激光干涉测量技术.ppt

激光测量技术Laser Measurement Technology第二章 激光干涉测量技术 §2.1 激光干涉测量长度和位移 一、干涉测长的基本原理激光干涉的条件1.频率相同 2.相位差初始恒定 3.振动方向相同（非正交） 4.小于波列长度(Δτ≤1/Δυ）干涉数学表达式： 设两路激光分别为E1 = A cos(ωt + ϕ1 ) E2 = B cos(ωt + ϕ2 )则合成有：E = E1 + E2 = A cos(ωt + ϕ1 ) + B cos(ωt + ϕ2 )= A cos(ωt + ϕ1 ) + B cos(ωt + ϕ1 − Δϕ ) = A cos(ωt + ϕ1 ) + B cos(ωt + ϕ1 ) cos Δϕ + B sin(ωt + ϕ1 ) sin Δϕ= ( A + B cos Δϕ ) cos(ωt + ϕ1 ) + B sin Δϕ sin(ωt + ϕ1 )= A' cos(ωt + ϕ1 + Δϕ2 )Δφ = φ1 - φ2Δφ2 = arctanA + BcosΔφ ABsinΔφA' = A2 + 2 AB cos Δϕ + B 2I ∝ A2 + 2 AB cos Δϕ + B 22π λ ￿ 2π ￿22 ￿ λnl )= 2光的相位与走过的光程有关：A cos(ωt + ϕ ) = B cos(ωt + ϕ0 −2π λnl )满足相干条件时有A cos(ωt + ϕ ) = B cos(ωt + ϕ0 −I ∝ A + B + 2 AB cos￿ (n1l1 − n2l2 ) ￿ ￿ 条纹可见度M =I max − I min 2 AB I max + I min A + B 2结论合成干涉光的光强是两路光的光程差的余弦函数I ∝ A2 + B 2 + 2 AB cos Δ当2π λN N Δ = ∑ ni li − ∑ n j l j i =1 j =1(n1l1 − n2l2 ) = 2kπ合成干涉光光强最大, 光越亮2π 当 λ(n1l1 − n2l2 ) = (2k + 1)π合成干涉光光强最小, 光越暗应用☆光强调制 I∝cosΔ☆测量臂差 测量明暗变化次数,可测量臂差 ☆测量折射率 L均固定, 只有一处折射率变化 ☆传感器 通过物理量引起n或者L的变化,测出其变化， 再经过处理，反演出物理量的变化n均固定/已知, 一路光的光程固定, 由下公式可知,即测 量位移和长度N N Δ = ∑ ni li − ∑ n j l j i =1 j =1通过测量光强的变化的次数,测量某臂的光程变化:所以激光干涉测量一般是:1. 相对测量2. 增量式测量3. 中间过程不可忽略,要监视整个测量测量的过程以Michelson干涉仪为例:开始测量时，两束光的光程差为Δ1 = 2n(Lm − Lc ) 测量结束时，两束光的光程差为Δ 2 = 2n(Lm + L − Lc ) = 2nL + Δ1光程差变化量dΔ = Δ 2 − Δ1 = 2nL移动距离L = Kλ 2二、测量系统组成1.激光干涉系统 2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统（一）干涉仪系统主要包括：光源、分束器、反射器、补偿元器件1. 激光干涉仪常用光源He-Ne激光器：激光的功率和频率稳定性高、 连续方式运转、在可见光和红外光区域有谱线1. 干涉仪常用分束方法（1）分波阵面法（2）分振幅法（3）分偏振法（PBS）3. 常用反射器 （1）平面反射器（2）角锥棱镜反射器 （3）直角棱镜反射器（4）猫眼反射器4.典型的光路布置 布置原则: 1) 共路原则 消除振动、温度、气流等影响 2 )考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性 等因素 3）避免光返回激光器（1）使用角锥棱镜双角锥棱镜光路单角锥棱镜光路两半反半透镜一体化光路双光程光路（2）整体布局优点:抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力、灵敏度高一倍 缺点：不方便、吸收严重（3）光学倍频（4）零光程差的结构布局(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统 干涉条纹计数的要求：能够判断方向， 避免反向、大气、环境振动以及导轨的误 差影响，能够细分， 提高分辨率 这样需要相位相差90度的两个电信号输出， 即一个按光程正弦变化，一个余弦变化常用移相器种类（1）机械法移相形成等厚干涉特点: 简单 条纹间距易变,使 信号不完全正交 属于分波阵面移 相，容易受大气扰 动引起波阵面畸变 的影响。

2）阶梯板和翼形板移相属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响（3）金属膜移相 原理： 利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差 的原理，在分光器的分光面上镀上金属膜做成金 属膜分幅移相器优点是两光束受 振动和大气扰动 的影响相同，元 件少，结构紧凑两反两透均一透一反缺点是两相干光 束的光强不 同，影响条纹对 比度（4）分偏振法移相特点:结构较复杂 不受大气影响, 可靠2.干涉条纹的计数及判向原理当1 3 2 4 定义为正向 当存在反向时1 后边出现的应该是?所以只须判断第二和第四信号的 脉冲次序即可 由于相差为90度, 一个计数对应的 是0.25个波长 所以L=Kλ/8, 分辨率提高4倍,称 为四倍频计数 如何提高分辨率(细分)?= 2三、条纹的对比度定义: 明暗变化的比值M =I max − I min 2 AB I max + I min A + B 21.明暗变化的强度越大, PD感测出的信号信噪比越好 2. 当两干涉光的光强相等时, 对比度越好 3.影响干涉条纹对比度的因素: 相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素 如振动、热变性等四、应用举例1.激光比长仪2.激光跟踪干涉仪3.Renishaw新型单频激光干涉仪4. 激光小角度干涉仪H = kλ 4∴ α = arcsinH RH = kλ 8∴ α = arcsinH R小角度测量仪: 测量范围一般在±1°以内，最大测 量误差± 0.05 ″,采用下图,可达95 °,测量精度 ±0.3″§2.2 激光外差干涉测量系统传统干涉测量系统的特点 1.测量精度高，前置放大器为直流放大器 2.对环境要求高， 不允许光强有较大的变化 3.抗干扰能力差，一般工作在恒温、防震条件下• 在某一光臂中引入一定频率的载波，被测信息通 过载波传递，使前置放大器可采用交流放大器， 可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移，可 在现场稳定工作 • 这种利用外差技术的干涉仪，称为外差干涉仪或 者交流（AC）干涉仪 • 解决： 1、滤掉了背景噪声 2、 滤掉了直流放大器的噪声一、Zeeman双频激光干涉仪B sin(Δωt + Δϕ )( t (ω ω 1E = E1 + E2 = A cos(ω1t + ϕ1 ) + B cos(ω2t + ϕ2 ) = A cos(ω1t + ϕ1 ) + B cos(ω1t + ϕ1t − (ω1 − ω2 )t − (ϕ1 − ϕ2 ))= Acos( 1t +ϕ1) + Bcos( 1t +ϕ1)cosΔω +Δϕ) + Bsin(ωt +ϕ1)sin Δωt +Δϕ)= ( A + B cos(Δωt + Δϕ )) cos(ω1t + ϕ1 ) + B sin(Δωt + Δϕ )sin(ω1t + ϕ1 )= A' cos(ω1t + ϕ1 + ϕ3 )Δφ = φ1 - φ2 Δω = ω1 - ω2 ϕ3 = arctan A + B cos(Δωt + Δϕ )A' = A2 + 2 AB cos(Δωt + Δϕ ) + B 2I ∝ A2 + 2 AB cos(Δωt + Δϕ ) + B 2∫0t2、测量臂由于M2的运动由Doppler效应知：Δf =2v c⋅ f =2v λ测量镜移动距离L为L =∫0tvdt =∫0tλ 2Δfdt =λ t 2 ∫0Δfdt =λ 2⋅ N其中 N =Δfdt =t∑ Δf 0⋅ Δt 为记录下来的累计脉冲数电路静态频率 f1 − f 2动态频率f1 − f 2 ± Δf为不失真，应满足 f1 − f 2 ≥ 3ΔfZeeman： 频差1.5-1.8MHz允许测量速度约为150mm/s测量角度1tλ0tλ00测量空气折射率Δf n =2v cfv = L ⋅ dn / dtΔf n =2 L λ0⋅ dn / dt∫0t Δf n ⋅ dt = ∫nm2L λ0⋅ dnnm − 1 =2 L ∫0Δf n ⋅ dt =λ0 2 L∑ Δf ⋅ Δt = 2 L N2.2.2 声光调制双频外差干涉仪1.声光调制器2.声光调制双频外差测振仪§2.4 激光全息干涉测量系统全息的来源: 1948年盖伯(D.Gebar)提出用一个合适的相干照射 全息图，透射光的一部分就能重新模拟出原物的 散射波前，于是重现一个与原物非常逼真的三维 图像。

1960年激光的出现促进了全息照相术的发 展，全息术得到了不断完善，为此他荣获1971年 诺贝尔物理学奖应用:全息测量系统 全息存储 全息防伪无损检测 全息电影每毫一、全息技术的基本原理其过程分： 1、 全息图的记录 2、物光波再现 1、全息图的记录 普通照相：记录了光的光强和颜色（频率）每毫 米只能记录50～100个条纹 记录介质：银化物 全息图： 记录了波前信息：光强及相位 米记录1000个以上条纹 记录介质：卤化银乳胶 和重铬酸盐乳胶0设 物光：E0=A0ejΦ0 则干板前的光强和相位分布 应该为x、y的函数 即 E0=A0（x，y）ejΦ （x，y）参考光束： 平面波 E0=ArejΦr Φr=2πsini/λy所以: E0=ArejΦr = Arejay0 r所以干板上的光强分布:I(x, y) = (E0 + Er )(E* + E* )= Ar 2 + A02 (x, y) + Ar A0 (x, y)e j(ay - j(x, y)) + Ar A0 (x, y)e-j(ay - j(x, y))= Ar 2 + A02 (x, y) + 2Ar A0 (x, y)cos(ay - j(x, y))Ar 固定和参考光相位ay是已 知规律变化的 所以: 干板记录的信息主要是 记录了物光的光强及相位信息经过一定时间的照射, 完成曝光,然后把干板 取下,经显影、定影、制成全息底片以上过程称为全息记录2.物光波再现全息底片的透射率是t（x，y）是记录过程时曝光光 强的非线性函数， 取线性部分，则有重新复位全息底片，并去掉物 体及物体照射光束2 2+2 222e3Ee (x, y) = t(x, y)Er= m(Ar + A0 (x, y) + Ar A0 (x, y)ej(ay -φ0 (x, y))Ar A0 (x, y)e-j(ay -φ0 (x, y))) ⋅ Ar ejay= m(Ar + A0 (x, y))Ar e+mAr 2 A0 (x, y)e jφ0 (x, y)j2ay -jφ0 (x, y)+mA0 (x, y)Ar ejay 101. 参考光的透射光束 幅度被物光调制，方向不变m(Ar 2 +。