综述：利用干涉仪进行位移和振动测量：基准配置、性能及研发机遇

《Advanced Photonics Research》：Displacement and Vibration Measurements with Interferometers: Benchmark Configurations, Performance, and R&D Opportunities

本文分析了传统干涉仪、自混合干涉仪（SMI）、声光调制器干涉仪（AOM-I）和双极化干涉仪（DP-I）在位移和振动测量中的应用，比较了其分辨率、动态范围和实现方式，指出SMI无需额外光学组件且性能优异，适用于非侵入式测量，并讨论了BST技术解决speckle误差等最新进展。

　　在现代精密测量技术中，干涉仪因其极高的灵敏度和精确性，已经成为一种不可或缺的工具。无论是用于测量微小振动还是大范围位移，干涉仪在多个领域展现出了卓越的应用价值，包括机械加工校准、三维测量、生物运动分析以及医学成像等。随着技术的发展，人们已经探索出多种干涉仪的设计方案，以满足不同应用场景对测量精度、动态范围、线性度和带宽的不同需求。本文将探讨这些干涉仪的核心原理、设计差异及其实际应用效果，旨在为未来的研究和产品开发提供参考和指导。

干涉仪的核心在于利用光的干涉现象来获取目标物体的运动信息。通常，干涉仪通过产生两个相互正交的信号，如cos(2kΔs)和sin(2kΔs)，来精确测量目标与参考点之间的位移变化Δs。其中，k为波数，Δs为目标距离的变化量。通过计算这两个信号的比值，并使用反正切函数，可以进一步推导出Δs的值。然而，这种做法往往需要额外的光学组件或复杂的信号处理，以确保信号的正交性和避免相位折叠带来的误差。

在实际应用中，科学家们发现，这种复杂的处理方式并非必要。通过简单的硬件设计，例如利用自混合干涉仪（Self-Mixing Interferometer, SMI），可以轻松获得接近量子极限的测量精度，同时保持良好的动态范围、线性度和带宽。自混合干涉仪的工作原理基于激光器输出的光束在目标反射后重新进入激光腔，从而对激光的相位和振幅产生调制效应。这种设计避免了传统干涉仪需要使用角反射器或额外光学元件的问题，使得测量过程更加简便和非侵入性。

自混合干涉仪在多个领域都得到了广泛应用。例如，在机械加工中，它可以用于测量工具的微小位移，而在结构测试中，它可以用于检测大型建筑或桥梁的微小振动。在医学成像中，自混合干涉仪的非接触式测量特性使其成为一种理想的工具，能够用于皮肤癌的早期检测或眼科检查。此外，它还被用于风力涡轮机或高速振动环境下的远程监测，如利用光声波技术进行声波检测。

与自混合干涉仪相比，传统的干涉仪，如基于双频率或双极化技术的激光干涉仪，虽然在精度和动态范围方面表现出色，但其设计较为复杂，且通常需要昂贵的光学组件和复杂的信号处理。然而，自混合干涉仪的出现改变了这一现状。它不仅简化了测量流程，还显著降低了成本，同时保持了高精度和良好的非侵入性。这使得自混合干涉仪成为许多实际应用的首选。

为了进一步提升自混合干涉仪的性能，研究人员提出了多种改进方案。例如，通过调整激光的反馈强度，可以实现对干涉信号的半周期锁定，从而提高测量的线性度和稳定性。此外，利用相位调制或频率转换技术，可以有效减少由干涉信号非线性引起的误差。这些改进方法使得自混合干涉仪在多个方面都表现出色，尤其是在振动测量领域，它能够提供高分辨率和低噪声的测量结果。

然而，自混合干涉仪在实际应用中仍面临一些挑战。例如，由于目标表面的漫反射特性，干涉信号可能会受到斑点噪声（Speckle Noise）的影响，导致测量精度下降。为了解决这一问题，研究人员开发了斑点跟踪（Bright Speckle Tracking, BST）技术，通过调整激光器的输出位置，使信号始终落在明亮的斑点区域，从而减少噪声干扰。此外，自混合干涉仪在长距离测量中也存在信号衰减的问题，因此需要优化激光的输出功率和光学系统的设计，以确保在较远距离下仍能获得足够的信号强度。

除了自混合干涉仪，其他类型的干涉仪也在不断演进。例如，基于声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）的干涉仪通过引入频率偏移的参考光束，能够更精确地测量位移变化。这种设计特别适用于需要高动态范围和宽频带的场景，如大型结构的振动监测。而基于双极化干涉仪（Dual Polarization Interferometer, DPI）的设计则利用偏振分量的相位差异，从而实现对干涉信号的正交解调，避免了传统方法中需要额外光学组件的问题。

在振动测量中，干涉仪的性能通常以最小可检测位移（Minimum Detectable Displacement, MDS）或噪声等效位移（Noise Equivalent Displacement, NED）来衡量。这些指标反映了干涉仪在不同噪声水平下的测量能力。对于高精度振动测量，自混合干涉仪结合半周期锁定技术，能够实现纳米级的分辨率，同时保持良好的线性度和动态范围。这种设计在实际应用中表现出色，尤其适用于需要高灵敏度和低噪声的场景，如微米级机械部件的振动分析。

从用户的角度来看，干涉仪的测量过程应具备实时性、非侵入性和安全性。实时性意味着测量结果可以即时获得，而无需进行复杂的后期处理；非侵入性则要求干涉仪能够在不改变目标表面的情况下进行测量，这在某些应用中尤为重要；安全性则体现在使用低功率、长波长的激光源，以确保符合激光安全标准。此外，用户通常希望干涉仪具备较低的成本，这促使研究人员不断探索更经济的设计方案，如利用低成本的激光二极管和简单的信号处理模块。

在未来的研发方向中，自混合干涉仪仍然具有巨大的潜力。例如，开发适用于机械加工的SC-SMI原型，结合斑点跟踪技术以提高测量精度；利用频率转换信号的SMI设计，以增强振动测量的灵敏度；以及开发基于声光调制器的AOM-SMI，用于远距离的振动监测。此外，还可以探索多轴测量方案，通过单个SMI实现对三维位移或角度变化的测量，进一步拓展其应用范围。

总体而言，干涉仪技术已经取得了显著进展，从传统的激光干涉仪到自混合干涉仪，再到基于频率转换和双极化技术的新型设计，每种方法都有其独特的优势和适用场景。在实际应用中，研究人员应根据具体需求选择合适的干涉仪类型，并结合先进的信号处理和光学设计，以最大化测量性能。同时，还需要关注技术的可扩展性和成本效益，确保其能够满足不同行业和应用场景的需要。未来，随着材料科学和光学技术的不断进步，干涉仪有望在更多领域实现突破，为科学研究和工业应用提供更精确、更高效的测量手段。