实验三 激光干涉测量技术
工程类第二章激光干涉测量技术上
智能化测量将提高测量精度和效 率，降低人为误差和操作成本。
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添加标题展趋势包括实时数据处理、 自动校准和自我诊断功能。
激光干涉测量技术将进一步拓展 应用领域，如智能制造、医疗和 航空航天等。
01
激光干涉测量技术的实际应用案例
激光干涉仪在长度测量中的应用
测量原理：基于激光干涉原理，通过测量干涉条纹的数量来确定长度 应用场景：生产线上的长度测量、精密加工中的定位和测量、科学研究中的长度测量等 优势特点：高精度、高稳定性、非接触式测量等 未来发展：随着激光干涉测量技术的不断进步，其在长度测量领域的应用将更加广泛和精确
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激光干涉仪在振动测量中的应用
激光干涉仪的原理 振动测量中的应用场景 实验结果及分析 未来发展方向
激光干涉仪在光学元件检测中的应用
光学元件检测的必要性 激光干涉仪的工作原理 激光干涉仪在光学元件检测中的应用案例 激光干涉仪在光学元件检测中的优势与局限性
激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用
激光干涉仪的工作原理 表面粗糙度测量的重要性 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用案例 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的优势与局限性
远程测量：激光干涉测量技术可以实现远程测量，无需直接接触被测物体，具有广泛的应用前景。
抗干扰能力强：激光干涉测量技术具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境下实现稳定的测量。
缺点
设备成本高昂 对环境条件要求较高 测量精度易受干扰影响 需要专业操作人员和维护
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激光干涉测量技术的发展趋势
高精度测量
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激光干涉测量技术
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实验三激光干涉测量技术
实验三激光干涉测量技术一、引言激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。
区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。
二、实验目的1．了解激光干涉测量的原理2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧三、实验原理本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。
图1 泰曼－格林干涉仪原理图泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。
能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。
若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。
当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。
不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。
如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。
引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当时，P点为亮点，而当时，P点为暗点。
《激光干涉测量技术》PPT课件
P
线偏振光 I
偏振化方向 (透振方向)
I 1 I 2
我们研发各种偏振片和延迟器件
o光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体
CaCO 3
纸面
当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
纸面
双 折
光光
射
方解石 晶体
晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 方向称为晶体的光轴。
在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信 息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相 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
式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li， lj分别为干涉仪两支光路的几何路程差。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，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条
激光干涉测量技术
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一 门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件 的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到 长足发展。
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。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、 长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测 量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马 赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年 代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速， 如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉 仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。
(4)“猫眼”反射器 如下图(c)所示，它由一个透镜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(与反射镜的曲率无关)。若反 别镜的曲率中心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。
物理实验技术中的激光测量方法与技巧
物理实验技术中的激光测量方法与技巧激光测量作为物理实验中一种重要的技术手段，被广泛应用于各个领域。
它以激光的高度准直、高能量、高相干性等特性为基础，结合各种光学器件和信号处理技术，可以实现对物体尺寸、形状、速度、位移等参数的高精度测量。
本文将介绍几种常见的激光测量方法与技巧，以及在实验过程中应注意的问题。
一、激光测距技术激光测距是激光测量中常用的一种方法，它通过测量激光光束发射和接收的时间差，来计算出待测物体与激光发射源之间的距离。
激光测距技术的精度高、响应速度快，被广泛应用于建筑、制造业等领域。
在进行激光测距实验时，首先需要选择合适的仪器设备，如激光测距仪或测距传感器。
其次，要注意激光光束的准直度，可以通过调整光路和使用聚焦镜头来实现。
此外，要合理选择激光波长，根据测量需求选择合适的波长，以避免光线在空气中的散射损失。
二、激光干涉测量技术激光干涉测量技术是一种基于光的干涉原理来进行测量的方法。
它通过光束的干涉，可以实现对光程差、位移、形状等参数的测量。
激光干涉测量技术具有高精度、非接触等特点，被广泛应用于光学元件的测试、微观位移测量等领域。
在进行激光干涉测量实验时，需要注意实验环境的稳定性和光路的精确调节。
实验室内应避免震动和温度变化对实验结果的影响，可以使用防震平台和温度控制设备。
光路的调节要仔细，可以使用反射镜、分束板等器件来调整和分束光路，保证光束的干涉效果。
三、激光散斑衍射技术激光散斑衍射技术是一种利用光的衍射原理进行测量的方法。
它通过分析散斑的形态、强度等信息，可以获取被测物体的表面形貌和光学特性。
激光散斑衍射技术具有测量速度快、非接触等优点，广泛应用于表面粗糙度、液体颗粒浓度等参数的测量。
在进行激光散斑衍射实验时，需要注意光路的调节和测量环境的控制。
光路要保证光束的准直和稳定，可以使用衍射光栅、透镜等器件进行调节。
测量环境要避免空气流动和震动的干扰，可以使用光学隔离器和避免光束直接照射待测物体。
实验技术中的激光干涉技术的原理与实现
实验技术中的激光干涉技术的原理与实现激光干涉技术是一种基于光的干涉现象的测量方法，广泛应用于实验技术中。
它利用激光的特点，在光的干涉区域产生明暗相间的干涉条纹，通过分析和处理这些条纹，可以获取被测量物体的形态、位移、厚度等信息。
本文将介绍激光干涉技术的原理与实现。
激光干涉技术的原理基于光的干涉现象，即两束光相遇叠加时，互相干涉形成干涉条纹。
而激光由于具有相干光源的特点，可以产生高质量的干涉条纹。
激光干涉技术主要分为两类：自由空间干涉和光纤干涉。
自由空间干涉是指利用激光经过光学元件，如分束器、反射镜等，形成干涉条纹。
其中最常见的实验技术是大气相干仪。
大气相干仪是一种可以测量大气中的湍流结构的仪器，通过测量光的相位差来反映湍流的程度。
它利用激光通过大气中的物理参数发生变化时，光的波前将会发生相位延迟，从而形成明暗相间的干涉条纹。
通过分析这些干涉条纹的强度和形态变化，可以了解大气湍流的情况。
大气相干仪广泛应用于气象研究、天体光学以及激光通信等领域。
另一类是光纤干涉技术，它利用光在光纤中传播时的干涉现象进行测量。
光纤干涉技术可以分为两种类型：多模干涉与单模干涉。
多模干涉是指激光在光纤中传输时，由于不同模场的干涉造成的干涉条纹。
这种技术可以用于测量光纤中的形变、温度等物理量。
而单模干涉是指由于光纤中的微小扰动引起的相位变化所产生的干涉。
这种技术可以用于测量微小位移、细胞生物力学以及微纳尺度物体的变形等。
在实现激光干涉技术时，需要注意的是光路的稳定性和准直性。
光路的稳定性是指光经过光学元件传递时，要保证光的相对相位不受外界干扰的影响，从而保证干涉条纹的稳定性。
准直性则是指激光传输过程中光的方向要准确，以保证干涉效果的准确性。
除此之外，还需要使用适当的光学器件，如分束器、反射镜、透镜等，来控制光线的传输和干涉。
激光干涉技术具有高精度、高灵敏度、非接触性等特点，被广泛应用于科学研究和工程领域。
在材料科学中，可以用于测量材料的应力分布、膨胀系数等物理性质。
第三章、激光干涉测量
第三章、激光干涉测量干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行高精密测量的一门技术。
20世纪60年代激光的出现，才使干涉测量技术得到了长足的发展。
因为激光出现以前，所用以光源单色灯经过滤光片滤光作为单色光源，其相干长度只有几mm ，且干涉条纹比较模糊，只能微小变化的测量。
激光的出现，由于激光束的高亮度和很长的相干长度（He-Ne 激光器，相干长度几十Km ），使得干涉测量的测量精度、可测量长度都有了质的提高。
激光干涉测量的应用范围很广，可用于长度、位移、角度、形状、介质折射率（通过折射率的变化还可以测量压力、温度等）变化。
激光干涉测量的原理就是将入射激光束分成两束，一束为参考光束，一束为测量光束，测量两束光的光程差的信息或n l kl n l n M j j j N i i i ⇒=-=∆∑∑==211λ。
本章主要介绍激光干涉长度测量、激光干涉微小间隙测量以及光纤干涉传感器所构成的温度、压力测量。
首先介绍激光干涉长度测量。
§3.1 激光干涉长度测量一、 激光干涉测长的基本原理干涉测长仪是一种利用“增量法”的测长仪器。
最基本的测长仪光路采用Michelson(迈克尔逊)干涉仪，参考反射镜M 1固定不动，目标反射镜M 2与被测对象固联，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，因为两光束来自于同一相干光源（同一台激光器），两光束产生的干涉条纹也将发生明暗交替的变化（因为两反射镜M 1、M 2不可能完全垂直，故应为等厚干涉）。
假设目标反射镜从M 2移至'2M ，则二光束的光程差变化量为：nL l l n l L l n c m c m 2)(2)(2=---+=∆ （3-1-1） 当用光电探测器接收干涉条纹的明暗变化时，两光束的光程差每变化一个波长（λ），干涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数λλ/2/nL k =∆=，n 为介质折射率，在空气中，n~1，故2/λk L =。
激光干涉测量物体形状与运动的技术要点
激光干涉测量物体形状与运动的技术要点激光干涉测量技术是一种非接触式的测量方法，通过测量激光光束与物体表面的干涉现象，可以实现对物体形状和运动的精确测量。
在工业制造、医学影像、地质勘探等领域中，激光干涉测量技术被广泛应用。
本文将介绍激光干涉测量物体形状与运动的技术要点。
一、激光干涉测量原理激光干涉测量原理基于光的干涉现象，通过测量光程差来计算物体的形状和运动。
当激光光束照射到物体表面时，一部分光被反射回来，与原始光束发生干涉。
干涉产生的光强分布与物体表面的形状和运动状态有关。
通过分析干涉光强分布的变化，可以得到物体的形状和运动信息。
二、激光干涉测量的关键技术1. 激光光源的选择激光光源是激光干涉测量的关键组成部分。
常用的激光光源有氦氖激光器、二极管激光器等。
选择合适的激光光源要考虑到测量的精度、测量距离和成本等因素。
同时，激光光源的波长也会影响测量的精度，需要根据具体应用需求进行选择。
2. 干涉图像的获取干涉图像的获取是激光干涉测量的关键步骤。
传统的方法是使用像素平面干涉仪进行图像的获取，但这种方法需要较长的曝光时间，不适用于快速运动的物体。
近年来，高速相机和图像处理技术的发展使得实时获取干涉图像成为可能，大大提高了测量的效率和精度。
3. 相位解析与计算干涉图像中的光强分布与物体表面的形状和运动状态有关，通过分析图像中的相位信息可以得到物体的形状和运动信息。
相位解析与计算是激光干涉测量的核心技术之一。
常用的相位解析方法有空间相位解析法、频率调制法等。
相位计算的过程中需要考虑到相位的非线性变化和噪声的影响，采用合适的算法可以提高测量的精度。
4. 测量误差的分析与校正激光干涉测量中存在着各种误差，如光源的不稳定性、环境震动等。
对测量误差的分析与校正是保证测量精度的重要环节。
常用的误差分析方法有误差传递法、误差补偿法等。
通过合理的误差校正方法，可以提高测量的准确性和稳定性。
三、激光干涉测量技术的应用激光干涉测量技术在工业制造、医学影像、地质勘探等领域中有着广泛的应用。
激光干涉计量实验报告
一、实验目的1. 理解激光干涉原理，掌握激光干涉计量的基本操作。
2. 学习使用激光干涉仪进行长度、距离等参数的精确测量。
3. 了解激光干涉仪在工程测量中的应用。
二、实验原理激光干涉计量是基于光波干涉原理，通过测量干涉条纹的变化来确定长度、距离等参数的一种方法。
实验中使用的激光干涉仪通过分束器将激光束分为两束，一束光通过待测距离，另一束光作为参考光。
两束光在探测器处发生干涉，产生干涉条纹。
通过测量干涉条纹的变化，可以计算出待测距离。
三、实验仪器1. 激光干涉仪2. 分束器3. 反射镜4. 探测器5. 计算机及数据采集软件四、实验步骤1. 将激光干涉仪、分束器、反射镜和探测器按照实验要求连接好。
2. 打开激光干涉仪电源，预热10分钟。
3. 打开数据采集软件，设置采集参数。
4. 将反射镜放置在待测距离处，调整反射镜的角度，使光束与探测器垂直。
5. 观察干涉条纹的变化，记录条纹移动的次数。
6. 根据干涉条纹移动的次数，计算出待测距离。
五、实验数据1. 待测距离：d = 10m2. 干涉条纹移动次数：n = 10003. 干涉条纹间距：ΔL = 1mm六、数据处理根据实验数据，可以使用以下公式计算待测距离：d = n × ΔL代入实验数据，得到：d = 1000 × 1mm = 1000mm = 1m七、实验结果与分析实验结果显示，待测距离为1m，与实际距离基本一致，说明实验结果准确可靠。
通过激光干涉计量实验，我们掌握了激光干涉计量的基本原理和操作方法，为以后进行工程测量奠定了基础。
八、实验总结1. 激光干涉计量是一种精确的测量方法，广泛应用于工程测量、科学研究等领域。
2. 在实验过程中，要确保光路稳定，避免外界因素对实验结果的影响。
3. 通过实验，我们掌握了激光干涉计量的基本原理和操作方法，提高了自己的实验技能。
九、注意事项1. 实验过程中，注意安全，避免激光直射眼睛。
2. 实验前，仔细阅读实验指导书，了解实验原理和操作步骤。
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实验三激光干涉测量技术
一、引言
激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。
区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。
二、实验目的
1．了解激光干涉测量的原理
2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法
3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合
4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧
三、实验原理
本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。
图1 泰曼－格林干涉仪原理图
泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A 分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。
能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。
若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。
当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。
不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。
如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。
引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为
即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当
时，P点为亮点，而当
时，P点为暗点。
如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角
的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀
照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。
从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变λ。
由于
测量镜M2移动l会带来2l的光程差则：
式中N为干涉条纹数。
因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量l。
测量灵敏为：当N＝1，则
（He-Ne激光），即
五、实验步骤
1、实验光路
图2 泰曼－格林干涉仪实验光路图
1－激光器2－衰减器3－定向孔4－反射镜5－扩束透镜6－准直透镜7－分束器8－组合工作台（夹持反光镜）9－组合工作台（夹持反光镜并带有平移台）10－成像物镜11－探测器
激光器1发出的激光（激光波长632.8nm ），经衰减器2（用于调节激光强度）后，由定向小孔3引导，经反射镜4进入扩束准直物镜5，6后，由分束器7(本实验中采用分光棱镜)分成二束光，分别由反射镜8（即图1中的M1），9（M2）反射后，两束光相遇形成干涉条纹并经成像物镜10（即图1中L2）将条纹成于光电探测器11上（本实验不加透镜10，并使用白屏代替光电探测器11）。
并且，随着组合工作台9上反射镜的前后移动，干涉条纹会随之移动，这样就可以实现微位移量的测量。
2、实验步骤
进入实验室后，首先要熟悉实验台所用到的仪器和光学元件，注意不要用手去触摸光学元件表面，并且要轻拿轻放，本实验不使用的器件应事先移开。
打开电源开关，点亮He-Ne激光器预热，并等待其光强稳定。
1．激光扩束。
在反射镜4的中间位置处，能够看到明亮的激光光斑，观察通过扩束透镜5后，出射光斑是否均匀，并经透镜6准直。
使用平晶检查准直质量。
2．正确安装分光棱镜7，注意分光棱镜的放置方向，使分得的两束光尽量能量相同。
在多功能试件夹8和组合工作台9上，分别装平面反射镜，使光线经过分光棱镜获得的反射光和折射光能够正常到达成像物镜10的位置。
3．调节工作台8，9上调平调向测微器，使二路反射光较好重合（在成像物镜10后焦面上，两反射光会聚的光斑重合），由于光线经过多次的反射和折射，聚焦光斑不容易调节至完全重合，所以要求实验者足够的熟悉调平调向测微器，以便得到较好的干涉条纹。
4．随着组合平台的螺旋测微器转动带动反光镜产生微小位移，引起了干涉条纹的移动，来测量微小位移量。
5．记录实验数据，并计算出微小位移量，进行适当的误差分析。
6．实验结束后，将所有设备的电源切断，并适当整理实验台。
实验数据记录表
测量位移量
(其中)
六、思考题
1、T－G干涉系统是什么类型的干涉条纹？简述其性质和干涉原理。
2、如果所得的干涉条纹有些弯曲，是什么因素造成的，应该如何消除？
3、条纹的间距大小可以调节吗？如何改变？。