第五講激光外差干涉測長與測振

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1、1-6 激光外差干涉測長與測振韋 宏 艷光探測方法光探測方法n光（強）的探測方法分為直接探測法（非相干探測）和外差探光（強）的探測方法分為直接探測法（非相干探測）和外差探測法（相干探測）。直接探測簡單實用，外差探測靈敏度高，測法（相干探測）。直接探測簡單實用，外差探測靈敏度高，探測目標時的作用距離遠。探測目標時的作用距離遠。n直接探測的基本原理：直接探測的基本原理：所謂直接探測是將待測光信號直接射入到光探測器光敏面，光探所謂直接探測是將待測光信號直接射入到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，探測系統(tǒng)可測器響應(yīng)于光輻射強度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，探測系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)天線或

2、直接由探測器接收光信號，在其前端可經(jīng)過頻率經(jīng)光學(xué)天線或直接由探測器接收光信號，在其前端可經(jīng)過頻率濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）處理。接收到得光信濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）處理。接收到得光信號入射到光探測器的光敏面上。號入射到光探測器的光敏面上。n光外差探測的基本原理：光外差探測的基本原理：外差探測技術(shù)是利用光的相干性對光所攜帶的信息進行探測。它外差探測技術(shù)是利用光的相干性對光所攜帶的信息進行探測。它只有采用相干性好激光器作光源才能實現(xiàn)。從理論上說，它能只有采用相干性好激光器作光源才能實現(xiàn)。從理論上說，它能準確探測到光波振幅和頻率所攜帶的信息，比直接探測有更大準確探測到光波振幅和

3、頻率所攜帶的信息，比直接探測有更大的信息容量和更低的探測極限。的信息容量和更低的探測極限。激光外差干涉測試技術(shù)激光外差干涉測試技術(shù)4激光外差干涉測試技術(shù))(cos)()2(cos)(2cos121)(2cos121),(cos)cos(),(222x,yt-EEx,ytEEx,ytEtEyxtEtEtyxItrtrtrtr),(cos2/2/),(22yxtEEEEtyxitrtr)/1/(2),(),(00vttyxyx激光外差干涉測試技術(shù)（一）激光外差干涉測試技術(shù)原理（一）激光外差干涉測試技術(shù)原理n激光外差干涉儀的光源激光外差干涉儀的光源n外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。外差干涉

4、需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。n1）塞曼效應(yīng)）塞曼效應(yīng)He-Ne激光器激光器可得到可得到12MHz的頻差的頻差 /2vfv2（一） 激光外差干涉測試技術(shù)原理n激光外差干涉儀的光源fv2nVfv 激光外差干涉測試技術(shù)（一）（一） 激光外差干涉測試技術(shù)原理激光外差干涉測試技術(shù)原理n激光外差干涉儀的光源激光外差干涉儀的光源激光外差干涉測試技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、雙頻激光外差干涉一、雙頻激光外差干涉二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用三、條紋小數(shù)重合法原理三、條紋小數(shù)重合法原理四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng)四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng)一、雙頻激光外差干涉儀一、雙頻激

5、光外差干涉儀光源光源: 雙頻雙頻He-Ne激光器激光器在全內(nèi)腔單頻在全內(nèi)腔單頻HeNe激光器上加上約激光器上加上約30010-4T的軸向磁場的軸向磁場 由于塞曼效應(yīng)由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效和頻率牽引效應(yīng)，使該激光應(yīng)，使該激光器輸出一束有器輸出一束有兩個不同頻率兩個不同頻率的左旋和右旋的左旋和右旋圓偏振光圓偏振光 ，它，它們的頻率差們的頻率差V約為約為15MHz tttttfNLLtvtvtf0000d22 2d2d2d 所以由于雙頻激光器雙頻激光器1發(fā)出雙頻激光束發(fā)出雙頻激光束 通過通過14波片波片2變成兩束振動方向互相垂直的線偏振變成兩束振動方向互相垂直的線偏振光光(v1垂直于紙面，垂直于紙

6、面，v2平行于紙面平行于紙面) ，一小部分被反一小部分被反射到檢偏器射到檢偏器5上，檢偏器的上，檢偏器的透光軸與紙面透光軸與紙面成成450 一部分光束透過分束一部分光束透過分束鏡鏡4沿原方向射向偏振沿原方向射向偏振分束棱鏡分束棱鏡8。偏振方向。偏振方向互相正交的線偏振光互相正交的線偏振光被偏振分束鏡按偏振被偏振分束鏡按偏振方向分光，方向分光， v1被反射被反射至參考角錐棱鏡至參考角錐棱鏡9， v2則透過則透過8到測量角錐到測量角錐棱鏡棱鏡10 工作原理工作原理經(jīng)光束擴束器經(jīng)光束擴束器3適當(dāng)擴束準直后，光束被分束鏡適當(dāng)擴束準直后，光束被分束鏡4分為兩部分分為兩部分根據(jù)馬呂斯定律，根據(jù)馬呂斯定律，

7、兩個互相垂直的兩個互相垂直的線偏振光在線偏振光在450方方向上的投影，形向上的投影，形成新的同向線偏成新的同向線偏振光并產(chǎn)生振光并產(chǎn)生“拍拍”，其拍頻，其拍頻就等于兩個光頻就等于兩個光頻之差，即之差，即vv1v21.5MHz 由光電接收器由光電接收器6接收后接收后進入交流放大器進入交流放大器7，放，放大后的信號作為參考大后的信號作為參考信號送給計算機信號送給計算機 光束返回后重新通過偏振分束鏡光束返回后重新通過偏振分束鏡10與與v1的返回光會合，經(jīng)的返回光會合，經(jīng)反射鏡反射鏡11及透光軸與紙面成及透光軸與紙面成450的檢偏器的檢偏器12后也形成后也形成“拍拍” ，其拍頻信號可表示為，其拍頻信號

8、可表示為若測量鏡以速度若測量鏡以速度V運動運動(移動或振動移動或振動)，則由于多普勒，則由于多普勒效應(yīng)，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移效應(yīng)，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移 正負號由動鏡移動方向決定，當(dāng)動鏡正負號由動鏡移動方向決定，當(dāng)動鏡向偏振分束器方向移動時，向偏振分束器方向移動時，v為負為負 拍頻信號被光電拍頻信號被光電13接收后，進入交流前置放大器接收后，進入交流前置放大器14，最后，最后也被送入計算機也被送入計算機 計算機工作計算機工作（1）計算機先將拍頻信號）計算機先將拍頻信號v0 v 與參考信號與參考信號v0進行相進行相減處理后，就得到所需的測量信息減處理后，就得到所

9、需的測量信息v 設(shè)在動鏡設(shè)在動鏡10移動的時間移動的時間t內(nèi)。由內(nèi)。由v引起的條紋亮暗引起的條紋亮暗變化次數(shù)為變化次數(shù)為N，則有，則有于是于是（2）由）由v換算成換算成L的工作由計算機通過軟件自動進行，最的工作由計算機通過軟件自動進行，最后由顯示器顯示被測長度值。后由顯示器顯示被測長度值。優(yōu)點：優(yōu)點：前置放大器可采用交流放大器，避免了用直前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放大器時所遇到的棘手的直流漂移問題流放大器時所遇到的棘手的直流漂移問題 交流干涉儀抗干擾性能好交流干涉儀抗干擾性能好 測量范圍大測量范圍大(可測大于可測大于60m的距離的距離) 應(yīng)用應(yīng)用 ：測長外，還可用于測角、測直線度

10、及測振等測長外，還可用于測角、測直線度及測振等 穩(wěn)頻措施穩(wěn)頻措施 ：塞曼穩(wěn)頻法塞曼穩(wěn)頻法 二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用二、雙頻激光外差干涉的應(yīng)用應(yīng)用：應(yīng)用：車間現(xiàn)場進行精密計量、精密測角車間現(xiàn)場進行精密計量、精密測角 為便于測量，往往將干涉儀的干涉系統(tǒng)作為一個部件裝在為便于測量，往往將干涉儀的干涉系統(tǒng)作為一個部件裝在被測的機床上，而把激光器、照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)組合成被測的機床上，而把激光器、照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)組合成一體，裝在一個箱體內(nèi)，且與干涉系統(tǒng)遠遠地分開，這種一體，裝在一個箱體內(nèi)，且與干涉系統(tǒng)遠遠地分開，這種結(jié)構(gòu)稱為遙置式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)稱為遙置式結(jié)構(gòu) 優(yōu)點：優(yōu)點： 減少熱氣流的影響減少熱氣流的影響

11、 有利于消除閑區(qū)誤差有利于消除閑區(qū)誤差 便于更換干涉儀的組件，以擴大應(yīng)用范圍，使雙頻干便于更換干涉儀的組件，以擴大應(yīng)用范圍，使雙頻干涉儀成為多功能干涉儀涉儀成為多功能干涉儀 雙頻激光器雙頻激光器1發(fā)出的雙頻激光束發(fā)出的雙頻激光束 被雙膜塊組下部的偏振分束鏡按偏振方向分開被雙膜塊組下部的偏振分束鏡按偏振方向分開 其中其中v1光透過光透過偏振分束鏡射偏振分束鏡射向角錐棱鏡向角錐棱鏡I v2光被反射向上，經(jīng)以光被反射向上，經(jīng)以膜雙塊上部的普通反射膜雙塊上部的普通反射鏡反射到角錐棱鏡鏡反射到角錐棱鏡II 工作原理工作原理分別由這兩個角錐棱鏡返回的光束在偏分別由這兩個角錐棱鏡返回的光束在偏振分光鏡處重新

12、會合，然后經(jīng)反射鏡反振分光鏡處重新會合，然后經(jīng)反射鏡反射到檢偏振器及光電接收器射到檢偏振器及光電接收器 (一一)雙頻激光干涉儀用于精密測角雙頻激光干涉儀用于精密測角 干涉系統(tǒng)中用一雙膜塊組取代測長時所用的偏振分束器，干涉系統(tǒng)中用一雙膜塊組取代測長時所用的偏振分束器，另外用一雙角錐棱鏡組分別作為干涉儀的測量鏡和參考鏡另外用一雙角錐棱鏡組分別作為干涉儀的測量鏡和參考鏡 雙角錐棱鏡組安故在被測物體上，當(dāng)它在導(dǎo)軌上平移且沒有擺雙角錐棱鏡組安故在被測物體上，當(dāng)它在導(dǎo)軌上平移且沒有擺動時，兩支光路的多普勒頻移動時，兩支光路的多普勒頻移v1=v2，會合后經(jīng)檢偏振器產(chǎn)，會合后經(jīng)檢偏振器產(chǎn)生拍頻，并在拍頻中互相

13、抵消，計算機無多普勒頻移值出現(xiàn)。生拍頻，并在拍頻中互相抵消，計算機無多普勒頻移值出現(xiàn)。如果雙角錐棱鏡組在移動過程中，由于導(dǎo)軌的直線度偏差而發(fā)如果雙角錐棱鏡組在移動過程中，由于導(dǎo)軌的直線度偏差而發(fā)生生角的傾斜，則兩棱鏡的角點在光軸方向?qū)a(chǎn)生一個相對位角的傾斜，則兩棱鏡的角點在光軸方向?qū)a(chǎn)生一個相對位移量移量。此時兩路的多普勒頻移。此時兩路的多普勒頻移v1和和v2不相等，即有不相等，即有v=v1-v精度：精度：應(yīng)用應(yīng)用 ：精確測量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度等精確測量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度等 測導(dǎo)軌的直線度時，雙膜塊組被固定在適當(dāng)位置，而雙角錐棱鏡測導(dǎo)軌的直線度時，雙膜塊組被固定在適當(dāng)位置，而雙

14、角錐棱鏡組固定在工作臺上，移動工作臺即可測出以角量表示的直線度組固定在工作臺上，移動工作臺即可測出以角量表示的直線度 測角最小顯示值測角最小顯示值(分辨率分辨率)可達可達01。其測角精。其測角精度在度在100”范圍內(nèi)可達范圍內(nèi)可達0.5，量程可達土，量程可達土1000” (二二)雙頻激光干涉儀測量直線度雙頻激光干涉儀測量直線度(以線量表示以線量表示)雙頻激光器發(fā)出雙頻激光束雙頻激光器發(fā)出雙頻激光束 通過半反射鏡至渥拉斯頓偏振分束器上，正交通過半反射鏡至渥拉斯頓偏振分束器上，正交線偏振光線偏振光v1和和v2被分開被分開theta的兩束線偏振光的兩束線偏振光 分別射向雙面反射鏡的分別射向雙面反射鏡

15、的兩翼并由原路返回兩翼并由原路返回 工作原理工作原理返回光在渥拉斯頓鏡處重新會和后，經(jīng)返回光在渥拉斯頓鏡處重新會和后，經(jīng)半反射鏡、全反射鏡反射到檢偏器。半反射鏡、全反射鏡反射到檢偏器。 兩光束在檢偏器后形成拍頻并兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收被光電接收器接收 （1）若雙面反射鏡沿）若雙面反射鏡沿z軸平移到軸平移到A點，由于點，由于v1和和v2所走的光程相所走的光程相等，所以等，所以v1=v2，拍頻互相抵消，計算機顯示器無多普勒頻，拍頻互相抵消，計算機顯示器無多普勒頻移顯示。移顯示。 計算機工作計算機工作（2）在移動過程中由于導(dǎo)軌的直線度偏差而使雙面反射鏡沿）在移動過程中由于導(dǎo)軌的直

16、線度偏差而使雙面反射鏡沿y方向下落到方向下落到B點。點。 v1光的光程較原來的減少了光的光程較原來的減少了2AC；與此相反，；與此相反，v2光的光程光的光程卻增加了卻增加了2BD。兩者總差值等于。兩者總差值等于2（AC+BD），根據(jù)這一），根據(jù)這一數(shù)值，即可以算出下落量數(shù)值，即可以算出下落量 以線量表示以線量表示的導(dǎo)軌直線的導(dǎo)軌直線性偏差性偏差 測直線度的精度可達土測直線度的精度可達土15m，其分辨率為，其分辨率為lm，最大，最大檢測距離可達檢測距離可達3m，最大下落量可測到，最大下落量可測到15mm 精度精度(三三)雙頻激光干涉用于同軸度的精密測量雙頻激光干涉用于同軸度的精密測量 雙頻激光直

17、線度測量儀，在長距離上測量直雙頻激光直線度測量儀，在長距離上測量直線度，具有很高的精度和可靠性，但是這種線度，具有很高的精度和可靠性，但是這種儀器能否用于長距離同軸度的精密測量呢？儀器能否用于長距離同軸度的精密測量呢？ 提出問題提出問題同軸度測量儀器應(yīng)具有以下的特點同軸度測量儀器應(yīng)具有以下的特點 解決問題解決問題(1)能夠進行間斷測量能夠進行間斷測量 (2)測量系統(tǒng)對激光束的平漂和角漂具有自適應(yīng)能力，測量系統(tǒng)對激光束的平漂和角漂具有自適應(yīng)能力，光束漂移應(yīng)不影響測量結(jié)果。光束漂移應(yīng)不影響測量結(jié)果。 (3)光學(xué)系統(tǒng)對大氣擾動應(yīng)具有較強的抵抗力。光學(xué)系統(tǒng)對大氣擾動應(yīng)具有較強的抵抗力。 (4)由于同軸

18、度測量時，定心靶必須從一個孔移到另一由于同軸度測量時，定心靶必須從一個孔移到另一個孔，還要進行找正，測量所用時間較長，因而要求個孔，還要進行找正，測量所用時間較長，因而要求儀器具有較好的長時間穩(wěn)定性。儀器具有較好的長時間穩(wěn)定性。 現(xiàn)有的雙頻激光直線度干涉儀是無法滿足上述要求的現(xiàn)有的雙頻激光直線度干涉儀是無法滿足上述要求的 原因原因（1）雙頻激光直線度干涉儀在信號處理上采用鎖相倍）雙頻激光直線度干涉儀在信號處理上采用鎖相倍頻計數(shù)技術(shù)，不允許信號中斷，否則計數(shù)立即無效。頻計數(shù)技術(shù)，不允許信號中斷，否則計數(shù)立即無效。 （2）即使對信號處理系統(tǒng)進行了改進，也有近程死區(qū)和）即使對信號處理系統(tǒng)進行了改進，

19、也有近程死區(qū)和測量范圍的矛盾，實現(xiàn)相位測量的一個必要條件是：在測量范圍的矛盾，實現(xiàn)相位測量的一個必要條件是：在測量范圍內(nèi)相位的變化范圍必須在測量范圍內(nèi)相位的變化范圍必須在之間之間 希望把現(xiàn)有的激光直線度測量儀通過參數(shù)優(yōu)化改造來實現(xiàn)同軸希望把現(xiàn)有的激光直線度測量儀通過參數(shù)優(yōu)化改造來實現(xiàn)同軸度是不可能的度是不可能的 結(jié)論結(jié)論 此外，在此外，在HP5528中，采用了等光強穩(wěn)頻方案中，采用了等光強穩(wěn)頻方案(塞曼穩(wěn)頻塞曼穩(wěn)頻)，雖然，雖然光頻比較穩(wěn)定，但頻差變化比較大，頻差值也比較高，不利于光頻比較穩(wěn)定，但頻差變化比較大，頻差值也比較高，不利于相位測量。相位測量。 從以上幾點看、要用雙頻激光干涉法測量同

20、軸度，需重新考慮從以上幾點看、要用雙頻激光干涉法測量同軸度，需重新考慮雙頻激光干涉儀的總體方案。清華大學(xué)精儀系經(jīng)過多年的研究，雙頻激光干涉儀的總體方案。清華大學(xué)精儀系經(jīng)過多年的研究，提出了一種雙頻激光測量同軸度的新方案，并研制了實用型的提出了一種雙頻激光測量同軸度的新方案，并研制了實用型的SJD3T雙頻激光同軸度干涉儀。雙頻激光同軸度干涉儀。 1雙頻激光同軸度干涉儀雙頻激光同軸度干涉儀 雙頻激光頭出射的正交線偏振光通過第一個渥拉雙頻激光頭出射的正交線偏振光通過第一個渥拉斯頓棱鏡斯頓棱鏡W1后，彼此分開一個小角度后，彼此分開一個小角度 再通過第二個涅拉斯頓棱鏡再通過第二個涅拉斯頓棱鏡W2變成兩束

21、平行光束變成兩束平行光束 經(jīng)雙面直角棱鏡反射經(jīng)雙面直角棱鏡反射 工作原理工作原理依次通過依次通過W2、W1后又會合成一束光，經(jīng)檢偏后又會合成一束光，經(jīng)檢偏振器振器P后被探測器后被探測器D2接收，形成測量信號接收，形成測量信號 兩光束在檢偏器后形成拍頻并兩光束在檢偏器后形成拍頻并被光電接收器接收被光電接收器接收 SJD3T方案與方案與HP5528主要區(qū)別主要區(qū)別 (1)SJD3T方案中用了兩個渥拉斯頓棱鏡，而方案中用了兩個渥拉斯頓棱鏡，而HP5528方案只用一個方案只用一個 (2)SJD3T中反射鏡用的是雙面直角棱鏡，而中反射鏡用的是雙面直角棱鏡，而HP5528用的是兩個用的是兩個具有一定夾角的

22、平面反射鏡具有一定夾角的平面反射鏡 這兩點區(qū)別，使得這兩點區(qū)別，使得SJD3T能夠既保持雙頻干涉儀所特有能夠既保持雙頻干涉儀所特有的高精度和穩(wěn)定性，又解決了同軸度測量的難題的高精度和穩(wěn)定性，又解決了同軸度測量的難題 參考信號由探測器參考信號由探測器D1接收。當(dāng)接收。當(dāng)W1(或或)W2沿被測表面移動而產(chǎn)沿被測表面移動而產(chǎn)生上下橫移時，可使測量信號相對參考信號相位發(fā)生變化，生上下橫移時，可使測量信號相對參考信號相位發(fā)生變化，那么通過測量兩者的位相差，可得那么通過測量兩者的位相差，可得W1(或或W2)的橫向移動量。的橫向移動量。 結(jié)論結(jié)論 (1)SJD3T采用了兩個握拉斯頓棱鏡和一個直角反射鏡，測量

23、采用了兩個握拉斯頓棱鏡和一個直角反射鏡，測量時對兩束光的分離量無特別要求，因而對長距離直線度測量時對兩束光的分離量無特別要求，因而對長距離直線度測量只需一套附件，無近程死區(qū)。而現(xiàn)有的雙頻激光干涉儀對只需一套附件，無近程死區(qū)。而現(xiàn)有的雙頻激光干涉儀對033m，330m直線度測量各需一套測量附件，遠距離測直線度測量各需一套測量附件，遠距離測量附件有近程死區(qū)。量附件有近程死區(qū)。 (2)SJD3T在測量中光程差變化對應(yīng)的信號位相變化在一個周期在測量中光程差變化對應(yīng)的信號位相變化在一個周期內(nèi)內(nèi)(即土即土內(nèi)內(nèi))，使位相測量值與渥拉斯頓棱鏡的橫移量單值對，使位相測量值與渥拉斯頓棱鏡的橫移量單值對應(yīng)，由于位相

24、測量是狀態(tài)測量，程拉斯頓棱鏡移出光路后再放應(yīng)，由于位相測量是狀態(tài)測量，程拉斯頓棱鏡移出光路后再放回光路中，測量還能繼續(xù)進行，因而可用于同軸度測量回光路中，測量還能繼續(xù)進行，因而可用于同軸度測量 (3)在在SJD3T中，干涉的兩束光在中，干涉的兩束光在30m內(nèi)中心距只有內(nèi)中心距只有26mm (HP5528)可達十幾個厘米可達十幾個厘米)，因此對外干擾能很好共模抑制，因此對外干擾能很好共模抑制，具有很高的抗干擾能力具有很高的抗干擾能力 2SJD3T對激光頻差穩(wěn)定性的要求對激光頻差穩(wěn)定性的要求 激光波長的穩(wěn)定性激光波長的穩(wěn)定性 頻差穩(wěn)頻方法：基于頻差穩(wěn)頻方法：基于8098單片機系統(tǒng)的智能穩(wěn)頻方法單片

25、機系統(tǒng)的智能穩(wěn)頻方法 激光器置于激光器置于磁鐵架中磁鐵架中 用于固定永磁鐵，以用于固定永磁鐵，以形成縱向磁場形成縱向磁場 給雙頻激光器形成一個密封腔，以減給雙頻激光器形成一個密封腔，以減少外界熱擾動對激光器溫度的影響少外界熱擾動對激光器溫度的影響 激光器尾光通過檢激光器尾光通過檢偏器由光電探測器偏器由光電探測器測得拍頻信號測得拍頻信號f 經(jīng)放大整形后由經(jīng)放大整形后由8098單片機計數(shù)器單片機計數(shù)器測量該頻率的大小測量該頻率的大小 單片機系統(tǒng)的內(nèi)部程序根據(jù)測得的頻率大小，依一定的算法，利單片機系統(tǒng)的內(nèi)部程序根據(jù)測得的頻率大小，依一定的算法，利用用8098芯片內(nèi)部的芯片內(nèi)部的DA功能，輸出伺服電壓

26、，該伺服電壓經(jīng)功率功能，輸出伺服電壓，該伺服電壓經(jīng)功率驅(qū)動后，通過繞在激光器外殼上的電阻絲對激光管加熱，形成閉驅(qū)動后，通過繞在激光器外殼上的電阻絲對激光管加熱，形成閉環(huán)控制，這樣就可通過控制加熱量的大小獲得穩(wěn)定的頻差環(huán)控制，這樣就可通過控制加熱量的大小獲得穩(wěn)定的頻差 要求要求作用作用 fffffffDD00ss()（五）激光外差測振儀（五）激光外差測振儀 2.雙光束雙頻激光器雙光束雙頻激光器 （四）雙頻激光束頻差的確定（四）雙頻激光束頻差的確定 1.聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器DISA系統(tǒng)與系統(tǒng)與NASA系統(tǒng)的不同之處系統(tǒng)的不同之處 它應(yīng)用偏振分光鏡作發(fā)射和接收的光束耦合器，該光學(xué)系統(tǒng)中它應(yīng)用偏振分光

27、鏡作發(fā)射和接收的光束耦合器，該光學(xué)系統(tǒng)中分束器分束器2為偏振分光器，它防止了返回的測量光回授到激光器的為偏振分光器，它防止了返回的測量光回授到激光器的可能性?？赡苄?。 該儀器用兩只光電接收器該儀器用兩只光電接收器D1和和D2來分別接收拍頻信號，并在來分別接收拍頻信號，并在D1和和D2前分別安置檢偏振片前分別安置檢偏振片P1和和P2，又使兩者的光軸互相垂直，又使兩者的光軸互相垂直 其目的是使其起電子共模抑制的作用，以便進一其目的是使其起電子共模抑制的作用，以便進一步抑制噪聲，提高拍頻信號的信噪比步抑制噪聲，提高拍頻信號的信噪比 DISA外差激光測振儀外差激光測振儀（六）激光外差表面微觀輪廓儀（六

28、）激光外差表面微觀輪廓儀 測量表面微觀的高低不平，可以確定測量表面微觀的高低不平，可以確定微觀輪廓及表面粗糙度微觀輪廓及表面粗糙度 應(yīng)用：應(yīng)用：儀器要有極高的縱向分辨率及橫向分辨率儀器要有極高的縱向分辨率及橫向分辨率 要求：要求：這種高低不平往往只有幾埃的數(shù)量級，有的甚至只有不到這種高低不平往往只有幾埃的數(shù)量級，有的甚至只有不到1埃埃 HeNe激光器發(fā)出的光束激光器發(fā)出的光束被分束器分成兩路被分束器分成兩路 一路經(jīng)聲光調(diào)制器一路經(jīng)聲光調(diào)制器M1、偏振、偏振器器P1 （P1光軸平行于紙面）光軸平行于紙面）另一路經(jīng)光調(diào)制器另一路經(jīng)光調(diào)制器M2、偏振、偏振器器P2（P2光軸垂直于紙面）光軸垂直于紙面

29、） 一部分經(jīng)檢偏器一部分經(jīng)檢偏器P3 該拍頻信號被光電接該拍頻信號被光電接收器收器D1接收轉(zhuǎn)換后作接收轉(zhuǎn)換后作為參考拍頻信號為參考拍頻信號 另一部分偏振光進入右邊另一部分偏振光進入右邊的測量干涉系統(tǒng)，偏振分的測量干涉系統(tǒng)，偏振分束器束器PBS使平行于紙面的使平行于紙面的偏振光偏振光(v1)透過，垂直于透過，垂直于紙面的偏振光紙面的偏振光(v2)反射。反射。 又被分束器又被分束器BS2分成兩路分成兩路 工作原理工作原理這兩支光束在檢偏振器這兩支光束在檢偏振器P4后產(chǎn)生拍頻信號后產(chǎn)生拍頻信號v1-v2v=v0v，v與被測表面的微觀高低起伏有關(guān)與被測表面的微觀高低起伏有關(guān) v1光經(jīng)反射鏡光經(jīng)反射鏡M

30、3，l4波片、波片、Ll和和L2透鏡后成平行細光束射到被測表面上，透鏡后成平行細光束射到被測表面上，經(jīng)表面反射后沿原路返回復(fù)經(jīng)經(jīng)表面反射后沿原路返回復(fù)經(jīng)14波片。波片。由于兩次通過由于兩次通過l4波片波片(其光軸與其光軸與v1光光成成45度角度角)，故其偏振方向改變，故其偏振方向改變900，最，最后被后被PBS反射并經(jīng)檢偏器反射并經(jīng)檢偏器P4而被光電接而被光電接收器收器D2接收接收 v2光經(jīng)光經(jīng)14波片、反射鏡波片、反射鏡M4、BS3及物鏡及物鏡L2后會聚到被測表面，后會聚到被測表面，形成光學(xué)探針。由被測表面反射形成光學(xué)探針。由被測表面反射后，也沿原路返回，復(fù)經(jīng)后，也沿原路返回，復(fù)經(jīng)l4波片，

31、波片，偏振方向改變偏振方向改變900，最后透過，最后透過PBS及檢偏振器及檢偏振器P4也被光電接收器接也被光電接收器接收。收。 該拍頻信號由光電接收器接收，經(jīng)交流前置放大器進入混頻器該拍頻信號由光電接收器接收，經(jīng)交流前置放大器進入混頻器與由從來的參考拍頻信號混頻，從而可解調(diào)出被測信號與由從來的參考拍頻信號混頻，從而可解調(diào)出被測信號v 計算機將根據(jù)接收到的計算機將根據(jù)接收到的v的變化，求出表面各點的微觀高差，并的變化，求出表面各點的微觀高差，并由此可換算出表征表面粗糙度的各個參數(shù)及表面的微觀三維輪廓由此可換算出表征表面粗糙度的各個參數(shù)及表面的微觀三維輪廓 (七七)具有光程鎖定的激光外差測振儀具有

32、光程鎖定的激光外差測振儀 應(yīng)用：應(yīng)用：測量分辨率為人量級的微振動振幅或微位移測量分辨率為人量級的微振動振幅或微位移 優(yōu)點：優(yōu)點：能克服光強波動引起的直流漂移和減少激光功率能克服光強波動引起的直流漂移和減少激光功率噪聲，使在現(xiàn)場環(huán)境中也能進行穩(wěn)定的干涉測量，噪聲，使在現(xiàn)場環(huán)境中也能進行穩(wěn)定的干涉測量，且具有很高的測量分辨率且具有很高的測量分辨率(靈敏度靈敏度) 缺點：缺點：不能消除環(huán)境的干擾不能消除環(huán)境的干擾(外界振動及氣流外界振動及氣流等等)引起的附加程差引起的附加程差 程鎖定的目的程鎖定的目的1.窄帶檢測窄帶檢測2.伺服鎖定干涉系統(tǒng)伺服鎖定干涉系統(tǒng) 就是為了消除這種附加差以保證微振動就是為了

33、消除這種附加差以保證微振動或微位移的測量精度或微位移的測量精度(八八)絕對長度絕對長度(距離距離)干涉計量干涉計量(無導(dǎo)軌測長無導(dǎo)軌測長)由于該技術(shù)只測量干涉條紋的尾數(shù)，測量鏡無須移動，因由于該技術(shù)只測量干涉條紋的尾數(shù)，測量鏡無須移動，因此免除了干涉測長儀中加工困難而又價格昂貴的精密導(dǎo)軌，此免除了干涉測長儀中加工困難而又價格昂貴的精密導(dǎo)軌，特別是大長度特別是大長度(距離距離)的干涉測長，精密導(dǎo)軌的制造及設(shè)置的干涉測長，精密導(dǎo)軌的制造及設(shè)置更為困難。因此，這種無導(dǎo)軌干涉測長是大長度測量的發(fā)更為困難。因此，這種無導(dǎo)軌干涉測長是大長度測量的發(fā)展方向展方向 基本原理：基本原理：條紋小數(shù)重合法條紋小數(shù)重

34、合法60年代后期興起的，是一種以多波長激光為基礎(chǔ)的大長度年代后期興起的，是一種以多波長激光為基礎(chǔ)的大長度計量技術(shù)計量技術(shù)三、條紋小數(shù)重合法原理三、條紋小數(shù)重合法原理 四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng)四、紅外雙線氦氖激光絕對干涉測長系統(tǒng)(一一) 3.39m波段雙線波段雙線He-Ne激光合成波長方案激光合成波長方案(二二)雙波長紅外鎖定干涉儀雙波長紅外鎖定干涉儀 組成組成雙波長拍波干涉及鎖定兩部分雙波長拍波干涉及鎖定兩部分目的目的 精確地測出不同波長的條紋小數(shù)，精確地測出不同波長的條紋小數(shù)，以便根據(jù)小數(shù)重合法進行絕對長度以便根據(jù)小數(shù)重合法進行絕對長度的自動測量的自動測量 1紅外拍波干涉原理紅外

35、拍波干涉原理 多波長小數(shù)重合法絕對測量長度時，通常采用下面多波長小數(shù)重合法絕對測量長度時，通常采用下面兩種干涉和探測方式兩種干涉和探測方式 (1)順序更換單波長干涉探測方式。順序更換單波長干涉探測方式。 （2）多波長同時干涉）多波長同時干涉 2. 紅外拍波干涉儀紅外拍波干涉儀 He一一Ne激光器同時輸出波長激光器同時輸出波長133922m和和233912m的雙波長紅外激光的雙波長紅外激光 ，經(jīng)分束鏡，經(jīng)分束鏡2分出約分出約15的光用于穩(wěn)頻的光用于穩(wěn)頻 透射光經(jīng)分束鏡透射光經(jīng)分束鏡7分成兩部分分成兩部分 另一部分射向參考鏡另一部分射向參考鏡9 經(jīng)經(jīng)8和和9反射回的光在反射回的光在7上上重新會合形成干涉，干重新會合形成干涉，干涉信號由兩個涉信號由兩個InAs紅外紅外接收器接收接收器接收 一部分射向測量鏡一部分射向測量鏡8 3.雙波長雙波長 紅外鎖定干涉儀紅外鎖定干涉儀