第2章-激光干涉测量技术-1.
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1、1上一节课：上一节课：课程内容简介课程内容简介 v实例实例- -手持式荧光淬灭特性检测系统手持式荧光淬灭特性检测系统今天主讲内容：今天主讲内容：激光干涉测量技术激光干涉测量技术回顾回顾2第第2章章 激光干涉测量技术激光干涉测量技术概要概要激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光全息干涉测量技术激光全息干涉测量技术激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术激光移相干涉测量技术激光移相干涉测量技术激光散斑干涉测量技术激光散斑干涉测量技术激光光纤干涉测量技术激光光纤干涉测量技术激光多波长干涉测量技术激光多波长干涉测量技术3概要概要干涉测量是以光波干涉原理为基础来进行测量的一门技术干涉测量是以光
2、波干涉原理为基础来进行测量的一门技术。干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动等方面的测量。、介质折射率的变化、振动等方面的测量。常用常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫- -曾德尔干涉仪、菲索干曾德尔干涉仪、菲索干涉仪、塞曼涉仪、塞曼- -格林干涉仪、双频激光干涉仪、光纤干涉仪、扫描格林干涉仪、双频激光干涉仪、光纤干涉仪、扫描隧道显微镜（隧道显微镜（8282年
3、），原子力显微镜（年），原子力显微镜（8686年），从此开始了纳年），从此开始了纳米级干涉测量的时代米级干涉测量的时代诺贝尔奖（诺贝尔奖（Binning and RohrerBinning and Rohrer）为使两列光波叠加后产生稳定的干涉条纹，这两列光波必须满为使两列光波叠加后产生稳定的干涉条纹，这两列光波必须满足三个基本相干条件：足三个基本相干条件：频率相同频率相同，振动方向相同振动方向相同和和恒定的位相恒定的位相差差。4概要概要显然，为发生干涉现象，必须利用同一发光原子发出的同一显然，为发生干涉现象，必须利用同一发光原子发出的同一波列分割出来的两束光波。原子不同时刻发出的两列波，位波
4、列分割出来的两束光波。原子不同时刻发出的两列波，位相差无规则且频繁变化不会产生干涉。相差无规则且频繁变化不会产生干涉。两列光波发生干涉的最大光程差等于光波的波列长度，激光两列光波发生干涉的最大光程差等于光波的波列长度，激光波列长度比普通光源长很多（几十公里）。波列长度比普通光源长很多（几十公里）。在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息。干在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息。干涉仪将光分成两路或多路，干涉条纹是两路光程差相同点联涉仪将光分成两路或多路，干涉条纹是两路光程差相同点联成的轨迹，而光程差成的轨迹，而光程差是干涉仪两支光路光程之差，可用下是干涉仪两支光路光程之差，
5、可用下式表示：式表示：ni,nj分别为干涉仪两支路的介质折射率；li,lj分别为干涉仪两支路的几何路程差。若把被测件放入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的位置与形状而变，干涉条纹随之变化，测出条纹的变化，便可获得与l或n有关的各种信息。5第第2章章 激光干涉测量技术激光干涉测量技术概要概要激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光全息干涉测量技术激光全息干涉测量技术激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术激光移相干涉测量技术激光移相干涉测量技术激光散斑干涉测量技术激光散斑干涉测量技术激光光纤干涉测量技术激光光纤干涉测量技术激光多波长干涉测量技术激光多波长干涉测量技术6激光干
6、涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉测长的基本原理干涉测长的基本原理v激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，干涉条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹，当被测对象移动一定距离时，该条纹明暗交替变化一次，光电探测器输出信号将变化一个周期，记录信号变化的周期数，便确定了被测长度。v以迈克尔逊干涉仪为例。7激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉测长的基本原理干涉测长的基本原理v以迈克尔逊干涉仪为例，如图2.1所示。v设在测量开始时，一束激光经过分光器B分成两束，
7、它们经参考反射镜M1和目标反射镜M2后沿原路返回，并在分光点O处重新相遇，两束光的光程差为： 1=2n(Lm-Lc)式中，n为空气折射率；Lm为目标反射镜M2到分光点O的距离；Lc为参考反射镜M1到分光点O的距离。8激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉测长的基本原理干涉测长的基本原理v以迈克尔逊干涉仪为例，如图2.1所示。v测量结束时，目标反射镜M2移过被测长度L后，处于M2的位置。此时两光束的光程差为： 2=2n(Lm+L-Lc)=2nL+1在测量开始和结束这段时间里，光程差的变化量d=2-1=2nL光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一次，则测量过程中与d相对应的干涉条
8、纹变化次数为：K= d/0=2nL/09激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉测长的基本原理干涉测长的基本原理v以迈克尔逊干涉仪为例，如图2.1所示。v测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被测长度L。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开始时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测长度L相对应的条纹数K。 L=K/2，式中， =0/n，是激光光波在空气中的波长。10激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉干涉仪组成仪组成v一个完整的激光干涉仪主要组成部分有：激光干涉仪光路系统、干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统及机械系统。(一)干涉仪光路系统干涉仪光路系统主
9、要包括光源、分束器和反射器。(1)激光干涉仪常用的光源因为He-Ne激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以连续激励的方式运转，在可见光和红外光区域里可产生多种波长的激光谱线。所以，He-Ne激光器特别适合于作相干光源。11激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉干涉仪仪组成组成(一)干涉仪光路系统(2)激光干涉仪常用的分光方法a. 分波阵面法；b. 分振幅法；c. 分偏振法a. 分波阵面：激光器发出的光，经准直扩束后，得到一平面光波的波阵面。利用有微小夹角的两反射镜M1和M2（菲涅耳双面镜）的反射，将光波的波阵面分为两部分，然后使二者在屏幕P处相遇，在屏上出现明暗相间的干涉条纹，如图
10、2.2（a）所示。12激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉干涉仪仪组成组成(一)干涉仪光路系统(2)激光干涉仪常用的分光方法a. 分波阵面法；b. 分振幅法；c. 分偏振法b. 分振幅法：把一束光分成两束以上的光束，它们全具有原来波的波前，但振幅变小了，如迈克耳逊干涉仪。常用的分光器有：平行平板分光器和立方体分光器，如图2.2（b）所示。v其中，立方体分光器上可以蒸镀或胶合干涉仪的其他元件，组成整体式干涉仪布局，它易与系统的机座牢固连接。13激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉干涉仪仪组成组成(一)干涉仪光路系统(2)激光干涉仪常用的分光方法a. 分波阵面法；b. 分振
11、幅法；c. 分偏振法。vc. 分偏振法：在偏振干涉仪系统中需要采用偏振分光器，它由一对玻璃棱镜相胶合而成，在其中一块棱镜的胶合面上交替蒸镀氟化镁和硫化锌镀层。入射光以布儒斯特角进入介质层，经多次透射和反射得到高偏振度的S分量反射光和P分量的透射光。偏振分光器也可以由晶轴正交的偏光棱镜组成，如渥拉斯顿棱镜，如图2.2（c）所示。14激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移干涉干涉仪仪组成组成(一)干涉仪光路系统(3)激光干涉仪常用的反射器a. 平面反射镜；b. 角锥棱镜反射器；c.直角棱镜反射器；d.“猫眼”反射器。a.平面反射镜：平面反射镜对偏转将产生附加的光程差。在采用多次反射以提高测量
