的研制与测试等工作。
作者单位：南京理工大学光电子技术教研室 南京 210094
参考文献
1 P Nageswara Rao. Design of a laser pointer. Optics & Laser Technology. 1989:21(4):279
2 张以汉.应用光学.北京：机械工业出版.1985
3 范安辅.激光技术物理.成都：四川大学出版社.1992
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