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1、光电干涉检测技术与系统,文 侨 E-mail: 深圳大学光电工程学院344房间,光电检测技术课程,2,蝉翅在阳光下,蜻蜓翅膀在阳光下,白光下的油膜,肥皂泡玩过吗?,光的干涉,大家在自然界中可以观察到的干涉现象？,3,波的干涉,两点源波的干涉,三只蜡烛同时照在墙壁,无光强度明暗变化的干涉现象,发生强度明暗变化的干涉现象,4,相干 vs. 非相干叠加,同相叠加,反相叠加,随机相位叠加,=,=,=,相长干涉,相消干涉,非干涉叠加,5,振动方向相同 振动频率相同 相位差保持恒定 光程差不太大 光强差不太大,产生相干光的条件,光程差不能太大，否则由同一波列分成的两个波列不能相遇,产生干涉的必要条件,6
2、,由普通光源获得相干光源？,7,分波阵面法与分振幅法,分波阵面法：在同一波面上两固定点光源，发出的光产生干涉的方法，如杨氏双缝干涉实验。,分振幅法：一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法。如薄膜干涉、等厚干涉等。,9,时间相干性（续）,傅立叶变换：,对波列E(t)作傅立叶变换，得频谱分布：,10,时间相干性（续）,波列的能谱：,波列长度和谱线宽度的关系,11,相干长度,可发生干涉,不能发生干涉,相干长度：即波列长度,列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度。,12,相干长度与相干时间,才能发生干涉。,能干涉,不能干涉,只有同一波列,分成的两部分，,经过不同的路,程再相遇时，
3、,相干时间：光通过相干长度所需时间。,光的单色性好，,时间相干性也就好。,相干长度和相干时间就长，,13,普通单色光：,激光：,（实际上，一般为10 -1 101m）,（理想情况）,相干长度与相干时间(续),14,实际使用的单色光源都有一定的光谱宽度,范围内的每条谱线都各自形成一组干涉条纹，且除零级以外，相互有偏移，各组条纹重叠的结果使条纹可见度下降,线宽对干涉条纹的影响,15,衬比度差 (V 1),衬比度好 (V = 1),振幅比，,决定衬比度的因素：,光源的宽度，,光源的单色性，,干涉条纹可反映光的全部信息（强度，相位）,条纹衬比度（对比度，反衬度，contrast）,光源的偏振态,16,
4、空间相干性（spatial coherence）,空间相干性的概念,光源宽度对干涉条纹衬比度的影响,17,极限宽度：,当光源宽度b增大到某个宽度b0时，,干涉条纹刚好消失：,空间相干性（续）,18,牛顿环,牛顿干涉仪,光程差：,牛顿环，是牛顿在1675年首先观察到的。,19,牛顿虽然发现了牛顿环，并做了精确的定量测定，已经走到了光的波动说的边缘 牛顿环乃是光的波动性的最好证明之一 可牛顿却不从实际出发，而是从他所信奉的微粒说，提出了一个“一阵容易反射，一阵容易透射”的复杂理论 牛顿最终无法解释牛顿环的形成，与光的波动性失之交臂 直到世纪初，英国科学家托马斯杨才用光的波动说完满地解释了牛顿环实验
5、。,牛顿环与光的波动性,20,牛顿干涉仪,牛顿环的应用,压时环外扩： 需要打磨中央还是打磨边缘？,要打磨边缘部分,要打磨中央部分,压时环内缩： 需要打磨中央还是打磨边缘？,21,光电检测光学干涉系统,22,典型光学干涉迈克尔逊干涉,迈克耳逊,迈克耳孙（A.A.Michelson）,因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。,美籍德国人,23,迈克耳逊干涉仪,光束2和1发生干涉,若M1、M2平行 等倾条纹,若M1、M2有小夹角 等厚条纹,M1,2,2,1,1,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,则有：,补偿板可补偿两臂的附加光程差
6、。,思考题：如何提高迈克尔逊干涉仪的精度？,24,迈克耳逊干涉仪,迈克尔逊双光程干涉仪,迈克尔逊多光程干涉仪,25,迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。,爱因斯坦赞誉道：,“我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，他从来不认为自己在科学上是个严格的专家，事实上的确不是，但始终是个艺术家。”许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：全息照相实验、吴健雄实验等等。,重要的物理思想, 巧妙的实验构思, 精湛的实验技术, 科学中的艺术,迈克耳逊干涉仪,26,续上,相对速率,寻找 “以太” 失败实例,27,双星观测,“以太” 论的观点：假设整个宇宙都充满
7、着一种绝对静止的特殊媒质 “以太”（ether,又称能媒）。它是优于其它参考系的绝对参考系。光对“以太”的速度为c。物理定律在 “以太” 参考系中具有最简单的形式，而对别的参考系，有可能要改变形式。电磁学定律在不同惯性系有不同的形式是正常现象。,28,历史背景,29,Sagnac 效应,Sagnac 效应,红色为顺时针CW 蓝色为逆时针CCW,对于环行激光器，顺、逆时针谐振腔 往返一周自再现时光程的微小差异， 引起频率的极大改变,30,从驻波来理解Sagnac效应,腔内形成驻波：,31,当输入转速的绝对值低于阈值L时，陀螺输出的拍频为0，称为闭锁,Sagnac 效应,闭锁的根源：顺、逆时针光在
8、重叠区域发生相互耦合,32,光学陀螺 (Optical Gyroscope),光学陀螺：一种利用Sagnac效应来测量物体相对于惯性空间的 角速度或转角的光学仪器,33,陀螺仪：定义、缘起,广义概念,Gyroscope 古希腊语：,旋转传感器,狭义概念,陀螺：,绕自身对称轴高速旋转的刚体,陀螺仪：,陀螺 + 支撑及辅助装置，实现旋转角度测量功能,角动量守恒,34,惯性导航核心元件：加速度计 + 陀螺仪,光学陀螺是惯性导航系统的核心部件,惯性导航:是一种自主式的导航方法，它完全依靠自载设备自主的完成导 航任务，提供包括位置、航向、速度、加速度，以及姿态角、 转动角速率在内的全部导航和制导信息。,
9、最关键的部件 集成技术最高 难度最大！,35,我在哪里？我将往哪里去？,在浩瀚的宇宙之中， 如何确定自己在哪里? 如何保持固定的方向往目的地前进?,36,2003年汉光演习,幻象机云母飞弹的靶被海军标准飞弹误击 AH-1W攻击直升机发射地狱火飞弹脱靶 潜射重型线导鱼雷脱靶,37,哈伯望远镜,1999以来，哈伯望远镜就由于陀螺失灵而无法工作 发现号到达哈伯运行轨道的航天员更换了陀螺 哈伯太空望远镜至少需要三个正常工作的陀螺才能使她在太空中按要求保持姿态，从而有效地获取信息,38,1996年长三乙火箭发射失败,长三乙火箭的首次发射是在1996年2月15日，由于陀螺的失效，使得惯性基准倾斜，火箭按错
10、误的姿态信号进行姿态矫正，导致火箭在飞行22秒以后，触底爆炸，星箭俱毁，发射失败,39,光学陀螺应用,激光陀螺：广泛应用于重要的民用经济领域，更是重要的军事装 备系统的核心部件，各国都在严格控制外流的关键技术,轮船,飞机,航天,高档轿车,潜艇,坦克,导弹,40,为什么选择光学陀螺？,因为光学陀螺具有如下优点：,高灵敏度和高精度 0.0005o/小时 体积小、重量轻 使用寿命长 信号可直接用数字输出 光束传播速度快、无惯性，启动时间短,41,光纤陀螺FOGFiber Optical Gyroscope 属于无源光学陀螺，干涉型 测量的是CW、CCW光的相位差,光学陀螺按工作类型分类,42,光纤陀
11、螺,增加绕环匝数 提高灵敏度,光纤陀螺测量的是CW、CCW光的相位差，如何提高灵敏度？,43,44,45,环形激光陀螺RLGRing Laser Gyroscope 属于有源光学陀螺，谐振型 测量的是CW、CCW光的频率差,光学陀螺按工作类型分类,46,克服闭锁的传统途径： 直接：尽力减小锁区 （提高光学元件质量和气体纯度） 偏频,激光陀螺闭锁及对策,加偏频,工作点移出闭锁区,47,克服激光陀螺闭锁对策机械抖动偏频,48,陀螺按精度分类,高精度陀螺仪 高精度陀螺仪指精度在510-4 /h到10-2 /h的陀螺仪。目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪，主要指激光陀螺仪。 最近几年，由于光纤陀
12、螺在 精度、性能和尺寸上的发展， 受到各国陆海空三军的青睐。,49,陀螺按精度分类,中精度陀螺仪 精度在10-2 /h或者更高的光纤陀螺。在军用方面，舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用以导航和制导。 在民用方面，光纤陀螺仪 可用于飞机导航导航和石油 勘察、钻井导向(确定下钻的 位置)，特别是在工业上的应 用具有极大的发展潜力。,50,低精度陀螺仪 低精度陀螺仪指精度范围10-1 /h左右的陀螺仪。目前有发展前景的是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人等方面。,陀螺按精度分类,51,斐索（
13、1819-1896）法国物理学家,斐索干涉仪,控制齿轮转速，当增加转速到看不到光时，说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。菲索测得的光速是315000千米/秒。最早不依靠天文常数测得光速的实验。,斐索齿轮测距(1849年),52,斐索平面干涉仪,斐索干涉仪： 非接触型等厚（或等倾斜）干涉型的装置,激光斐索型平面干涉仪基本光路图,斐索型干涉测量法中由于样板和被测表面间距较大，必须用单色光源，一般采用激光光源。,53,斐索干涉仪与牛顿干涉仪的区别,牛顿环干涉仪存在问题： 标准样板与被测表面必须十分清洁，否则会损伤样品表面； 清洁工作多拿在手中擦试，由于体温的影响，影响测试准确度； 样板有一
14、定重量压在被测表面上，必然会产生一定的变形，尤其是对大平面零件。 斐索型干涉仪优缺点： 避免牛顿环上述缺点 测试大口径样品时，可利用液体表面做参考平面（平整度高）（选用粘稠度大、本省比较均匀清洁液体） 测量法中由于样板和被测表面间距较大，必须用单色光源，一般采用激光光源。,54,斐索球面干涉仪原理：由标准参考面（红线）与被测面（蓝线）反射回来 的两束光形成等厚干涉条纹 被测球面没误差时，干涉场中得到等间距直条纹 注意：被测球面的球心C与标准镜组最后一面的球心C0精确重合。,斐索球面干涉仪,55,波面剪切干涉,参考光与被测光进行干涉 需要光学标准件 干涉条纹与被测波面关系简单 非共路（程）干涉
15、抗干扰性差,斐索干涉,利用待测参考光自身的干涉 不需要光学标准件 干涉条纹与被测波面关系复杂 共路（程）干涉 抗干扰性强,波面剪切干涉,56,56,波面剪切干涉原理：通过某种装置将一个空间波面分裂为两个完全相同或相似的波面，两者彼此间产生一个小的空间位移，因为波面上各点是相干的，则在两个波面的重叠区形成一组干涉条纹，通过分析和处理干涉图样，可以获得原始波面的信息。,波面剪切干涉原理,待测波面,待测波面,待测波面,待测波面 (空间位移),干涉条纹,57,当波面在x方向上有剪切时，因此原 始波面与剪切波面在P点的光程差为 在剪切量s比较小，且剪切方向与x轴 一致的情况下，近似地有 剪切干涉条纹对应的是被测波面的斜率，因此，必须利用上述方程求解波面面形与干涉条纹形状的对应关系。,x,s,P(x,y),横向剪切干涉示意图,波面剪切干涉原理,58,默蒂(Murty)1964年设计的平行平板波面剪切干涉仪,波面剪切干涉的实现,带有初级像差的波面相对于中心位于高斯像点的球面波的偏差量，可以表示为,式中，A、B、C、D分别表示球差、彗差、象散和离焦系数；E为绕y轴的倾 斜系数；F为绕x轴的倾斜系数。,59,横向波面剪切干涉,只考虑离焦点时，初级像差的波面表示为,离焦引起的波面剪切时的干涉光程差：,60,只考虑初级球差时 考虑离焦+初级球差时,横向波面剪切干涉,61,只考虑初级彗差 当在x方向剪
