严乐焱 激光原理.doc

激光干涉测量方法1、 光源的结构和输出特性1.光源的结构激光光源是利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源。是一种相干光源。自从1960年美国的T.H.梅曼制成红宝石激光器以来，各类激光光源的品种已达数百种，输出波长范围从短波紫外直到远红外。激光光源可按其工作物质(也称激活物质)分为固体激光源（晶体和钕玻璃）、气体激光源（包括原子、离子、分子、准分子）、液体激光源（包括有机染料、无机液体、螯合物）和半导体激光源4种类型。 激光光源由工作物质、泵浦激励源和谐振腔 3部分组成。工作物质中的粒子（分子、原子或离子）在泵浦激励源的作用下，被激励到高能级的激发态，造成高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，即形成粒子数反转。粒子从高能级跃迁到低能级时，就产生光子，如果光子在谐振腔反射镜的作用下，返回到工作物质而诱发出同样性质的跃迁，则产生同频率、同方向、同相位的辐射。如此靠谐振腔的反馈放大循环下去，往返振荡，辐射不断增强，最终即形成强大的激光束输出。 激光光源具有下列特点：单色性好。激光的颜色很纯,其单色性比普通光源的光高1010倍以上。因此，激光光源是一种优良的相干光源，可广泛用于光通信。方向性强。激光束的发散立体角很小,为毫弧度量级,比普通光或微波的发散角小23数量级。光亮度高。激光焦点处的辐射亮度比普通光高1081010倍。2. 光源输出特性激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。（1） 同时测量线性定位误差、直线度误差（双轴）、偏摆角、俯仰角和滚动角（2） 设计用于安装在机床主轴上的5D/6D传感器（3） 可选的无线遥控传感器最长的控制距离可到25米（4） 可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性（5） 全套系统重量仅15公斤，设计紧凑、体积小，测量机床时不需三角架（6） 集成干涉镜与激光器于一体，简化了调整步骤，减少了调整时间（7） 激光干涉仪可以同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)、偏摆角、俯仰角和滚动角等，以及测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性等。（8） 激光干涉仪的光源激光，具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。（9） 激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。二、激光干涉测量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：（1）波长精确已知，能够实现精确测量（2）波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量（3）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) 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。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。3、 测量结构分析及总结1. 薄膜干涉仪设干涉场的口径为D，条纹数目为m，长度D两端对应的厚度分别为h1和h2，有则平板玻璃的平行度为h2h1D测试平板玻璃平行度图示 测量不确定度根据间接测量不确定度的传递公式，可知 由上式可见，在的测量中引起误差的主要因素是：宽度D的测量不确定度；干涉条纹数m计数的不确定度影响最大；折射率n的测量不确定度。激光斐索型平面干涉仪测量平板玻璃平行度的不准确2.球面干涉仪激光器标准物镜组标准参考面位置 位置被测镜 CCD相机图4-17 激光斐索型球面干涉仪光路图C,C0 OC,C0位置 位置注意：为了获得需要的干涉条纹，必须仔细调整被测球面，使被测球面的球心C与C0精确重合。 3.总结（1） 同时测量线性定位误差、直线度误差（双轴）、偏摆角、俯仰角和滚动角（2） 设计用于安装在机床主轴上的5D/6D传感器（3） 可选的无线遥控传感器最长的控制距离可到25米（4） 可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性（5） 全套系统重量仅15公斤，设计紧凑、体积小，测量机床时不需三角架（6） 集成干涉镜与激光器于一体，简化了调整步骤，减少了调整时间（7） 激光干涉仪可以同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)、偏摆角、俯仰角和滚动角等，以及测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性等。（8） 激光干涉仪的光源激光，具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。（9） 激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。4、 测量精度和应用领域1.测量精度5D/6D标准型：（1） 线性：0.5ppm .（2） 测量范围：40米（1D可选80米）（3） 线性分辨力：0.001um.（4） 偏摆角和俯仰角的精度：（1.0+0.1/m）角秒或1%显示较大值（5） 最大范围：800角秒（6） 滚动角精度：1.0角秒（7） 直线度精度：（1.0+0.2/m）um或1%显示较大值（8） 直线度最大范围：500um（9） 垂直度精度：1角秒（10）温度精度：0.2摄氏度（11）湿度精度：5%（12）压力精度：1mmHg2.应用领域4.1 激光干涉测试技术在地学中的应用在地球科学中对地壳应变的测量是其中一个非常重要的环节，它能精确地测量出地壳受太阳或月亮作用而形成的固体潮应变，这样的应变通常都对应着非常小的相对位移量（亚纳米级），伸缩仪就是针对这样的应用。它主要用于硐体应变固体潮及地震前兆地应变监测，同时也可用于大型精密工程、大型建筑、大坝等的应变测量。地应变测量是测量地壳表面两点间的基线长度的相对变化量。英国RENISHAW公司最新推出的XL-80激光干涉仪系统，具有1nm的分辨率、080m的线性测量长度范围。这一系统可以达到的相对精度，其精度同伸缩仪相当。并且同伸缩仪相比，激光干涉仪有着可以溯源这样一个巨大的优势。因此，运用激光干涉仪系统进行地壳应变测量已成为地学科研的重点。同样，激光干涉仪还被运用到绝对重力仪中。绝对重力测量就是直接测量其重力加速度。绝对重力仪利用自由落体原理，采用上抛下落或直接下落的方式，结合迈克尔逊激光干涉条纹的原理，激光记录每个时刻自由落体的位移和速度，通过位移和速度的精确测定计算重力加速度。仪器的主要部件是激光干涉仪，用于跟踪自由下落的三棱反射镜的运动。绝对重力测量是以测量加速度的距离和时间这两个基本量作为基础来观测传感器件在重力场中的自由运动。现在的绝对重力仪分辨率已达到110-9ms，系统重复性5.010-8ms，准确度5.010-8ms。同时，日本有报道，利用超高灵敏度激光干涉仪实现测量重力波的计划，这将是激光干涉技术在地学中一个重大应用的突破。应用双频激光干涉仪可以标定数字水准仪的精度。以往采用的办法是用野外观测的方法，即通过往返闭合差、高差闭合差或与己知高程点的成果进行比较来评定仪器的精度。这种方法野外工作量大，精度受到外界和观测者以及已知点成果精度等的影响，不能较客观地评定仪器本身的精度，也不适合于对仪器的检测。而使用双频激光干涉仪与一个标尺，可以达到大于3m的测量精度：将条码尺置于竖直导轨上，在其尺底端安置双频激光干涉仪的反射棱镜用45直角棱镜将激光束转向。水准尺的上下移动经过转向后，将其位移量直接反映到双频激光干涉仪上，从而实现对数字水准仪的标定。4.2 激光在位移传感器中的应用利用激光干涉仪对位移传感器检定成为发展趋势，其特点是测量精度高、反应速度快、易于数字化测量。在测量中设计一个精密导轨，将反射镜同被测传感器放在一起同步检测，从而形成对比。位移传感器自动检定系统与HP干涉仪(标准)对定长位移进行测试对比，得出往复测试实验结果。实验环境:室温18；相对湿度：52RH；气压：754mmHg。给出的位移检定系统的读数与激光干涉仪读数，其差值小于2.0m，这一误差完全满足预期的研究指标要求(不大于2.5m)。4.3 激光在数控机床检定中的应用激光干涉仪可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线位置测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪的最大特点是在具有强大的排除干扰能力的情况下还具有非常高的精度，其分辨率可以达到纳米级，从而可以大大提高制造领域的制造精度。双频激光干涉仪与不同光学附件结合，可以测量距离、直线度、垂直度、平行度、平面度。由于仪器为模块化结构，安装位置灵活，便于分析机床误差来源；而且测量时可以在工作部件运动过程中自动采集数据，更接近机床的实际使用状态。与传统的检定方法相比，激光干涉仪具有较高的精度和效率，并能及时处理数据，为机床误差修正提供依据。位置精度是机床的重要指标，目前各国机床检定标准中都推荐使用激光干涉仪。因此，用双频激光干涉仪检测机床各项误差是一种用传统测量手段难以实现的技术。4.4 激光在光学检测中的应用利用干涉仪可检验球面光学元件：检测时不需要补偿器，需调整干涉仪使会聚透镜的焦点和球面反射镜的球心重合；如果反射镜是完好的，当准直光经过会聚透镜到达反射镜时，光波与被测反射镜面相吻合，这样光线原路返回，在经过会聚透镜后，又是准直光，当它与参考准直光干涉时，就得到无条纹或等间距直条纹的理想干涉图。利用干涉仪还可测量非球面或非球面顶点曲率半径，都是利用自准直法，但要使参考光波与测试光波相干，并得到所需的干涉条纹，需要通过轴向移动和横向倾斜被测非球面，精确调整出射波面经被测非球面后能原路返回，从干涉条纹的形状来判断。4.5 激光干涉在科研方面的应用美国NIST研制的分子测量机，被测样板的最大尺寸是505025（mm），垂直测量范围是100um，用AFM或STM作测头，三维量位置精度用在真空中的激光干涉仪保证，它是用于研究和测量原子标尺和微电子尺寸参数标准的基础性仪器。英国国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器测量范围的理论框架，研制的微形貌纳米测量仪器测量范围为0.01nm3nm和0.3100nm。日本国家计量研究所（NRLM）研制了由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所已开始研究一些基本常数的精密测量加硅晶格间距等问题。Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0.2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。清华大学、南昌大学、江西省科学院等采用扫描探针显微镜系列，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。天津大学刘安伟等在量子隧道效应的基础上，建立了适用于平坦表面的扫描隧道显微镜微轮廓测量的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。清华大学李达成等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器以稳频半导体激光器作为光源，共光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其纵向和横向分辨率分别为0.39nm和0.73m。中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等，提出了一种通过测量双法布里柏罗干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法，进行纳米测量的理论基础，给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。中国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了一台使用光学偏转法检测的原子力显微镜，通过对