双频激光外差干涉的应用技术
双频干涉仪原理
双频干涉仪原理引言：在科学研究和工程实践中，测量物体的长度、形状和表面特征是非常重要的。
双频干涉仪作为一种精密测量仪器，被广泛应用于光学、机械、天文学等领域。
本文将介绍双频干涉仪的原理及其应用。
一、双频干涉仪的基本构造和工作原理双频干涉仪由激光器、分束器、参考光路、待测光路和光电探测器等组成。
其工作原理是利用激光的干涉现象，通过比较两个光路的光程差来测量待测物体的长度或形状。
1. 激光器产生相干光：双频干涉仪中使用的激光器可以产生相干光，即具有相同频率和相位的光束。
这种相干光可以在干涉仪的光路中形成干涉。
2. 分束器将光分为参考光和待测光：分束器将激光光束分为两个光路，一个作为参考光路，一个作为待测光路。
这样可以同时测量两个光路的光程差。
3. 参考光路的光程差：参考光路中的光程差是固定的，可以通过调节参考光路的光程来实现。
这样可以作为参照来测量待测光路的光程差。
4. 待测光路的光程差：待测光路中的光程差与待测物体的长度或形状相关。
当待测光路通过物体后，光束会发生干涉，形成干涉条纹。
通过分析干涉条纹的变化，可以计算出待测物体的长度或形状。
5. 光电探测器检测干涉信号：光电探测器将干涉信号转化为电信号，并送入计算机或数据采集系统进行处理和分析。
通过分析干涉条纹的强度和位置变化，可以得到待测物体的相关信息。
二、双频干涉仪的应用双频干涉仪由于其高精度和宽测量范围的特点，被广泛应用于各个领域。
1. 光学测量：双频干涉仪可以用于测量光学元件的表面形状和光学性能。
通过测量光学元件的干涉条纹，可以得到元件的曲率、折射率等参数。
2. 机械测量：双频干涉仪可以用于测量机械零件的长度、直径、平面度等。
通过测量机械零件的干涉条纹，可以实现亚微米级的测量精度。
3. 天文学观测：双频干涉仪可以用于天文学观测中的星际物体测量。
通过测量星际物体的干涉条纹，可以得到其距离、直径等重要参数。
4. 生物医学：双频干涉仪可以用于测量生物组织的形状和表面特征。
光学干涉测量技术
光学干涉测量技术——干涉原理及双频激光干涉1、干涉测量技术干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。
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。
相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。
当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：122I I I πλ=++式中△是两束光到达某点的光程差。
明暗干涉条纹出现的条件如下。
相长干涉（明）：min 12I I I I ==+， （m λ=）相消干涉（暗）：min 12I I I I ==+-， （12m λ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。
通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。
按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。
按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。
按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。
下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。
光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
图一 普通光源获得相干光的途径与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。
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（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。
双频激光干涉仪
光刻机定位双频激光干涉仪发布日期：2005年10月20日访问次数：1503光刻机定位双频激光干涉仪1.项目概述双频激光干涉仪以其特有的同时具有大测量范围、高分辨率、高测量精度和高速度等优点，在精密和超精密测量领域获得了广泛的应用。
双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰能力强、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。
例如，精密坐标机床的标定、高精度传感器的标定、半导体工业中的高精度模板的制造和定位、以及构成多坐标精密定位多轴运动系统等。
中科院上海光机所在上海市科委光科技专项二期项目支持下，完成了“光刻机定位双频激光干涉仪”样机。
以100nm线宽步进扫描投影光刻机工件台定位需求为研制目标，对双频激光干涉仪系统的关键技术进行了攻关，已经成功研制出一台高精度、高速度、大范围的双频激光干涉仪实验室样机，如图1所示。
该仪器核心技术是分辨率的提高和改进，取得6项专利，拥有自主知识产权。
2.国内外技术、应用现状及应用领域1）国内外技术双频激光干涉仪首先由美国HP公司研制成功并获得专列权。
第一批定型产品为5500A，于1970年投放市场，它的量程达到61m，测量精度为5×10-7，测量速度达330mm/s。
其后HP公司又研制了其他派生产品，如5526A除了能测长度以外，还能测速度、角度、平面度、直线度和垂直度，还可以用来测震及进行X-Y微动台的定位，用途极为广泛。
其他国家在这方面做了不少工作，投入市场的还有英国的Renishaw、美国的ZYGO、法国SORO和日本横河等公司。
我国从七十年代，清华大学、北京计量院、机械部成都工具研究所等科研部门就已开始研制双频激光干涉仪样机，至今已经有二、三十年历史。
成都工具研究所有商品化仪器出售,但分辨率比较差。
尽管国外双频激光干涉仪水平比较高，但价格高，特别是高档次的产品对我国禁运，而国内产品不能满足高精度先进制造技术方面的需求。
双频激光外差干涉的应用技术
ａｄ ｐｅ ｉｏ ， ｒ ｇａ ｔｊｍ ｎ ａ ａ ｉｔ ｒ ｅｔ ｉｔ ｄ ｔ ｃａ ｉｔ ｔ ｎ ｅ ｕ ｌ ｈ ｒ ｔ ｉ ｉ ， ｃｒ ｉ ｅ ｄ ｐ ｌ ｎ ｒｃ ｉｎ ｔ ｎ ｎｉａ ｍｉ ｃｐ ｂｌｙ ｅ ａ ｂ ｉ ａ ａ ｅｂｌ ｓ ｏ ｇ ｓｘ ａ ｃ ａａ ｅ ｓ ｃ ａ ｏｄ ｇ ｔ ｔ ｏ ｐｅ ｓ ｓｏ － ｇ ｉ ，ｐ ａ ｌ ｎ ｒ ｙ ｉ ｒ ｙ ｃ ｒｔ ｓ ｃ ｎ ｏ ｈ ｒ
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换 的声光调 制器 以及外 差信 号的相 位检测 电路 和数据 处理 单元 。 用 双波长 激光外 差干涉 测长 用 双波 长激光 进行 外差干 涉测量 绝对 距离 系统 ，其特 征在 于
一
反 向镜 后 ， 就 ／ｆ １ ｏ同样 因两次通 过 １４波片 ，振动 方 向再转 ／ 过 ９。， ０ ， 在分束 面上就 由反 射就透 射 。这时 ， 光 ， 与 汇 合在 一起 ，回到 激光头 的接 收系统 中去 。 该 干涉 仪系统 有 以下 两个特 点 ： １仪器 分辨率 由于 多普勒频 差增 加一倍 而增 加一倍 。 ． ２ 平面 反射镜 相对 于光轴 的任 何偏斜 只会 使反射 回 的光束偏 ．
外差干涉测长的原理及应用
外差干涉测长的原理及应用1. 原理介绍外差干涉测长是一种基于干涉原理的测量方法，主要用于测量物体的长度、距离和形状等参数。
它利用光的干涉现象，通过两束光的相干干涉而产生干涉图像，从而可以得到被测物体的参数。
2. 工作原理外差干涉测长的基本原理是将激光光束分成两束，其中一束为参考光束，另一束为测量光束。
这两束光束分别经过分束器和反射镜，然后分别被引入被测物体和参考光程中。
在被测物体上，测量光束经过反射后与参考光束再次叠加，形成干涉图像。
通过干涉图像的变化，可以计算出被测物体的长度、距离和形状等参数。
3. 应用场景外差干涉测长广泛应用于工业制造、科学研究和生物医学等领域。
以下列举了一些常见的应用场景：•工业制造：外差干涉测长可以用于测量精密机械零件的尺寸，如轴承孔的直径、齿轮的模数等。
这种测量方法高精度、非接触，能够满足工业制造对精度要求较高的应用。
•科学研究：外差干涉测长在科学研究中也有很大的应用，例如在材料科学中，可以用于测量材料的膨胀系数、压力应力等参数的变化。
在物理学中，可以用于测量光源的波长稳定性以及光谱的测量等。
•生物医学：外差干涉测长在生物医学领域也有着广泛的应用，例如在眼科领域中，可以用于测量角膜的厚度和形状，以及眼底血管的直径和血流速度等。
在生物材料研究中，可以用于测量细胞、纤维和薄膜的尺寸变化。
4. 优点和挑战外差干涉测长具有以下优点：•高精度：外差干涉测长能够实现纳米级的测量精度，适用于对精度要求较高的应用。
•非接触：外差干涉测长不需要物体与测量仪器直接接触，减少了对被测物体的损伤和干扰。
•宽测量范围：外差干涉测长可根据需要选择不同的波长和光路配置，适用于不同尺寸和形状的物体测量。
然而，外差干涉测长也面临一些挑战：•环境干扰：外差干涉测长对环境的振动、温度、湿度等因素十分敏感，需要在稳定的环境条件下进行测量。
•复杂的仪器设备：外差干涉测长需要精密的光学元件和仪器设备，以及精准的光源和探测器，增加了设备的复杂性和成本。
激光外差干涉技术的应用领域
激光外差干涉技术是一种利用激光干涉原理进行精密测量的技术，其应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：
长基线测量：激光外差干涉技术可用于测量地球的形状、大小、重力场等参数，以及大气折射系数、地球自转速度等。
这些测量对于地球物理、地质学等领域的研究具有重要意义。
光学元件测量：激光外差干涉技术可用于测量光学元件的形状、表面粗糙度、平整度等参数，对于光学元件的制造和检测具有重要意义。
振动测量：激光外差干涉技术可用于测量物体的振动和变形，对于机械工程、航空航天、地震学等领域的研究具有重要意义。
生物医学测量：激光外差干涉技术可用于测量生物组织的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于生物医学研究和医学诊断具有重要意义。
纳米技术测量：激光外差干涉技术可用于测量纳米尺度下的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于纳米技术的研究和应用具有重要意义。
所以，激光外差干涉技术的应用领域非常广泛，涉及到多个学科和领域，具有重要的科学研究和工程应用价值。
激光外差干涉
激光外差干涉测位移15测控（3+2）蒋炜2015430340007激光外差干涉：由光学系统接收到的分为两束具有频率差、方向相反的偏振光F1和F2.经过1/4波片后成为两个相互垂直的线偏振光，激光经过分光镜分成两路，其中一束经过透射后射向光电探测器，其频率为fs，成为信号光束；另一个稳频激光器输出的一束激光也经过分光镜分为两束，其中一束经过分光镜反射后射向光电探测器，并称为本机振荡光束。
路经过偏振片1后频率为f1-f2，作为参考光束，另一路经偏振分光镜后又分为两路分别仅含f1和f2的光束。
当可移动反射镜发生位移变化时，仅含f2的光束经过可移动反射镜后成为含有的光束。
为多普勒频移量，包含可移动反射镜的位移信息。
这路含有的光束由固定反射镜的反射回来的仅含f1的光束经过偏振片2汇合频率为f1-（f2），作为测量光束。
当这两书光束满足干涉条件时，在两束光经过各自的传播轨迹后在分光镜下面发生干涉，（在无线电中叫做混频，在这里称为光混频），光电探测器只能响应直流分量和差频（Fs-Fl）分量（也称中频Fif）。
用一个中频放大器选出差频分量，于是输出端得到正比于差频分量的光电流。
在经过信号处理可以测出Fif=Fs-Fl的值。
因为Fl是已知的，所以测出Fif也就等于知道了Fs。
外差探测实质上就是两束相干光干涉的测量。
在干涉仪中，测量光的光程变化量是移动镜位移量的2倍，由光速c。
移动镜的移动速度v，得到多普勒频移量为激光的波长值为,频率的时间积分为周期数N，则移动镜的位移量为光电探测器R与M处接收光的相位差与频移差关系为双频激光干涉仪通过频率的变化测量位移,位移变化量只与频差f1-f2或相位差相关,频差f1-f2为固定值且为交流信号,不会产生直流电平漂移现象,所以抗干扰能力强,常应用于高精度测量系统中。
一：光路图：光频外差探测器光路结构二：光电转换部分光电转换部分的主要器件就是光电检测器。
可以将光强信号转换为相应的电信号。
双频激光干涉仪的原理与应用
双频激光干涉仪的应用研究
1、物理学领域中的应用
在物理学领域中，双频激光干涉仪被广泛应用于长度测量、光学腔衰荡、光 学陷阱等方面。例如，通过测量两个反射镜之间的距离，可以得出光学腔的长度， 进而研究光学腔的衰荡现象。另外，双频激光干涉仪还可以用于测量微小的距离 变化，如光学陷阱中的原子或分子位置的变化。
一、双频激光干涉仪的原理
双频激光干涉仪利用激光干涉和衍射现象来测量长度和角度。它包含两个振 荡频率不同的激光束，经过叠加后产生干涉图案。干涉图案的周期和相位差与被 测长度和角度有关。通过测量干涉图案的变化，可以推导出被测长度和角度的值。
双频激光干涉仪的原理框图如图1所示。激光器发出两束频率不同的激光， 经过分束器后分别形成参考光束和测量光束。这两束光在干涉仪内部进行叠加， 产生干涉现象。干涉仪的高精度光学系统能够将干涉图案聚焦成清晰的图像，并 由探测器进行接收。
4、土木工程领域中的应用
在土木工程领域中，双频激光干涉仪被广泛应用于测量建筑物、桥梁和隧道 等结构的变形和振动。通过测量建筑物或桥梁的振动频率和振幅，可以得出结构 的固有频率和阻尼比等重要参数。此外，双频激光干涉仪还可以用于测量地壳的 微震和地震等自然灾害的参数。
双频激光干涉仪的实验研究
1、双频激光干涉仪的基本原理
实验结果表明，双频激光干涉仪具有高精度、高稳定性和快速响应等特点。 通过改变双频激光束的频率差，可以扩大干涉仪的测量范围。另外，通过将双频 激光干涉仪与其他仪器结合使用，可以扩展其应用范围，例如将双频激光干涉仪 与扫描显微镜结合使用，可以得出微观结构的高精度三维形貌。
结论尽管双频激光干涉仪已经得到了广泛的应用，但是其仍有需要进一步研 究和改进的地方。例如，如何提高双频激光束的相干性、如何降低外界因素对实 验结果的影响以及如何实现实时在线测量等问题需要后续进行深入探讨。总的来 说，双频激光干涉仪在科学和技术上的应用前景非常广阔，未来研究将会有更多 的成果涌现，为人类认识世界和解决问题提供更多的工具和方法。
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双频激光外差干涉的应用技术
微／纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。
具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。
因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。
而激光外差干涉测量是几何量精密测量的主要技术之一，属精密测量技术领域。
通过偏振方向正交的两个波长的激光器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。