激光平面干涉仪资料课件

113、激光平面干涉仪、激光平面干涉仪一、平面干涉仪测量原理一、平面干涉仪测量原理 平面干涉仪基于双光束等厚干涉平面干涉仪基于双光束等厚干涉平面干涉仪基于双光束等厚干涉平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。如图所示，图原理进行精密观测。如图所示，图原理进行精密观测。如图所示，图原理进行精密观测。如图所示，图中中中中 S S 是扩展光源，位于准直透镜是扩展光源，位于准直透镜是扩展光源，位于准直透镜是扩展光源，位于准直透镜 L L 1 1的前焦面上，发出的光束经透镜的前焦面上，发出的光束经透镜的前焦面上，发出的光束经透镜的前焦面上，发出的光束经透镜 L L1 1准直后射向玻璃片准直后射向玻璃片准直后射向玻璃片准直后射向玻璃片 M M，再从玻璃片，再从玻璃片，再从玻璃片，再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板反射垂直投射到楔形平板反射垂直投射到楔形平板反射垂直投射到楔形平板 G G 上（为上（为上（为上（为确定起见，设垂直于上表面）。确定起见，设垂直于上表面）。确定起见，设垂直于上表面）。确定起见，设垂直于上表面）。S1S2 入射光束在楔形平板上表而的反射光由原路回头，入射光束在楔形平板上表而的反射光由原路回头，入射光束在楔形平板上表而的反射光由原路回头，入射光束在楔形平板上表而的反射光由原路回头，透过玻璃片透过玻璃片透过玻璃片透过玻璃片 M M 后射向观察显微镜后射向观察显微镜后射向观察显微镜后射向观察显微镜 L2L2；在楔形平板下表；在楔形平板下表；在楔形平板下表；在楔形平板下表面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向 L2L2。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平板内部的板内部的板内部的板内部的 BB BB 位置。如果平板不是太厚，且平板两表位置。如果平板不是太厚，且平板两表位置。如果平板不是太厚，且平板两表位置。如果平板不是太厚，且平板两表面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，这样如调节显微镜这样如调节显微镜这样如调节显微镜这样如调节显微镜 L2L2对准平板的下表面，就可在显微对准平板的下表面，就可在显微对准平板的下表面，就可在显微对准平板的下表面，就可在显微镜像平面镜像平面镜像平面镜像平面 E E 上观察到楔形平板产生的等厚条纹。上观察到楔形平板产生的等厚条纹。上观察到楔形平板产生的等厚条纹。上观察到楔形平板产生的等厚条纹。二、二、PG15 J4 型激光平面干涉仪型激光平面干涉仪PG15 J4 型激光平面干涉仪由上海光机所生型激光平面干涉仪由上海光机所生产，是一种使用方便的光学精密计量仪器，主要产，是一种使用方便的光学精密计量仪器，主要用于精密测量光学平面度。仪器配有激光光源用于精密测量光学平面度。仪器配有激光光源（波长为（波长为 632.8nm）。对于干涉条纹可目视测量）。对于干涉条纹可目视测量读数。工作时对防震要求一般。该仪器可应用于读数。工作时对防震要求一般。该仪器可应用于光学车间、实验室、计量室。如需配购相关的必光学车间、实验室、计量室。如需配购相关的必要附件，可精密测量光学平板的微小楔角、光学要附件，可精密测量光学平板的微小楔角、光学材料折射率材料折射率 n 的均匀性，光学镀膜面或金属块规的均匀性，光学镀膜面或金属块规表面的平面度，表面的平面度，90 0棱镜的直角误差及角锥棱镜棱镜的直角误差及角锥棱镜单角和综合误差。单角和综合误差。1.主要数据、主要数据、1.第一标准平面（第一标准平面（A 面），不镀膜。面），不镀膜。工作直径：工作直径：D1146mm 不平度小于不平度小于 0.02m(/30）2、第二标准平面（、第二标准平面（B 面），不镀面），不镀膜。膜。工作直径：工作直径：D2140mm 不平度小于不平度小于 0.03m(/20）3、准直系统：孔径、准直系统：孔径 F/2.8，工作直径：工作直径：D0 146mm 焦距：焦距：f=400mm。4、测微目镜：、测微目镜：焦距焦距 f=16.7mm，放大倍数放大倍数 15，视场角视场角 2=400，成象物镜：成象物镜：I、D=4.5 II、D=7 III、D=10 f=1 5 f=23 f=37 5、工作波长：、工作波长：632.8nm 6、干涉室尺寸：、干涉室尺寸：深深 26ox 宽宽 300 x 190mm。7、光源规格：激光、光源规格：激光 ZN 18(HeNe)。8、仪器的外形尺寸：、仪器的外形尺寸：长宽高长宽高 350/400/720mm 9、仪器重量：、仪器重量：100 公斤公斤2.仪器结构仪器结构 以检测光学平面为例。以检测光学平面为例。(1)、光学结构：、光学结构：由组合星点由组合星点 Gl 发出发出的单色光经棱镜的单色光经棱镜 G2 后，投后，投向主镜表面折射为平行光后，向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面（射向主镜下表面（A面）及面）及被测光学平面，被测光学平面，A面和被测面和被测光学平面反射回来的光重叠光学平面反射回来的光重叠相干后，经棱镜相干后，经棱镜 G2 反射，反射，进入接收件。星点可由激光进入接收件。星点可由激光管管 G5、棱镜、棱镜 G6、光源强度、光源强度调节发散镜调节发散镜 G7 组成。接收组成。接收件可以由人眼件可以由人眼 G10，成象物，成象物镜镜 G15 和测微目镜和测微目镜 G11，或，或由分光棱镜由分光棱镜 G12、可动小孔、可动小孔 G13 和摄像头和摄像头 G14 组成的摄像组成的摄像系统。系统。G1G2G10G15G11G12G13G1487(2).仪器光路图及光学零部件仪器光路图及光学零部件仪器光路图仪器光路图仪器光路图仪器光路图光学零部件光学零部件(3)、机械结构：、机械结构：箱体箱体 1 联系各部件、联系各部件、导轨导轨 2 借助螺钉借助螺钉 3 固固定光源，压圈定光源，压圈 4 固定接固定接收器件。门可卸下去不收器件。门可卸下去不用。底面用。底面 7 下有微调机下有微调机构，借助于手轮构，借助于手轮 8 调节调节干涉条纹。凹型台有平干涉条纹。凹型台有平行槽，借助于插入工作行槽，借助于插入工作台。工作台上有调节手台。工作台上有调节手轮，可粗调干涉条纹。轮，可粗调干涉条纹。（参考图七）（参考图七）工作台及激光电源箱工作台及激光电源箱 (1)如果如果 M1、M2(波波面）之间存在楔角面）之间存在楔角，则，则两波面叠加相干时，得到两波面叠加相干时，得到平行的、直线的、等间距平行的、直线的、等间距的一系列干涉条纹。的一系列干涉条纹。3.各种情况下干涉条纹概述各种情况下干涉条纹概述 愈大，愈大，愈大，愈大，B B 愈小，条纹愈密，窄（图四愈小，条纹愈密，窄（图四愈小，条纹愈密，窄（图四愈小，条纹愈密，窄（图四a);a);愈小，愈小，愈小，愈小，B B 愈大，条纹愈疏，宽（图四愈大，条纹愈疏，宽（图四愈大，条纹愈疏，宽（图四愈大，条纹愈疏，宽（图四b);b);=0,B=0,B=，干涉场为一片颜色（图四，干涉场为一片颜色（图四，干涉场为一片颜色（图四，干涉场为一片颜色（图四c)c)如果被检系统如果被检系统如果被检系统如果被检系统 P2 P2 存在缺陷，则反射波面存在缺陷，则反射波面存在缺陷，则反射波面存在缺陷，则反射波面 M2 M2 将产生将产生将产生将产生对对对对 M1 M1 的某些偏离，此时将产生与的某些偏离，此时将产生与的某些偏离，此时将产生与的某些偏离，此时将产生与 图四不同的干涉条图四不同的干涉条图四不同的干涉条图四不同的干涉条纹。纹。纹。纹。图图a、b反映的是反映的是M1、M2的的平行度误差平行度误差,B为为条纹间隔条纹间隔条纹间隔条纹间隔.(2)如如 M2是一半径很大的球面波，则可能得到圆是一半径很大的球面波，则可能得到圆 弧形的干涉条纹（图五弧形的干涉条纹（图五a）。）。(3)如如 M2 是一半径不是很大的球面波，则可能得是一半径不是很大的球面波，则可能得到一系列圆环形的干涉条纹（图五到一系列圆环形的干涉条纹（图五b）。）。(4)如如 M2 是柱面的波形，则可能得到一系列直线是柱面的波形，则可能得到一系列直线的平行的，但间距不等的干涉条纹，也可能得到的平行的，但间距不等的干涉条纹，也可能得到弯曲的，但不是圆弧状的干涉条纹（图六弯曲的，但不是圆弧状的干涉条纹（图六a）。）。(5)如果如果 M2 是一个不规则的波面，则得到相应不是一个不规则的波面，则得到相应不规则的干涉条纹（图六规则的干涉条纹（图六b）。）。N N 光圈数光圈数光圈数光圈数N N 不足一个光圈数不足一个光圈数不足一个光圈数不足一个光圈数1 1.测测测测量量量量局局局局部部部部误误误误差差差差三、面形误差测量三、面形误差测量2 2.测测测测整整整整个个个个面面面面形形形形误误误误差差差差（用用用用N N）粗糙度用粗糙度用1表示；表示；平面度误差：平面度误差：误差不足误差不足 于于/2,/2,用用1（图右右边）表示）表示精度高精度高 误差大误差大 于于/2,/2,用用2表示表示精精度稍低一点度稍低一点 （2）粗糙度粗糙度相邻条纹之间对应平板的厚度变化相邻条纹之间对应平板的厚度变化相邻条纹之间对应平板的厚度变化相邻条纹之间对应平板的厚度变化 h=hh=hm+1m+1-h hmm=/(2n)/(2n)114、激光球面干涉仪、激光球面干涉仪一一.常用的三种系统常用的三种系统L（调焦镜）（调焦镜）P(标准平面）标准平面）R1R2被测凸（或凹）被测凸（或凹）球面球面入瞳（无穷远入瞳（无穷远或焦点）或焦点）出瞳（出瞳（A1、A2）FAB1.反射面作标准面反射面作标准面当球心或球顶与当球心或球顶与L的焦点的焦点F重合时，重合时，两出瞳重合，干涉两出瞳重合，干涉条纹宽度无穷大。条纹宽度无穷大。两次出现条纹宽两次出现条纹宽度无穷大，球面沿度无穷大，球面沿光轴移动的距离即光轴移动的距离即球面半径球面半径R1(或或R2)球顶于球顶于F重合后，球面沿横向（垂直于光轴方向）作重合后，球面沿横向（垂直于光轴方向）作微动，可得干涉直条纹，用条纹间距可测球面度微动，可得干涉直条纹，用条纹间距可测球面度2.平形平板作标准面平形平板作标准面用球面干涉仪得出两次极限位置（条纹间距无穷大）用球面干涉仪得出两次极限位置（条纹间距无穷大）之间的距离，即为半径之间的距离，即为半径R。FF13.凹透镜半反射面作标准面凹透镜半反射面作标准面二、瞳窗理论二、瞳窗理论（以第以第2种系统为例，说明瞳窗关系）种系统为例，说明瞳窗关系）1.1.球面球面球面球面E E右移，焦点通过球面反射的像点在右移，焦点通过球面反射的像点在右移，焦点通过球面反射的像点在右移，焦点通过球面反射的像点在F F 之右，之右，之右，之右，在在在在AA1 1、AA2 2出瞳的下方出瞳的下方出瞳的下方出瞳的下方得不等间距同心圆条纹。得不等间距同心圆条纹。得不等间距同心圆条纹。得不等间距同心圆条纹。F1(球面球面E的焦面）的焦面）对运动后的球面运用成像公式：对运动后的球面运用成像公式：dxFOF的像的像-dxdxf1E-f=R/2-x-xCbA2A1aPf2移动前的球心位置R/2作图法说明出瞳移动情况：作图法说明出瞳移动情况：F1F1F2F2f1f24.球面球面E垂直光轴横移垂直光轴横移a，则，则F通过通过E球面成的象移动球面成的象移动2a干涉条纹间距干涉条纹间距出瞳分离量出瞳分离量2.A1、A2出瞳重合出瞳重合3.当球心当球心O和和F重合，重合，e,干涉场一片均匀干涉场一片均匀FOF的像f1A1A2OlPf22aaf1设观察屏上有设观察屏上有N条直条纹，观察屏直径为条直条纹，观察屏直径为D，则干涉条纹间距也可以表示为：则干涉条纹间距也可以表示为：则：则：则：则：微分上式得微分上式得微分上式得微分上式得微分微分微分微分并代入上式得并代入上式得并代入上式得并代入上式得条纹灵敏度条纹灵敏度条纹灵敏度条纹灵敏度则：则：则：则：He5.测面型测面型例：例：例：例：解：根据公式解：根据公式解：根据公式解：根据公式求得横向灵敏度求得横向灵敏度求得横向灵敏度求得横向灵敏度三、激光球面干涉仪三、激光球面干涉仪 原理同第原理同第1种种,即反射面作标准平面。只是多一套干涉测长即反射面作标准平面。只是多一套干涉测长系系统确定球半径统确定球半径R（在工作台及左边部分）。（在工作台及左边部分）。P151 1.稳频器稳频器2.光电管光电管3.HeNe稳频激光器稳频激光器4.1/2波片波片5.分光镜分光镜6、12、20、21、37、36、38均为反射镜均为反射镜7.聚光镜聚光镜 8、34针孔针孔9、15、16准直物镜准直物镜10、22分光棱镜分光棱镜11、观察屏（底片）、观察屏（底片）13、观察物镜、观察物镜 14参考反射镜参考反射镜17消球差物镜消球差物镜18被检测件被检测件19、23角锥棱镜角锥棱镜24投影物镜投影物镜25、29光电探测器光电探测器26、28光孔栏光孔栏27分光镜分光镜30、31前置放大器前置放大器32专用计算机专用计算机33准直物镜准直物镜35聚光镜聚光镜VV专用计算机专用计算机激激光光器器稳频器稳频器12345678383714910151312111617R工作台工作台18192022333435362124272829313025263223 激光球面干涉仪激光球面干涉仪11-4激光干涉测长仪（单频）激光干涉测长仪（单频）一、测长方程一、测长方程动镜位移动镜位移L光程变化光程变化2L=N（因每位移一个条纹，（因每位移一个条纹，光程变化光程变化 ）也就是：也就是：=m（m为整数）为整数）当光程差为波当光程差为波长的长的 整数倍，干涉条纹为亮条纹整数倍，干涉条纹为亮条纹（极大值）（极大值）条纹数变化条纹数变化N=2L/故故L=N/2=N0 0/(2n)/(2n)0 0真空波长真空波长;n折射率折射率2m（2m+1）0ImaxImin二二、光电系统原理、光电系统原理 激光器激光器1出射单频率的激光，经反射镜出射单频率的激光，经反射镜2、3反射，反射，4扩束到达分光镜扩束到达分光镜5。分成两束光：一束经角锥镜反射。分成两束光：一束经角锥镜反射到达探测器到达探测器12，一束透过，一束透过6直接到达探测器直接到达探测器12，这两束光产生干涉条纹。同理，经这两束光产生干涉条纹。同理，经5反射反射6透射到达透射到达探测器探测器11的光产生干涉。探测器的光产生干涉。探测器11和和12的干涉条纹的干涉条纹信号相位相差信号相位相差900。美国：臂长美国：臂长4KM4KM的干涉仪的干涉仪投资：投资：3.653.65亿美元亿美元日本日本300m长臂长臂激光干涉仪激光干涉仪各国建造的长臂干涉仪分布图各国建造的长臂干涉仪分布图三、三、干涉条纹信号的移相干涉条纹信号的移相1.狭缝移相法狭缝移相法 在两光电接收器前分别置两狭缝，如图在两光电接收器前分别置两狭缝，如图11-15所示。所示。图图11-15 狭缝移相狭缝移相使两狭缝相对移开使两狭缝相对移开 干涉条纹的距离，这干涉条纹的距离，这样通过两狭缝的两组干涉条纹就有样通过两狭缝的两组干涉条纹就有 的位相差。的位相差。当然狭缝的宽度与条纹间隔的比值还必须满足当然狭缝的宽度与条纹间隔的比值还必须满足比宽度的要求，用这种移相法时狭缝的方向应比宽度的要求，用这种移相法时狭缝的方向应平行于条纹。平行于条纹。2m(2m+1)0ImaxImin2.在析光镜上镀移相膜法在析光镜上镀移相膜法 如图11-16在干涉系统的析光镜上镀移相析光膜，该移相析光膜不仅使入射光线在此一分为二，而且光线在该膜层上每反射一次就产生的位相跳变。图图11-16 在析光镜上镀移相膜在析光镜上镀移相膜21两路光均反射一两路光均反射一次，无附加光程次，无附加光程差差2光均反射光均反射2次，次，2 2次透射，有次透射，有 附加相位差附加相位差1122 在图中，到达光电接收1的两相干光束1和1，由于两者均在移相析光膜上反射一次，所以干涉的结果没有附加的移相。而到达光电接收器2的两相干光线2和2，由于光束2是经过两次透过移相析光膜后到达光电接收器2，而光束2则是在移相析光膜上两次反射后到达光电接收器2的，它有的位相跳变，因此相干光束2和2产生的干涉条纹将有的附加移相。这样，通过移相析光膜后，光电接收器1和2接收到的两组干涉条纹彼此间就有的移相。此法可获得十分稳定的条纹移相。四、细分、判向原理四、细分、判向原理（与莫尔条纹细分、判向原理相同）（与莫尔条纹细分、判向原理相同）原始原始信号：互成信号：互成900的的Sin、cos1.差分放大后的信号差分放大后的信号Q+=t1p4+t2p1+t3p2+t4p3Q-=t1p2+t2p3+t3p4+t4p12.整形及信号处理整形及信号处理五、反射器五、反射器1.平面反射镜平面反射镜2.直角棱镜反射器直角棱镜反射器 激光干涉测长仪中，干涉条纹的运动受反射激光干涉测长仪中，干涉条纹的运动受反射镜镜动镜倾斜影响非常大。动镜倾斜影响非常大。由于导轨直线度影响，动镜沿导轨移动过程中有由于导轨直线度影响，动镜沿导轨移动过程中有 的偏摆，条纹间隔就会从无穷宽变到的偏摆，条纹间隔就会从无穷宽变到30mm左右，左右，条纹方位也随差倾斜方法的不同而改变。条纹方位也随差倾斜方法的不同而改变。要使动镜移动时条纹间隔及方向不变，必须对导轨要使动镜移动时条纹间隔及方向不变，必须对导轨的直线性提出苛刻要求，这在工艺及经济性上是办的直线性提出苛刻要求，这在工艺及经济性上是办不到的。不到的。是否有一种反射镜，使得输入输出光线严格平行，是否有一种反射镜，使得输入输出光线严格平行，而不受动镜本身的摆动影响呢？回答是肯定的。而不受动镜本身的摆动影响呢？回答是肯定的。3.角锥镜角锥镜 Cube Corner Rettoreflector （CCR）（三垂面镜）（三垂面镜）“箱体一角箱体一角”结论：无论从哪一方向入射，出射总与入射光平结论：无论从哪一方向入射，出射总与入射光平行。干涉仪中绝大部分使用它。行。干涉仪中绝大部分使用它。证明：设入射光矢量为证明：设入射光矢量为反射光矢量为反射光矢量为反射面法线矢量为反射面法线矢量为面法线面法线：面法线面法线：面法线面法线：则反射化式的矩阵形式为则反射化式的矩阵形式为各面的反射矩阵分别为各面的反射矩阵分别为面：面：面：面：面：面：经第经第I面反射得面反射得 经第经第面反射得面反射得 经第经第面反射得面反射得得证得证1）在角锥棱镜反射系统中在角锥棱镜反射系统中,出射光线具有与入射光线平行出射光线具有与入射光线平行,方向相反的特性。方向相反的特性。常在激光干涉测长系统中，使用角锥棱镜作反射器。常在激光干涉测长系统中，使用角锥棱镜作反射器。2）证明：出射光线与入射光线平行证明：出射光线与入射光线平行,且且方向相反方向相反.证证:如图如图1 1所示所示,底面方程为底面方程为:3.角锥棱镜（角锥棱镜（“应光应光”PPT)入射光线单位矢量可表示为入射光线单位矢量可表示为为为A A1 10 0的方向数的方向数反射面反射面AOBAOB的单位的单位矢量为矢量为n1=-k图图1 1由矢量形式的反射定律由矢量形式的反射定律反射面反射面BOCBOC的单位的单位矢量为矢量为n2=-i,反射光反射光A3的单位矢量的单位矢量 反射面反射面COACOA的单位的单位矢量为矢量为n3=-j,反射光反射光A4的单位矢量的单位矢量 故故A10与与A40平行且方向相反。平行且方向相反。n1、n2、n3、的法线方向定义为、的法线方向定义为x、y、z的反方向的反方向(见第见第1章）章）A1A2A3A44.猫眼镜猫眼镜Cats Eye Rettoreflector（CER）近轴情况下保证平行进、平行出。近轴情况下保证平行进、平行出。结构特点：结构特点：1）2）习题习题1.有如图球面干涉光学系统，已知有如图球面干涉光学系统，已知:f1=350mm，f2=150mm观察屏幕直径观察屏幕直径D=80mm，距干涉仪出瞳，距干涉仪出瞳距离距离q=200mm，激光波长，激光波长=0.6m 题题1图图 （1）在图上标出入瞳和出瞳的位置，被测球面如图示位置时在图上标出入瞳和出瞳的位置，被测球面如图示位置时（E与与E）屏幕上看到的干涉条纹形状如何？）屏幕上看到的干涉条纹形状如何？（2）欲测）欲测E的面形误差，希望干涉场呈现直排横条的面形误差，希望干涉场呈现直排横条纹，应使纹，应使E作垂轴移动。人眼能感到屏幕上条纹变化作垂轴移动。人眼能感到屏幕上条纹变化量不超过量不超过1个条纹（个条纹（N=1），试计算），试计算E的微动量。的微动量。习题习题2.干涉测长机中采用三垂面镜作逆向反射干涉测长机中采用三垂面镜作逆向反射 器的目的是什么？器的目的是什么？