《激光测量技术-第二章 激光干涉测量技术综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光测量技术-第二章 激光干涉测量技术综述（124页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2006年3月6日星期一,第二章 激光干涉测量技术,本章主要内容: 背景知识概述（重点） 第一节 干涉测量长度和位移（重点） 第二节 小角度测量仪(合并第一节) 第三节 外差干涉测量技术（重点） 第四节 激光全息干涉测量技术 第五节 激光散斑干涉测量技术 第六节 激光光纤干涉测量技术 第七节 激光多波长干涉测长技木,2006年3月6日星期一,一、背景知识概述,1、 激光干涉的条件 频率相同 相位差初始恒定 振动方向相同（非正交） 小于波列长度（1/） 2、干涉数学表达式： 三角表示法 设： 两路激光分别为,2006年3月6日星期一,一、背景知识概述,则合成有：,因为光强与振幅有关： IA2,2
2、006年3月6日星期一,一、背景知识概述,光的相位与走过的光程nl有关：,已知发生相干条件， 带入2-1-2式：,复指数表示法,2006年3月6日星期一,一、背景知识概述,上两种推导过程的结论： 合成干涉光的光程是两路光的光程差的余弦函数 当 合成干涉光光强最大, 光越亮 当 合成干涉光光强最小, 光越暗,2006年3月6日星期一,一、背景知识概述,应用 光强调制 Icos 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,2006年3月6日星期一,第一节 干涉测量长度和位移,一
3、、基本原理 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,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,2006年3月6日星期一,2.1 一、基本原理,以Michelson干涉仪为例: 当M2-M1时,当干涉仪在真空时,n=1,所以有:,2006年3月6日星期一,2.1 一、基本原理,讨论: 温场不均匀会有什么影响? G2的作用是什么? L0, Lr不等长会有什么影响? 干涉仪的测量精度能否大于半波长? 明暗变化的实质是什么? 一干涉测量系统的基本组成由哪些？
4、,2006年3月6日星期一,2.1 一、基本原理,干涉仪的测量精度的保证 是什么？ 震动会带来什么影响？ E输出光强分布，何为 理想？,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,干涉测量系统的一般组成： 激光干涉系统 条纹计数计数和处理结果的电子机械系统,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,（一） 干涉仪系统 主要包括： 光源 分束器 反射器 补偿元器件,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,激光器的选型和要求 a、 频率稳定 测量精度 b、 功率稳定 对比度，信号处理问题 c、连续运行 不能间断 d、TEM00 条纹复杂， 空间干涉严重,2006年3月6日星
5、期一,2.1 二、系统的组成,2. 分束方法 分波阵面法-劳埃德镜,振幅不变、相位分布不均匀，易受大气影响,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,分振幅法-半透半反镜 ， 立体分光镜,振幅减小， 相位均匀， 易于固定,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,分偏振法（PBS）-多次反射、沃拉斯顿棱镜,偏振光干涉,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,3. 常用反射器 a 平面反射器 易收偏转影响，引入额外相位差 b 角锥棱镜 抗偏摆、俯仰， 常用元件 c 直角棱镜 抗单一方向的偏转， 加工容易 d 猫眼反射器 加工容易， 不引入额外的光程,2006年3月6日星
6、期一,2.1 二、系统的组成,4 其他元件 1） 起偏器 a 多次折返 布诺斯特角 b 晶体二色性 c 晶体偏振器 如： 格兰汤姆逊棱镜 沃拉斯特棱镜 2) 波片 -偏振及相位补偿 a 波片 b 波片 c 全波片 d 平行平板,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,典型光路布置 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,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,1）使用角锥棱镜 平面反射式的缺点： 光返回激光器， 引起激光不稳定。 M1 M2对偏转、振动影响无消除 能力 a 双角锥 特点
7、: 消除光返回激光器, 抗偏转及振动, 加工,安装精度要求高,平面反射式,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,b 单角锥 特点: 加工精度要求降低,但安装精度没有变化,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,C 一体化 结构紧凑, 加工精度有所提高,安装精度下降,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,d 双光程 特点: 激光还是返回激光器, 灵敏度提高一倍, l=k/4,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,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,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统
8、的组成,光学倍频 L= K/2k,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,零光程差 Lr 与Lm相等且同向安置, 消除环境的影响,提高精度,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,(二)、干涉条纹计数与测量结果 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,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,移相器 常用移相器种类 机械法移相 阶梯板和翼形板移相 金属膜移相 分偏振法移相,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,机械
9、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。,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,阶梯板和翼形板移相 阶梯板 d=/8 翼形板: 采用阶梯板或翼形板移相同样容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,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。 缺点是两相干光束的光强不同，影响条纹对比度,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统
10、的组成,分偏振法移相 特点: 结构较复杂 不受大气影响, 可靠,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,干涉条纹的计数及判向原理,得到4个相位相差90度的信号: sin cos -sin -cos,2006年3月6日星期一,2.1 二、系统的组成,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=K/8, 分辨率提高4倍,称为四倍频计数 ? 如何提高分辨率(细分)?,2006年3月6日星期一,2.1 三、条纹的对比度,定义: 明暗变化的比值,明暗变化的强度越大, PD
11、感测出的信号信噪比越好 当两干涉光的光强相等时, 对比度越好 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,2006年3月6日星期一,2.1 四、应用举例,1、比长仪 2、 激光跟踪仪 3、Renishaw干涉仪 4、小角度测量仪,2006年3月6日星期一,2.1 应用举例-比长仪,应用: 对刻尺进行标定或检测,2006年3月6日星期一,2.1 应用举例-激光跟踪仪,应用: 测量已知目标的运动轨迹或者位置 API公司:,2006年3月6日星期一,2.1 应用举例- Renishaw干涉仪,优点: 去掉直流分量和实现共膜抑制 三个信号完全共路,去掉外界噪
12、声,保证低频的稳定性,2006年3月6日星期一,2.1 应用举例-小角度测量仪,2006年3月6日星期一,作业,1、 试设计一测量空气折射率的干涉测量系统 2、 设计一干涉测量系统，测量机床导轨的某一方向的偏摆角度,2006年3月6日星期一,2.1 应用举例-小角度测量仪,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0.3,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,传统干涉测量系统的特点 测量精度高 前置放大器为直流放大器 对环境要求高， 不允许光强有较大的变化 抗干扰能力差，一般工作在恒温、防震条件下,2006年3月6日星期一,
13、2.3 激光外差干涉测量系统,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,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,一、Zeeman双频激光干涉仪,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,1、 PD上的信号,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,2、测量臂 由于M2的运动由Doppler效应知：,对入射光：,对反射光：,总的变化：
14、,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,N为脉冲的数量 所以: PD1的输出信号频率:v1-v2 PD2的输出信号频率:v1-(v2f) 为测量臂的波长,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,3、后续电路,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,看看其能力： 电路静态频率：V1-V2 动态频率： (V1-V2）f 为不失真, f 1/3(V1-V2) 所以对于一个双频激光干涉仪其最大的测量速度为: v /6(V1-V2),2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,二、其他外差干涉仪 Zeeman： 频差1.5-1.8MHz 动镜
15、移动速率小于300mm/s AOM（Acousto-Optic-Modulator)/ Bragg器件： 产生的一级衍射光束的频率为 0s ， Vs可达几十兆Hz,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,三、应用 1 、测量角度/偏摆,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,2、测量空气折射率,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,2006年3月6日星期一,2.3 激光外差干涉测量系统,3、测量振动,2006年3月6日星期一,3、测量振动,2006年3月6日星期一,3、测量振动,2006年3月6日星期一,2.4 激光全息干涉测量系统,全息的来源
16、: 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,2006年3月6日星期一,2.4 激光全息干涉测量系统,应用: 全息测量系统 无损检测 全息存储 全息电影 全息防伪,2006年3月6日星期一,2.4 激光全息干涉测量系统,一、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50100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 每毫米记录1000个以上
