《激光干涉測長技術(shù)》PPT課件

自從1802年楊氏（Thomas Young）首先用實驗方法研究光的干涉現(xiàn)象以來，對光干涉的本質(zhì)及其應(yīng)用研究已延續(xù)近200年的歷史。激光的出現(xiàn)和計算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)的發(fā)展給光干涉技術(shù)注入了新的活力，并已成為現(xiàn)代光學(xué)中一個重要的分支。激光干涉測量技術(shù)不僅被廣泛用于對物體長度、角度、形狀、位移等幾何量的測量，還可利用其測量原理對物理量（如形變、速度、振動等）及光學(xué)系統(tǒng)特性（如象差，光學(xué)傳遞函數(shù)）等進(jìn)行測量。 一、激光干涉測長的基準(zhǔn) 1975年召開的第十五屆國際計量大會“要求國際計量局和各國研究所繼續(xù)對這些引起輻射（指甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光波長）進(jìn)行研究”。 由于穩(wěn)頻技術(shù)的進(jìn)展，甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光波長值的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性都很高，因之有可能取代86Kr的波長而作為長度的自然基準(zhǔn)。在1979年6月召開的國際“米”定義咨詢委員會第六次會議上，已提出了一個“米”定義的建議草案。建議將“米”定義為“平面電磁波在1/299792458秒的時間間隔內(nèi)在真空中傳播的距離”。6-1 激光干涉測長概述 二、激光干涉儀的特點 激光干涉儀，除了具有經(jīng)典的邁克爾遜干涉測量系統(tǒng)的高精度，高靈敏度等優(yōu)點外，還具有以下特點。 1實現(xiàn)了條紋計數(shù)自動測量。 2無需補償板。 3角錐棱鏡的優(yōu)點得到充分利用。 由于角錐棱鏡在運動時即使有小的轉(zhuǎn)動也不影響反射光軸的方向，從而大大降低了對運動導(dǎo)軌的機(jī)械精度要求。 由于反射光束和入射光束是非共軸的，從而避免了反射光的干擾。 4降低了對光闌的要求。 由于激光單色性好、亮度高，所以，激光干涉系統(tǒng)對光闌的主要 作用是減小激光器二次發(fā)散光束的影響和擋住背景雜散光，它可安置在準(zhǔn)直光管物鏡的主焦點上。光闌的形式為小圓孔。 5空氣折射率自動測量與修正。 一、基本測量公式 邁克爾遜雙光束干涉儀測長的公式為（在真空中） （“增量法”測長） 當(dāng)介質(zhì)為空氣時，上式變?yōu)?式中L為被測長度，n是空氣折射率， 0是真空中的波長，N是干涉條紋明暗變化的數(shù)目。 6-2 激光干涉儀設(shè)計 2L N 02nLN 二、幾種典型的布局 1使用角錐棱鏡反射器的干涉系統(tǒng)。 （1）圖（a）結(jié)構(gòu)的主要特點是反射光束不能反饋回激光器。缺點是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工，而且加工精度要求高。 （2）圖（b）結(jié)構(gòu)只用一個角錐棱鏡作可動鏡，鏡M1和M3還能做成一體，如圖（c）所示。 （3）圖（d）的布局只用一個角錐棱鏡作動鏡，已基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。所以也叫做雙光程干涉儀系統(tǒng)。 幾種典型布局 2整體式布局。 這是一種將多個光學(xué)元件結(jié)合在一起，構(gòu)成一堅固組件的布局結(jié)構(gòu)。如圖所示。特點：系統(tǒng)對外界的抗干擾性較好。缺點是調(diào)整不方便。該系統(tǒng)不僅多余自由度消除好，靈敏度也提高一倍。 整體式布局系統(tǒng) 3光學(xué)倍頻的布局（特倫系統(tǒng)）。 為了提高干涉儀的靈敏度，可以用光學(xué)倍頻（也稱光程差放大器）的棱鏡系統(tǒng)，如圖所示。M1每移動/2k就有一個干涉條紋的位移。在這種情況下，當(dāng)a作為棱鏡斜邊長度時，M2對M1的位移為a/k（k為正整數(shù)）。 特點：能用簡單的脈沖計數(shù)邏輯做精密測量，而無須依靠條紋細(xì)分，這種技術(shù)還使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，可使熱、空氣以及機(jī)械干擾減小。 光學(xué)倍頻系統(tǒng) 三、干涉條紋的對比度 1對比度的定義： 式中：IM和Im分別為干涉條紋信號強(qiáng)度的極大值和極小值。 當(dāng)k0.75時，對比度是好的。 當(dāng)k0.5時，對比度是滿意的。 當(dāng)k=0.1時，條紋可分辨，但很難使儀器正常工作。 2影響對比度的因素： （1）光源單色性對條紋對比度的影響 式中：為光源譜線寬，為光程差。M mM mI Ik I I sink 又知，光源的相干長度為于是，只要干涉系統(tǒng)的光程差等于或小于光源相干長度的四分之一，即以 代入對比度便可達(dá) 對于波長=6328的激光，它的10-7埃。相干長度理論上可達(dá)40公里，因此，用激光作干涉儀的光源是可以得到很好對比度干涉條紋的。 （2）光源的大小造成條紋對比度。 由此激光光束截面上的不同點，有確定的位相關(guān)系，所以激光光 束截面上各點發(fā)出的光皆可產(chǎn)生干涉。因此，激光作干涉儀的光源，不受發(fā)光面積大小的限制。 21 sin 4 0.94k 14 4 （3）兩支相干光，強(qiáng)度比的影響。 設(shè)干涉體系一支光路的光振動為：E1=E0cost光強(qiáng)為它的k倍的另一支光路的相干光振動為：合成光振動的復(fù)數(shù)表達(dá)式為合成光強(qiáng)度I于是，兩支光強(qiáng)不同引起的對比k i為：若取k=4，則Ki可達(dá)0.8。 2 0cosE kE t 1 2 0 0 i ti tE E E E e kE e 0 0 0 020 20 11 2 cos i t j ti t j ti iI E E E e kE e E e kE eE k k e eE k k 21i kK k 四、非期望光的抑制 那些不反映被測量的光就稱為非期望光線或雜光。消除非期望的光線。采取的措施大致有以下幾種： （1）設(shè)計時盡可能減少干涉體系光學(xué)零件的數(shù)目，以減少不必要的反射面和產(chǎn)生非期望光線的機(jī)會。在不希望反射的界面上鍍以增透膜，鏡筒、鏡框內(nèi)表面涂黑漆，以減低非期望光線的強(qiáng)度。 （2）析光鏡上常常產(chǎn)生非期望光線。 析光板產(chǎn)生的非期望光線 動條紋：除了在析光板鍍膜面上分裂而成的兩條期望的相干光線1、2處，還可能產(chǎn)生光線3和4，其光強(qiáng)雖代于前者，若所形成條紋的間隔適當(dāng)還是足以察覺出來，它和期望的干涉圖樣一樣，也會隨著反射鏡的平移而運動。 靜止條紋：如析光板的楔角適當(dāng)，還會在干涉場上看到不隨反射鏡移動而變的一組固定的干涉條紋。解決的辦法是加厚析光板或?qū)⑺瞥尚ㄐ?，使非期望光線移向一邊而不能進(jìn)入干涉場。 （3）在光路中適當(dāng)?shù)牡胤桨仓靡会樋坠怅@，擋去大部分非期望光線，讓沿著設(shè)計的路徑行進(jìn)的相干光線照常通過。針孔光闌一般安置在透鏡的焦面上或高期光束的束腰位置上。還有許多阻擋非期望光線進(jìn)入干涉場的方法，如在接收元件前面加遮光罩和針孔，干涉體系自成密閉等。 （4）光學(xué)零件表面的塵埃會產(chǎn)生衍射花樣，這種現(xiàn)象在激光束很細(xì)的地方更為嚴(yán)重，必須認(rèn)真做好光學(xué)元件的清潔工作。同理，對光學(xué)元件的表面質(zhì)量，材料的多項質(zhì)量指標(biāo)均應(yīng)予以適當(dāng)提高。 （5）用偏振的方法來消除非期望光線。 原理是：用偏振元件使沿著設(shè)計路徑行進(jìn)的光束能不受阻擋地進(jìn)入干涉場，而其他所有的非期望光線都被排除在干涉場之處。例如圖，光線入射到析光鏡2之前已被起偏振器1變成線偏振光，干涉場前面放置一個檢偏器7，并使它和起偏振器正交，因此，從干涉儀任何表面反射來的光線都被檢偏器阻擋了，就連所期的兩束相干涉的光也不能通過7進(jìn)入干涉場，為此需要在反光鏡5、6前面安放一個光軸與入射偏振光成45的波片4，使反射前后光線的偏振方向旋轉(zhuǎn)90，于是所期望的光束就能通過檢偏器，而一切非期望光線則被排除在干涉場之外，稍稍轉(zhuǎn)動波片，還能調(diào)節(jié)光束的強(qiáng)度，以平衡兩束相干光線的強(qiáng)度。這種偏振的方法在 實踐中是非常有用的。 用偏振的方法來消除非期望光線 五、反射器 各種反射器如圖所示，有平面反射鏡1、直角棱鏡2、角錐棱鏡3、三種貓眼系統(tǒng)4和固定反射鏡與直角棱鏡的組合5。 各種反射器 六、移相器 干涉條紋屬增量碼，需要判向可逆記數(shù)。 干涉條紋的移相就是為了判別動鏡移動的方向和倍頻的需要。它是將干涉條紋用一定的方法分為二部分并使兩者的位相偏移/2，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，這兩部分輸出的電信號的位相也偏移/2，可用這兩組信號來進(jìn)行判向和倍頻。下面介紹幾種常見的移相方法。 1翼形板和分象棱鏡組合的移相。翼形板的形狀如圖，是由兩厚度相等、材料相同的玻璃平板膠合而成，兩板夾角170，厚度5mm翼形板在激光干涉比長儀中是如圖方式安置的，即它被放在干涉光路（測量光路或參考光路均可）光束截面的下半部。使用時，以兩板的交棱為軸，適當(dāng)轉(zhuǎn)動翼形板，使通過兩板的光線彼此有/4的光程差。 翼形板及其安置方式 2狹縫移相當(dāng)。在兩光電接收器前分別置兩狹縫，如圖，使兩狹縫相對移開1/4干涉條紋的距離，這樣通過兩狹縫的兩組干涉條紋就有/2的位相差。 狹縫移相 3在析光鏡上鍍移相膜法。 在析光鏡上鍍移相膜 七、光電接收時的光電匹配問題 光電匹配問題為兩個方面：一是我們在設(shè)計原則時已討論過的光電匹配，是應(yīng)使激光器輸出的功率經(jīng)干涉系統(tǒng)到達(dá)探測器的光強(qiáng)正好是在該探測器輸出線范圍；另一方面是從信噪比出發(fā)，要求探測器的寬度b和條紋的寬度e的比取b/e=0.37為最佳。八、方向判別與四倍頻計數(shù) 由于動鏡在導(dǎo)軌上沿光軸移動的過程中，存在各種偶然因互的干擾（例如外界振動、導(dǎo)軌的平直度誤差以及機(jī)械傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定等），使動鏡產(chǎn)生偶然的反向運動，這種偶然的反向運動使計數(shù)器所顯示的脈沖數(shù)為正反向移動的總數(shù)，而不是真正的被測長度，因此必然存在測長誤差。為了解決這一問題，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大整形后，信號進(jìn)入一方向判別電路，該電路把計數(shù)脈沖分成加、減二種 脈沖，工作臺正向移動時引起的脈沖為加脈沖、反向移動時引起的脈沖為減脈沖、把這兩種脈沖分開后送入可逆計數(shù)器計數(shù)。 方向判別電路的原理。先在干涉系統(tǒng)中應(yīng)用移相方法（詳見后述）將干涉條紋分為兩組且彼此位相偏移/2，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出的兩組光電信號也彼此有/2的位移偏移，這兩組光電信號分別經(jīng)放大、整形、倒相，變成四個位相依次差/2的矩形脈沖，再經(jīng)斯密特電路把波形變換成尖脈沖。當(dāng)工作臺正向移動時，脈沖的排列為1、3、2、4 、1 ；反向移動時，脈沖排列次序為1 、 4、2、3、 1，如圖所示。在邏輯電路上可根據(jù)脈沖1的后面是1或4來判別正向加脈沖或反向減脈沖，并分別逆入加脈沖的“門”或減脈沖的“門”中去，從而可得到總的加脈沖或減脈沖信號。 判向電路除提高了儀器的抗干擾能力外，還把一個周期的干涉條紋變化（即亮暗變化一次）變成四個脈沖輸出信號。因此在測長時，當(dāng)條紋變一條時，可逆計數(shù)器顯示4個脈沖數(shù)，這等于把條紋4細(xì)分了，常稱四倍頻計數(shù)。此時每一脈沖代表/8的移動量，所測得的長度 8L N 辯向電路原理 九、激光球面干涉儀偏振干涉系統(tǒng) 如圖所示為泰曼格林型的偏振干涉系統(tǒng)，其特點是用一偏振分束器代替常規(guī)的分束板，并在干涉儀的不同部位安置了一些不同的偏振器件（在照明系統(tǒng)中安置一1/2波片，在參考光路和測量光路中各安置一1/4波 片，而在接收部分安置一檢偏振器）。圖中由He-Ne激光器輸出的線偏振光入射到1/2波片上，1/2波片可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，以使經(jīng)它出射的偏振光振動方向定位在任何所需的方向上。偏振分束器的作用是把輸入的偏振光按偏振方向分束，使測量光束和參考光束偏振方向互相垂直。