第2章--激光干涉测量技术-1

a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
Ø 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Βιβλιοθήκη Baidu同点联
成的轨迹，而光程差∆是干涉仪两支光路光程之差，可用下
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
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(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2.2（a）所示。
镜M1和M3上都镀有半反半透膜，M1用作 分光器，参考光束经M1反射后在镜M3上 与测量光束叠加，产生干涉。
M1和M3还能做成一体。如左图。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局——a.使用角锥棱镜反射器
只用一个角锥棱镜反射器作动镜还可 以组成图2.4（d）所示的双光束干涉 仪，它也是一种较理想的光路布局， 基本上不受镜座多余自由度的影响， 而且光程增加一倍。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 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，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。
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。故常采用一 个作为可动反射镜，参考光路中用平面反 射镜作固定反射镜，使用一个角锥棱镜作 可动反射镜。还可采用其他几种光路，如
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局——a.使用角锥棱镜反射器
a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(4)典型的光路布局——a.使用角锥棱镜反射器
这是一种常用的光路布局，如左图所示。 优点：角锥棱镜可使入射光和反射光在空 间分离一定距离，所以，这种光路可避免 反射光束返回激光器。激光器是一个光学 谐振腔，若有光束返回激光器将引起激光 输出频率和振幅的不稳定。同时，角锥棱 镜具有抗偏摆和俯仰的性能，可以消除测 量镜偏转带来的误差。
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。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(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精度的系统或者长光程干涉仪中，此项误 差不可忽略。 b. 角锥棱镜反射器。如右图所示。
角锥棱镜反射器具有抗偏摆和俯 仰的性能，可以消除偏转带来的 误差，是干涉仪中常用的器件。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(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。 c. 直角棱镜反射器
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
若反射镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射镜一起 绕C点旋转时，光程保持不变。“猫眼”反射器的优点是容易加工和不 影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也可考虑用平面反射镜代替凹 面反射镜，这样更容易加工和调整。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
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。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(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
。
v c. 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
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激光干涉测量长度和位移
Ø 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=Kλ/2，式中， λ=λ0/n，是
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。
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第2章 激光干涉测量技术
概要 激光干涉测量长度和位移 激光外差干涉测量技术 激光移相干涉测量技术 激光全息干涉测量技术 激光散斑干涉测量技术 激光光纤干涉测量技术
激光多波长干涉测量技术
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激光干涉测量长度和位移
Ø 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
a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局——b. 整体式布局
这是一种将多个光学元件结合在一起 ，构成一组合结构的布局。如图2.5所 示，采用立方体分光器，反射器蒸镀 在它上面和侧面。 优点：整个系统对外界的抗干扰性较 好，抗动镜多余自由度能力强，测量 灵敏度提高一倍。 缺点：这种布局调整不方便，光强吸 收较严重。
如右图所示，直角棱镜反射器的三个 角分别为45º、45º、90º，光入射在斜 面上。它只有两个反射面，加工起来 比较容易。对于垂直入射面的平面偏 振光不受干扰。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(3)激光干涉仪常用的反射器
d. “猫眼”反射器
如右图所示，“猫眼”反射器由一个 透镜L和一个凹面反射镜M组成。反 射镜放在透镜的主焦点上，从左边来 的入射光束聚焦在反射镜上，反射镜 又把光束反射到透镜，并沿与入射光 平行的方向射出，这个作用于反射镜 的曲率无关。
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上一节课： 课程内容简介 v 实例-手持式荧光淬灭特性检测系统 今天主讲内容： 激光干涉测量技术
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第2章 激光干涉测量技术
概要 激光干涉测量长度和位移 激光外差干涉测量技术 激光移相干涉测量技术 激光全息干涉测量技术 激光散斑干涉测量技术 激光光纤干涉测量技术
激光多波长干涉测量技术
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概要
Ø 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。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
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。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(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。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 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∆相对应的干涉条纹变 化次数为：K= d∆/λ0=2nL/λ0
a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(4)典型的光路布局——c. 光学倍频布局
为提高干涉仪的灵敏度，可使用 光学倍频（也称光程差放大器） 的棱镜系统，如图2.6所示。
角锥棱镜M1每移动λ/2k，干涉条 纹便发生一次明暗交替变化，k 为倍频系数，图中k=6。 利用光学倍频的干涉系统能用简 单的脉冲计数做精密测量，而无 需进行条纹细分。这种技术还可 使干涉仪结构紧凑，减小温度、 空气及机械干扰的影响。
Ø 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：频率相同，振动方向相同和恒定的位相 差。
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概要
Ø 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 相差无规则且频繁变化不会产生干涉。
Ø 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）。
Ø 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。
Ø 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。
Ø 常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、菲索干 涉仪、塞曼-格林干涉仪、双频激光干涉仪、光纤干涉仪、扫描 隧道显微镜（82年），原子力显微镜（86年），从此开始了纳 米级干涉测量的时代——诺贝尔奖（Binning and Rohrer）
激光光波在空气中的波长。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成 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。