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1、激光干涉测量技术的发展及现状调研报告一、激光干涉基本原理激光输出可被视为正弦光波 波长 从激光头射出的光波有三个关键特性：波长精确已知，能够实现精确测量波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量所有光波均为同相，能够实现干涉条纹 干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产生亮暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹来获取被测量的有关信息。 当两束光满足频率相同、振动方向相同以及初相位差恒定的条件时，两支光会发生干涉现象。在干涉场中任一点的合成光强为： 式中，为两束光到达某点的光程差；、分别为两束光的光强；为光波长。 干涉条纹是光程差相同点的轨迹，以下两式分别为亮纹和暗纹方程 =m =(m+1/2)
2、式中，m为干涉条纹的干涉级 干涉仪中两支光路的光程差可表示为 =式中，、分别为干涉仪两支光路的介质折射率；、分别为干涉仪两支光路的几何路程。 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化，干涉条纹也随之变化。通过测量干涉条纹的变化量，可以获得与介质折射率n和几何路程l有关的各种物理量和几何量。二、 发展历史、现状及趋势早在十九世纪八十年代，人们第一次证实了光干涉原理可以作为测量工具使用。尽管该技术多年来不断发展，但是使用极小、稳定、准确定义的光波长作为测量单位的基本原理仍然没有改变。 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振
3、条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出
4、现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。三、 主要应用1、 激光干涉在长度测量中的应用 高精度7m万能测长机是一种由激光干涉系统、光学高精度系统
5、、精密机械、电气驱动、微机控制和计量管理相结合的大型长度计量仪器，其结构如图2-10所示。光学测量原理在前面已经论述，测量原理图所示。如图2、 激光干涉在位移测量中的应用 布朗布维尔干涉仪的工作原理如图2-14所示。从激扩光器1发出的平行光束，经望远镜系统2束分，被镀有半透反射膜的分光镜3成两路，分别投射到可动角锥棱镜9和固定角锥棱镜10上。再经分光镜3会合的两支光束投射到棱镜6上，棱镜6按波阵面把光束分成两部分。在光电接收器4与8前，安装两个光阑5与7，把干涉条纹分成两部分，相互间错开0.25条条纹宽度。为了使干涉光束之间形成某个楔角，从而达到所要求的条纹宽度和方向，采用楔形板11。反射镜1
6、3和毛玻璃12构成目视窗，用于调整仪器时观察干涉条纹。这种激光器望远镜系统分光镜一光电接收器干涉仪的特点是：l 从干涉仪出来的光束，不会返回到激光1中，从而保证了激光器的稳定工作。l 由于激光具有高单色性，因此在干涉仪的光路中，不需要一般迈克尔逊干涉仪都有的用于补偿两支光路中玻璃厚度不相等的补偿板。l 由于激光具有很小的发散性，在干涉仪的两支光路不相同的情况下，干涉图样对比度还是很好的。在该干涉仪中，可动角锥棱镜9的位移量可通过数字读数0.1m，最小读数值测量范围为1m。3、 激光干涉在角度测量中的应用 小角度测量系统的结构如图3-13所示，图中玻片3用于调整0光与e光强度平衡，透镜的数值孔径
7、根据测量灵敏度由式选择。反射面由两块反射镜组成，其中与压电陶瓷连为一体，可作高频振动。反射光经原路返回，在透镜焦面会合，成为椭圆偏振光，经波片变为线偏振光。其偏振方向为（推导从略） 式中，则。即光程差变化一个波长，相位变化，线偏振光方位角转过，条纹变化一个周期。 当反射面有一个角位移时，合成偏振光光程差变化，经检偏器可观察到干涉条纹的变化，检出条纹变化量即可得知角位移量。 4、 光线基准双频激光干涉法 测量原理如图所示。两束偏振面相互正交、频率为和的激光束经分光组件1射向渥拉斯顿棱镜2，渥拉斯顿棱2将和两束光分开成夹角射向双面反射镜3，双面反射镜的夹角为补角，即光束和垂直射向双面反射镜的两个面
8、，然后光束从双面反射镜返回到渥拉斯顿棱镜上会合，再由分光组件返回进行拍频、接收、计算机处理等。当渥拉斯顿棱镜固定不动，双面反射镜沿被测表面x向移动时（或反之，双面反射镜固定不动，渥拉斯顿棱镜沿被测表面移动时），如果双面反射镜在y向无位移，仪器显示值不变；如果被测表面不平，则当双面反射镜沿x向移动时，将同时有 y的位移，则此时和两路光光程不等，仪器显示值便有变化。5、 共模抑制干涉仪 He-Ne激光器发出的线偏振光经扩束、 准直，透过半波片和分光棱镜BS进入测量头。该测量头由两部分组成，一部分为双焦透镜分束器L，它由一块束器石英凹透镜和两块玻璃凸透镜胶合而成，石英晶体光轴设计成与透镜轴垂直，通过
9、合理选择三透镜参数，使分束器对O光（寻常光）光焦度为正，对e光（非寻常光构）的光焦度为零；测量头的另一部分为、成的开普勒望远镜系统。平行线偏振光（旋转半波片可改变偏振方向）进入该测量头后，被分成两束（彼此同轴的o光和e光），其中e光成平行光垂直照射到被测表面，o光被会聚于被测表面上某一点。两束光在被测表面反射后沿原路返回，经双焦透镜分束器后合成为一椭圆偏振光，它经BS反射后，被分光棱镜BS分成两部分，各自经过检偏器P、 1P后相干涉。 四、 存在的问题1、 稳定激光的工作环境。保证系统有一个好的工作环境，特别是从保证激光频率稳定角度出发，要保证系统的工作环境相对稳定。2、 比较国内外开展激光检测研究与应用的现状： （1）技术上 在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距。国内开展的工作面不如国外广泛，但所做工作也不少，而且技术上尚比较先进，有些方面还是可比的。（2）应用上 周内应用类别不少。但由于产品化程度不高，影响使用面。3、研究新的测量方法，研究多种技术的综合应用，降低成本，实现仪器化系统，开拓新的应用领域。 参考文献： 激光干涉测量技术及应用 作者：张琢 1998年10月第一版
