第2章 -激光干涉测量技术-2

1、1 上一节理论课：上一节理论课： 课程内容简介课程内容简介-激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 v激光激光干涉干涉测长原理：测长原理：L=KL=K/2/2。 v激光干涉仪组成：激光干涉仪组成：激光干涉仪光路系统、干涉条纹计数和处理测激光干涉仪光路系统、干涉条纹计数和处理测 量结果的电子系统及量结果的电子系统及机械系统。机械系统。 v激光干涉仪激光干涉仪光路光路系统：系统：主要包括光源、分束器和反射器主要包括光源、分束器和反射器。 v干涉条纹干涉条纹计数和处理测量结果的电子计数和处理测量结果的电子系统：系统：移相器、干涉条纹移相器、干涉条纹 计数及判向计数及判向原理原理。 v干涉仪干涉

2、仪应用应用：激光比长仪、激光跟踪干涉仪激光比长仪、激光跟踪干涉仪、激光小角度干涉仪、激光小角度干涉仪 今天主讲内容：今天主讲内容： 激光外差、移相、散斑、光纤干涉测量技术激光外差、移相、散斑、光纤干涉测量技术 回顾回顾 2 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 1、激光比长仪 激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干涉比长的方法来检定基准 米尺，即通过激光干涉仪实现基准米尺和光波波长比较。由于激光波 长具有高度的稳定性，其复现精度可达5x10-8以上，所以可用激光 波长作长度基准。同时，激光干涉仪的输出信号易于实现光电转换， 这样就提供了实现动态自动

3、测量的可能性，从根本上解决了检定基准 米尺的精度与效率的问题。 激光比长仪工作原理如下图所示。 3 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 1、激光比长仪 He-Ne激光器1发出的激光束经平行光管2后将光束变为光斑直径达 50mm的平行光。 4 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 1、激光比长仪 经反射镜3和分光镜4后将光束分为两路。一路光透过分光镜经反射镜 5射入固定角锥棱镜6，另一路光由反射器反射至可动角锥棱镜7。 5 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 分光镜4至固定角锥棱镜6为一固定的

4、光程，分光器4至可动角锥棱镜7 为一随工作台11移动而改变的光程，两者的光程差为激光半波长偶数 倍时出现亮条纹，奇数时出现暗条纹。所以工作台11连续移动时就会 产生亮暗交替变化的条纹。 6 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 移相板8将干涉条纹分成两组，此两组干涉条纹的位相差为90。分像 棱镜组9将两组相位为90的干涉条纹分别引入两个光电探测器12，光 电探测器将亮暗交替变化的光信号变为两路相差为90的电信号，经 过调理电路13实现倍频处理传递给计算机14。 7 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜10作瞄准被检测尺上的刻线用 。当工作台

5、11运动，即基准尺的刻线通过光电显微镜的两个狭缝时，刻 线影像被光电探测器15接收，转换成电脉冲，作计算机开始计数和终止 计数的指令信号。计算机的计算结果送入显示器和打印机。 8 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 1、激光跟踪干涉仪 激光比长仪工作原理叙述如下：He-Ne激光器1发出的激光束经平行光管 2后将光束变为光斑直径达50mm的平行光，经反射镜3和分光镜4后将 光束分为两路。一路光透过分光镜经反射镜5射入固定角锥棱镜6，另一 路光由反射器反射至可动角锥棱镜7。分光镜4至固定角锥棱镜6为一固 定的光程，分光器4至可动角锥棱镜7为一随工作台

6、11移动而改变的光程 ，两者的光程差为激光半波长偶数倍时出现亮条纹，奇数时出现暗条纹 。所以工作台11连续移动时就会产生亮暗交替变化的条纹。移相板8将 干涉条纹分成两组，此两组干涉条纹的位相差为90。分像棱镜组9将两 组相位为90的干涉条纹分别引入两个光电探测器12，光电探测器将亮 暗交替变化的光信号变为两路相差为90的电信号，经过调理电路13实 现倍频处理传递给计算机14。装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜 10作瞄准被检测尺上的刻线用。当工作台11运动，即基准尺的刻线通过 光电显微镜的两个狭缝时，刻线影像被光电探测器15接收，转换成电脉 冲。空气折射率由折射率干涉仪测出，温度由铂电阻测出

7、。 9 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 2、激光跟踪干涉仪 左图所示为API公司生产的激光跟踪干涉仪 的光路图。使用He-Ne激光器作光源，采用 迈克尔逊干涉仪结构。干涉仪中的测量光束 经扫描反射镜射向目标镜，然后沿原路返回 ，经扫描反射镜后，用一分光镜把它分成两 部分，一部分直接进入干涉仪，和干涉仪中 的参考光束干涉，用于测量目标镜的移动位 移。另一束光用二维位置探测器PSD来接收 ，PSD的输出信号反馈到扫描镜控制系统中 ，控制扫描镜的转动方向，当目标镜在空间 任意位置移动时，使测量光束始终对准目标 镜，达到跟踪测量位移的目的。 此干涉仪

8、的水平位移测量半径为25m,测量倾 斜角为45，目标镜最大移动速度为2m/s， 测量分辨力为0.1m。 10 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 3、激光小角度干涉仪 激光小角度干涉仪是利用激光干涉测位移和 三角正弦原理来测量角度的仪器。左图是激 光小角度干涉仪测角原理图。激光器1发出的 激光光束经分光镜3分成两路，一路沿光路a 射向测量棱镜2，一路沿光路b射向参考镜4。 当棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角 锥棱镜反向后，沿光路c射向反射镜5，并沿 原路返回至分光镜，与从b路返回的参考光束 会和而产生干涉。当棱镜移动到位置II后， 沿光路a

9、前进的光束由于棱镜II及平面反射镜 的作用，使它们仍按原路返回，不产生光点 移动，从而干涉图形相对接收元件的位置保 持不变。根据干涉测位移原理可以测出角锥 棱镜在位置I和位置II的位移H，若已知棱镜 转动半径R，便可根据三角正弦关系求出被 测角。位移为：H=K/4，=arcsinH/R，式 中，R为棱镜转动半径。 11 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用 3、激光小角度干涉仪 在实际应用中为消除偏心和轴系晃动等 误差，并提高灵敏度，可以在对称直径 位置上布置两个角锥棱镜，干涉仪测角 原理如左图所示，在这种情况下，干涉 仪经过两次光倍频，使得每一条

10、干涉条 纹相应的光程差为/8。若可逆计数器 采用四倍频，则每计一个数对应的长度 为/32，则H=K /32。再根据上述公式 计算得出角。 12 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光器1发出的光束经反射 镜12转折90； 经平行光管11扩束成直径 约5mm的平行光； 再经反射镜10射向分光移 相镜9分成两束； 一路反射，射向棱镜6； 另一路经反射镜2反射，射 向直角棱镜4； 直角棱镜6和4与正弦臂7绕 轴5同步旋转；两路光束经 直角棱镜6和4反射后又射 向直角棱镜8和3。 13 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 直角棱镜8和3分别将两路 光等距离向上平移约10mm 后反

11、射回来，返回光束在 分光移相镜9上汇合产生干 涉条纹。 光电探测器13、14将正弦 臂7旋转引起的干涉条纹信 号转换成电信号，两路信 号因分光移相镜的移相作 用而位相相差90。 信号经整形放大后，送入 可逆计数器。 仪器的测量范围：5， 在1内仪器的最大测量 误差为0.05。 14 第第2章章 激光干涉测量技术激光干涉测量技术 概要概要 激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 激光移相干涉测量技术激光移相干涉测量技术 激光散斑干涉测量技术激光散斑干涉测量技术 激光光纤干涉测量技术激光光纤干涉测量技术 激光多波长干涉测量技术激光多波长干涉测量技术

12、15 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 为什么要用激光外差干涉？为什么要用激光外差干涉？ 一般单频激光干涉仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允 许干涉仪两臂的光强有较大变化，干涉条纹光强的变化总要以计数器 平均触发电平为中心对等分布，如图（a）所示。 如果光强由于外界环境干扰（如在车间测量）引起变动，则干涉信号强 度就可能落于触发电平之下，如图（b）所示，从而使仪器停止工作， 必须重新调整触发电平值。所以这种干涉仪抗外界干扰因素能力差。 16 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 为什么要用激光外差干涉？为什么要用激光外差干涉？ 为克服以上缺点，在干涉仪的参考光路中引入一定

13、频率的载波，被测 信号通过这一载波来传递。测量镜静止时，光电探测器的输出信号为 载波频率的交流信号；测量镜运动时，输出信号的频率只在某一范围 内增加或减少。这样，前置放大可采用带通交流放大，就可以隔绝由 于外界环境干扰引起的直流电平漂移，使仪器能在车间现场的环境下 稳定工作。利用这种外差技术设计的干涉仪称为外差干涉仪，或称为 交流（AC）干涉仪。这种外差干涉技术解决了单频干涉仪的核心问 题，滤掉了干涉背景和各种噪声。 依据光学“拍”的原理在参考光路中引入参考信号。两个振幅相同， 振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加也能产 生干涉，这种特殊的干涉称为光学“拍”。塞曼效应和声光调

14、制是实 现光学“拍”的常用方法。 17 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 外差干涉仪的典型实例是塞曼双频激光干涉仪。当原子被置于 弱磁场中时，其能级发生塞曼分裂，其辐射和吸收的谱线也产 生相应分裂，一条谱线被几条塞曼谱线替代，这些谱线和原谱 线有不大的频差。 将一个单频He-Ne激光器置于一轴向磁场中，由于塞曼效应使 激光的谱线分裂成两个旋转方向相反的左旋和右旋圆偏振光， 它们的振幅相同，频率相差很小，一般为12MHz。 18 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干

15、涉仪）双频激光干涉仪 19 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 外差干涉仪的典型实例是塞曼双频激光干涉仪，如图2.21所示。 设左旋圆偏振光频率为f1,右旋圆偏振光的频率为f2,初始位相为零，这 两个方向相反的圆偏振光的振动方程分别为： 这两个圆偏振光经分光器B1后，反射光在通过放在一个 特定位置的偏振片P1时，f1和f2的垂直分量y1(t)和y2(t)通 过，而水平分量被截止。垂直分量通过P1后，按光波叠 加原理将合成为上式。 20 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频

16、激光干涉仪）双频激光干涉仪 这两个圆偏振光经分光器B1后，反射光在通过放在一个特定位置的偏 振片P1时，f1和f2的垂直分量y1(t)和y2(t)通过，而水平分量被截止。垂 直分量通过P1后，按光波叠加原理将合成为： , 合成波的强度随时间t在04a2之间作缓慢的周期变化，这 种强度时大时小的现象称为：“拍”，拍频为f1 -f2。此拍 频信号被光电探测器D1接收，经滤波放大后送入混频器作 为测量过程中的参考信号。 21 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 透过分光镜B1的另一束光沿原方向通过1/4波片后, 变成两互相垂

17、直的线偏振光（设f1垂直纸面，f2平 行纸面）。 22 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 射向偏振分束镜B2，偏振方向互相垂直的线偏振 光f1和f2被分开，其中f1反射至参考角锥棱镜M1,f2 透过偏振分束镜到测量角锥棱镜M2。 23 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 若测量镜M2以速度运动，则由于多普勒效应， 返回光束的频率将变成f2f(正负号取决于测量 镜的移动方向)。 24 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（Zee

18、manZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 这束光返回后重新通过偏振分光镜，并与频率为 f1的返回光会和，然后被直角棱镜M3反射至检偏 器P2上产生拍频。 25 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 拍频信号频率为f1-(f2 f),拍频信号被光电探测 器D2接收后进入前置放大器，经过滤波放大后送 到混频器。 26 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 计算机接收来自D1和D2这两路信号后进行同步相 减便得Doppler频移f，最后经过倍频

19、和累计计 数，求出测量角锥棱镜M2的移动位移。 27 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 透过分光镜B1的另一束光沿原方向通过1/4波片后,变成两互相垂 直的线偏振光（设f1垂直纸面，f2平行纸面），射向偏振分束镜 B2，偏振方向互相垂直的线偏振光f1和f2被分开，其中f1反射至 参考角锥棱镜M1,f2透过偏振分束镜到测量角锥棱镜M2。若测量 镜M2以速度运动，则由于多普勒效应，返回光束的频率将变 成f2f(正负号取决于测量镜的移动方向)，这束光返回后重新 通过偏振分光镜，并与频率为f1的返回光会和，然后被直角棱 镜M

20、3反射至检偏器P2上产生拍频。拍频信号频率为f1-(f2 f), 拍频信号被光电探测器D2接收后进入前置放大器，经过滤波放 大后也送到计算机。计算机接收来自D1和D2这两路信号后进行 同步相减便得Doppler频移f，最后经过倍频和累计计数，求 出测量角锥棱镜M2的移动位移。 28 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 若测量镜M2以速度运动，则由多普勒效应引起的频移f为： 若测量所用时间为t，则测量镜移动距离L为： 注：对于塞曼双频激光干涉仪，为使被测信号f 不失真，一般应取 激光器双频频差f1-f23f为宜。若激光器

21、双频频差为f1-f2=1.5MHz， 则对应的Doppler频移f 最大为0.5MHz，允许测量速度约为 150mm/s，处理电路的工作频带可以设定在1.02.0MHz之间，滤掉小 于1.0MHz的全部噪声。 29 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 在双频激光干涉仪中，“双频”起了调制作用，它在测量镜静 止时，仍然保持一个1.5MHz的交流信号，被测物体的运动只是 使这个信号的频率增加或减少，因而前置放大可采用较高放大 倍数的交流放大器，采用带通滤波，滤掉低频噪声，避免了直 流放大时所遇到的直流漂移、低频干扰等问题。

22、 30 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 利用双频激光干涉技术还可以精确测量空气折射率，如图2.24 所示。从激光器发出的正交线偏振光1和2在分光器2的前后表 面上分成两束，每束中均包含1和2两种频率。其中一束从真 空室4通过，另一束在真空室外通过，二者互相平行，经角锥棱 镜6返回。两次从真空室内通过的光束在1/4波片3上通过两次， 相当于通过一次1/2波片。如果1/4波片的方向合适就可使偏振 面转过90。真空室内外两束光在分光器上重新会和后，又在偏 振分光棱镜1上分光。同方向的振动被分到一个光电接收器8上 形成拍频

23、。得到两路测量信号(1-2)+n和(1- 2)-n，n 为抽气造成的Doppler频移。它们经过锁相倍频和计数卡后，送 入计算机计算求出待测空气折射率。 31 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 利用双频激光干涉 技术还可以精确测 量空气折射率，如 图2.24所示。 从激光器发出的正 交线偏振光1和2在 分光器2的前后表面 上分成两束，每束 中均包含1和2两种 频率。其中一束从 真空室4通过，另一 束在真空室外通过 ，二者互相平行， 经角锥棱镜6返回。 光路原理： 32 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（

24、塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 两次从真空室内 通过的光束在1/4 波片3上通过两次 ，相当于通过一 次1/2波片。如果 1/4波片的方向合 适就可使偏振面 转过90。 真空室内外两束 光在分光器上重 新会和后，又在 偏振分光棱镜1上 分光。 光路原理： 33 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 同方向的振动被 分到一个光电接 收器8上形成拍频 。得到两路测量 信号(1-2)+n 和(1- 2)-n， n为抽气造成的 Doppler频移。 它们经过锁相倍 频和计数卡后， 送入计算机计算

25、求出待测空气折 射率。 光路原理： 34 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪测量过程与原理： 打开真空泵开关， 测量过程开始，这 一瞬间真空室内的 空气折射率就是要 测量的量值，以nm 表示。 真空室内的空气被 抽空后折射率变为 1。而在这两个时 刻之间的任意时刻 真空室内的空气折 射率都是介于nm和 1之间的数值，用n 表示。 35 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 测量过程与原理： 某一中间时刻，由于抽气造成的Doppler频率变化为： 36 激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术 塞曼（塞曼（ZeemanZeeman）双频激光干涉仪）双频激光干涉仪 注：当真空室内抽成真空后，如果真空室外的空气折射率发生 变化，干涉仪可以立即反映出这种变化，做到“实时”测量。 这种双频激光干涉测量出的空气折射率不但包含了空气的温度 、压力、湿度的影响，而且在空气中混有其他气体及有机溶剂 的挥发物时，也照样可以