《激光干涉测长技术》PPT课件

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 2L N 02nLN 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。M mM mI Ik I I sink 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 0.94k 14 4 （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k i为：若取k=4，则Ki可达0.8。 2 0cosE kE t 1 2 0 0 i ti tE E E E e kE e 0 0 0 020 20 11 2 cos i t j ti t j ti iI E E E e kE e E e kE eE k k e eE k k 21i 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 8L N 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。