激光干涉测长技术.ppt

第六章 激光干涉测长技术 自从 1802年杨氏 （ Thomas Young） 首先用实验方法研究光 的干涉现象以来 ， 对光干涉的本质及其应用研究已延续近 200 年的历史 。 激光的出现和计算机技术 ， 微电子技术的发展给光 干涉技术注入了新的活力 ， 并已成为现代光学中一个重要的分 支 。 激光干涉测量技术不仅被广泛用于对物体长度 、 角度 、 形 状 、 位移等几何量的测量 ， 还可利用其测量原理对物理量 （ 如 形变 、 速度 、 振动等 ） 及光学系统特性 （ 如象差 ， 光学传递函 数 ） 等进行测量 。 一 、 激光干涉测长的基准 1975年召开的第十五届国际计量大会 “ 要求国际计量局和 各国研究所继续对这些引起辐射 （ 指甲烷和碘稳定的氦氖激光 波长 ） 进行研究 ” 。 由于稳频技术的进展 ， 甲烷和碘稳定的氦氖激光波长值的 稳定性和再现性都很高 ， 因之有可能取代 86Kr的波长而作为长 度的自然基准 。 在 1979年 6月召开的国际 “ 米 ” 定义咨询委员 会第六次会议上 ， 已提出了一个 “ 米 ” 定义的建议草案 。 建议 将 “ 米 ” 定义为 “ 平面电磁波在 1/299792458秒的时间间隔内在 真空中传播的距离 ” 。 6-1 激光干涉测长概述 二 、 激光干涉仪的特点 激光干涉仪 ， 除了具有经典的迈克尔逊干涉测量系统的高精度 ， 高灵敏度等优点外 ， 还具有以下特点 。 1 实现了条纹计数自动测量 。 2 无需补偿板 。 3 角锥棱镜的优点得到充分利用 。 由于角锥棱镜在运动时即使有小的转动也不影响反射光轴的方向 ， 从而大大降低了对运动导轨的机械精度要求 。 由于反射光束和入射光束是非共轴的 ， 从而避免了反射光的干扰 。 4 降低了对光阑的要求 。 由于激光单色性好 、 亮度高 ， 所以 ， 激光干涉系统对光阑的主要 作用是减小激光器二次发散光束的影响和挡住背景杂散光 ， 它可安置 在准直光管物镜的主焦点上 。 光阑的形式为小圆孔 。 5 空气折射率自动测量与修正 。 一 、 基本测量公式 迈克尔逊双光束干涉仪测长的公式为 （ 在真空中 ） （“增量法”测长） 当介质为空气时 ， 上式变为 式中 L为被测长度 ， n是空气折射率 ， 0是真空中的波长 ， N 是干涉条纹明暗变化的数目 。 6-2 激光干涉仪设计 2LN 0 2nLN 二 、 几种典型的布局 1 使用角锥棱镜反射器的干涉系统 。 （ 1） 图 （ a） 结构的主要特点是反射光束不能反馈回激光器 。 缺点是这种成对使用的角锥棱镜要求配对加工 ， 而且加工精度要 求高 。 （ 2） 图 （ b） 结构只用一个角锥棱镜作可动镜 ， 镜 M1和 M3还 能做成一体 ， 如图 （ c） 所示 。 （ 3） 图 （ d） 的布局只用一个角锥棱镜作动镜 ， 已基本上不 受镜座多余自由度的影响 ， 而且光程增加一倍 。 所以也叫做双光 程干涉仪系统 。 几种典型布局 2 整体式布局 。 这是一种将多个光学元件结合在一起 ， 构成一坚固组件的布局 结构 。 如图所示 。 特点：系统对外界的抗干扰性较好 。 缺点是调整 不方便 。 该系统不仅多余自由度消除好 ， 灵敏度也提高一倍 。 整体式布局系统 3 光学倍频的布局 （ 特伦系统 ） 。 为了提高干涉仪的灵敏度 ， 可以用光学倍频 （ 也称光程差放大器 ） 的棱镜系统 ， 如图所示 。 M1每移动 /2k就有一个干涉条纹的位移 。 在这 种情况下 ， 当 a作为棱镜斜边长度时 ， M2对 M1的位移为 a/k（ k为正整 数 ） 。 特点：能用简单的脉冲计数逻辑做精密测量 ， 而无须依靠条纹细分 ， 这种技术还使干涉仪结构紧凑 ， 可使热 、 空气以及机械干扰减小 。 光学倍频系统 三 、 干涉条纹的对比度 1 对比度的定义： 式中： IM和 Im分别为干涉条纹信号强度的极大值和极小值 。 当 k0.75时 ， 对比度是好的 。 当 k0.5时 ， 对比度是满意的 。 当 k=0.1时 ， 条纹可分辨 ， 但很难使仪器正常工作 。 2 影响对比度的因素： （ 1） 光源单色性对条纹 对比度的影响 式中： 为光源谱线宽 ， 为光程差 。 Mm Mm IIk II s ink 又知 ， 光源的相干长度 为 于是 ， 只要干涉系统的光程差等于或小于光源相干长度的四分之一 ， 即以 代入对比度便可达 对于波长 =6328的激光 ， 它的 10-7埃 。 相干长度理论上可达 40公里 ， 因此 ， 用激光作干涉仪的光源是可以得到很好对比度干涉条 纹的 。 （ 2） 光源的大小造成条纹对比度 。 由此激光光束截面上的不同点 ， 有确定的位相关系 ， 所以激光光 束截面上各点发出的光皆可产生干涉 。 因此 ， 激光作干涉仪的光源 ， 不受发光面积大小的限制 。 21 sin 4 0 . 9 4 k 1 44 （ 3） 两支相干光 ， 强度比的影响 。 设干涉体系一支光路的光振动为： E1=E0cost 光强为它的 k倍的另一支光路的相干光振动为： 合成光振动的复数表达式为 合成光强度 I 于是，两支光强不同引起的对比 ki为： 若取 k=4，则 Ki可达 0.8。 20 c o sE k E t 1 2 0 0 ititE E E E e k E e 0 0 0 0 2 0 2 0 1 1 2 c os i t j ti t j t ii I E E E e k E e E e k E e E k k e e E k k 2 1i kK k 四 、 非期望光的抑制 那些不反映被测量的光就称为非期望光线或杂光 。 消除非期望的 光线 。 采取的措施大致有以下几种： （ 1） 设计时尽可能减少干涉体系光学零件的数目 ， 以减少不必 要的反射面和产生非期望光线的机会 。 在不希望反射的界面上镀以增 透膜 ， 镜筒 、 镜框内表面涂黑漆 ， 以减低非期望光线的强度 。 （ 2） 析光镜上常常产生非期望光线 。 析光板产生的非期望光线 动条纹：除了在析光板镀膜面上分裂而成的两条期望的相干 光线 1、 2处 ， 还可能产生光线 3和 4， 其光强虽代于前者 ， 若所形成条 纹的间隔适当还是足以察觉出来 ， 它和期望的干涉图样一样 ， 也会随 着反射镜的平移而运动 。 静止条纹：如析光板的楔角适当 ， 还会在干涉场上看到不随 反射镜移动而变的一组固定的干涉条纹 。 解决的办法是加厚析光板或 将它制成楔形 ， 使非期望光线移向一边而不能进入干涉场 。 （ 3） 在光路中适当的地方安置一针孔光阑 ， 挡去大部分非期望 光线 ， 让沿着设计的路径行进的相干光线照常通过 。 针孔光阑一般安 置在透镜的焦面上或高期光束的束腰位置上 。 还有许多阻挡非期望光 线进入干涉场的方法 ， 如在接收元件前面加遮光罩和针孔 ， 干涉体系 自成密闭等 。 （ 4） 光学零件表面的尘埃会产生衍射花样 ， 这种现象在激光束 很细的地方更为严重 ， 必须认真做好光学元件的清洁工作 。 同理 ， 对 光学元件的表面质量 ， 材料的多项质量指标均应予以适当提高 。 （ 5） 用偏振的方法来消除非期望光线 。 原理是：用偏振元件使沿着设计路径行进的光束能不受阻挡 地进入干涉场 ， 而其他所有的非期望光线都被排除在干涉场之处 。 例如图 ， 光线入射到析光镜 2之前已被起偏振器 1变成线偏振光 ， 干涉场前面放置一个检偏器 7， 并使它和起偏振器正交 ， 因此 ， 从干涉仪任何表面反射来的光线都被检偏器阻挡了 ， 就连所期的 两束相干涉的光也不能通过 7进入干涉场 ， 为此需要在反光镜 5、 6前面安放一个光轴与入射偏振光成 45 的波片 4， 使反射前后光 线的偏振方向旋转 90 ， 于是所期望的光束就能通过检偏器 ， 而 一切非期望光线则被排除在干涉场之外 ， 稍稍转动波片 ， 还能调 节光束的强度 ， 以平衡两束相干光线的强度 。 这种偏振的方法在 实践中是非常有用的 。 用偏振的方法来消除非期望光线 五 、 反射器 各种反射器如图所示，有平面反射镜 1、直角棱镜 2、角锥棱镜 3、三种猫眼系统 4和固定反射镜与直角棱镜的组合 5。 各种反射器 六、移相器 干涉条纹属增量码，需要判向可逆记数。 干涉条纹的移相就是为了判别动镜移动的方向和倍频的需要。它 是将干涉条纹用一定的方法分为二部分并使两者的位相偏移 /2，经 光电转换后，这两部分输出的电信号的位相也偏移 /2，可用这两组 信号来进行判向和倍频。下面介绍几种常见的移相方法。 1翼形板和分象棱镜组合的移相。翼形板的形状如图，是由两厚 度相等、材料相同的玻璃平板胶合而成，两板夹角 170 ，厚度 5mm 翼形板在激光干涉比长仪中是如图方式安置的，即它被放在干涉光路 （测量光路或参考光路均可）光束截面的下半部。使用时，以两板的 交棱为轴，适当转动翼形板，使通过两板的光线彼此有 /4的光程差。 翼形板及其安置方式 2狭缝移相当。在两光电接收器前分别置两狭缝，如图，使两狭 缝相对移开 1/4干涉条纹的距离，这样通过两狭缝的两组干涉条纹就 有 /2的位相差。 狭缝移相 3在析光镜上镀移相膜法。 在析光镜上镀移相膜 七、光电接收时的光电匹配问题 光电匹配问题为两个方面：一是我们在设计原则时已讨论过的光 电匹配，是应使激光器输出的功率经干涉系统到达探测器的光强正 好是在该探测器输出线范围；另一方面是从信噪比出发，要求探测 器的宽度 b和条纹的宽度 e的比取 b/e=0.37为最佳。 八、方向判别与四倍频计数 由于动镜在导轨上沿光轴移动的过程中，存在各种偶然因互的干 扰（例如外界振动、导轨的平直度误差以及机械传动系统的不稳定 等），使动镜产生偶然的反向运动，这种偶然的反向运动使计数器 所显示的脉冲数为正反向移动的总数，而不是真正的被测长度，因 此必然存在测长误差。为了解决这一问题，经光电转换并放大整形 后，信号进入一方向判别电路，该电路把计数脉冲分成加、减二种 脉冲，工作台正向移动时引起的脉冲为加脉冲、反向移动时引起的 脉冲为减脉冲、把这两种脉冲分开后送入可逆计数器计数。 方向判别电路的原理。先在干涉系统中应用移相方法（详见后述） 将干涉条纹分为两组且彼此位相偏移 /2，分别经光电转换后，输出 的两组光电信号也彼此有 /2的位移偏移，这两组光电信号分别经放 大、整形、倒相，变成四个位相依次差 /2的矩形脉冲，再经斯密特 电路把波形变换成尖脉冲。当工作台正向移动时，脉冲的排列为 1、 3、 2、 4 、 1 ；反向移动时，脉冲排列次序为 1 、 4、 2、 3、 1，如 图所示。在逻辑电路上可根据脉冲 1的后面是 1或 4来判别正向加脉冲 或反向减脉冲，并分别逆入加脉冲的“门”或减脉冲的“门”中去， 从而可得到总的加脉冲或减脉冲信号。 判向电路除提高了仪器的 抗干扰能力外，还把一个周期 的干涉条纹变化（即亮暗变化 一次）变成四个脉冲输出信号。 因此在测长时，当条纹变一条 时，可逆计数器显示 4个脉冲 数，这等于把条纹 4细分了， 常称四倍频计数。此时每一脉 冲代表 /8的移动量，所测得 的长度 8LN 辩向电路原理 九、激光球面干涉仪 偏振干涉系统 如图所示为泰曼 格林型的偏振干涉系统，其特点是用一偏振分束 器代替常规的分束板，并在干涉仪的不同部位安置了一些不同的偏振器件 （在照明系统中安置一 1/2波片，在参考光路和测量光路中各安置一 1/4波 片，而在接收部分安置一检偏振器）。图中由 He-Ne激光器输出的线偏振 光入射到 1/2波片上， 1/2波片可以绕光轴旋转，以使经它出射的偏振光振 动方向定位在任何所需的方向上。偏振分束器的作用是把输入的偏振光按 偏振方向分束，使测量光束和参考光束偏振方向互相垂直。