激光干涉测量技术(合肥工业大学)PPT课件

第二章 激光干涉测量技术
本章主要内容: 1. 背景知识概述（重点） 2. 第一节 干涉测量长度和位移（重点） 3. 第二节 小角度测量仪(合并第一节) 4. 第三节 外差干涉测量技术（重点） 5. 第四节 激光全息干涉测量技术 6. 第五节 激光散斑干涉测量技术 7. 第六节 激光光纤干涉测量技术 8. 第七节 激光多波长干涉测长技木
测控教研室
2006年3月6日星期一
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一、背景知识概述
I max I min 4AB 2AB 2 光的相位与走过的光程nl有关： M 2 2 I max I min 2A 2B A B2
A cos(t ) A cos(t 0
2

nl )
已知发生相干条件， 带入2-1-2式：
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§2.1 二、系统的组成
3) 光学倍频 L= Kλ/2k
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§2.1 二、系统的组成
4) 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
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§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： a) 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 b) 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
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一、背景知识概述
则合成有：
A1 cos(t 1 ) cos(t 2 ) cos(t 1 ) cos(t 1 (1 2 ))

2 ➢ 激光干预测长的应用
1、激光比长仪 激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干预比长的方法来检定基准米尺， 即通过激光干预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，激光干预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 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。
此干预仪的水平位移测量半径为25m,测量倾斜角为 ±45º，目标镜最大移动速度为2m/s，测量分辨力为 0.1µm。
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2
➢ 激光干预测长的应用
3、激光小角度干预仪
激光小角度干预仪是利用激光干预测位移和三角正弦 原理来测量角度的仪器。左图是激光小角度干预仪测 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预。当 棱镜移动到位置II后，沿光路a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，从而干预图形相对接收元件的位置保持不 变。根据干预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，假设棱镜转动半径R，便可根据三角 正弦关系求出被测角α。位移为：H=Kλ/4， α=arcsinH/R，式中，R为棱镜转动半径。
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1 概要
2 激光干预测量长度和位移 3 激光外差干预测量技术 4 激光移相干预测量技术 5 激光散斑干预测量技术 6 激光光纤干预测量技术
7 激光多波长干预测量技术
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3 ➢ 为什么要用激光外差干预？
一般单频激光干预仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允许干预仪两臂 的光强有较大变化，干预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。

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
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以Michelson干涉仪为例: 开始测量时，两束光的光程差为
1 = 2n(Lm Lc )
测量结束时，两束光的光程差为
2 = 2n(Lm + L Lc ) = 2nL + 1
光程差变化量
d = 2 1 = 2nL
双角锥棱镜光路
单角锥棱镜光路
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两半反半透镜一体化光路 双光程光路
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（2）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
（3）光学倍频
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（4）零光程差的结构布局
(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统
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
1.明暗变化的强度越大, PD感测出的信号信噪比越好 2. 当两干涉光的光强相等时, 对比度越好
3.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
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四、应用举例
1.激光比长仪
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2.激光跟踪干涉仪 3.Renishaw新型单频激光干涉仪
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4. 激光小角度干涉仪
移动距离
L=K 2
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二、测量系统组成
1.激光干涉系统 2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统
（一）干涉仪系统
主要包括：光源、分束器、反射器、补偿元器件 1. 激光干涉仪常用光源
He-Ne激光器：激光的功率和频率稳定性高、 连续方式运转、在可见光和红外光区域有谱线 9

§6-1 激光干涉测长概述
一、激光干涉测长的基准
1975年召开的第十五届国际计量大会“要求国际计量局和 各国研究所继续对这些引起辐射（指甲烷和碘稳定的氦氖激光 波长）进行研究”。
由于稳频技术的进展，甲烷和碘稳定的氦氖激光波长值的 稳定性和再现性都很高，因之有可能取代86Kr的波长而作为长 度的自然基准。在1979年6月召开的国际“米”定义咨询委员 会第六次会议上，已提出了一个“米”定义的建议草案。建议 将“米”定义为“平面电磁波在1/299792458秒的时间间隔内在 真空中传播的距离”。
E02 1 k k ei ei
E02 1 k 2 k cos
于是，两支光强不同引起的对比ki为：
若取k=4，则Ki可达0.8。
2k Ki 1 k
四、非期望光的抑制
那些不反映被测量的光就称为非期望光线或杂光。消除非期望的 光线。采取的措施大致有以下几种：
（1）设计时尽可能减少干涉体系光学零件的数目，以减少不必 要的反射面和产生非期望光线的机会。在不希望反射的界面上镀以增 透膜，镜筒、镜框内表面涂黑漆，以减低非期望光线的强度。
当k=0.1时，条纹可分辨，但很难使仪器正常工作。
2．影响对比度的因素：
（式中：Δυ为光源谱线宽，δ为光程差。
又知，光源的相干长度δΔυ为
1
2
于是，只要干涉系统的光程差等于或小于光源相干长度的四分之一，
即以 1 代入对比度便可达 4 4
§6-2 激光干涉仪设计
一、基本测量公式
迈克尔逊双光束干涉仪测长的公式为（在真空中）
L
N
（“增量法”测长）
2
当介质为空气时，上式变为
N 2nL
0 式中L为被测长度，n是空气折射率，λ0是真空中的波长，N

40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯

影响干涉条纹对比度的因素:
光源的大小、光源的单色性、两相干光波的振幅比、偏振态、 背景光、各种环境因素如振动、热变形等 1.明暗变化的强度越大, PD感测出的信号信噪比越好 2. 当两干涉光的光强相等时, 对比度越好
四、激光干涉测长的应用
1.激光比长仪
通过光波干涉比长的方法来检定基准米尺
2.Renishaw新型单频激光干涉仪
调节运放消去直流分量，使交流幅值相等
S1 2b sin / 4 S 2 2b cos / 4
在仪器中查表可得到相位值
S1 tan / 4 S2
偏振干涉仪光学细分和移相
Retro-reflector QWP
PBS He-Ne Laser
Measured mirror
优点：1、滤掉了背景噪声；
2、 滤掉了直流放大器的噪声。
光学拍频原理： 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”。
塞曼效应和声光调制是实现光学“拍”的常用方法 塞曼双频激光：两个旋转方向相反的左旋和右旋圆偏
-1级
0级
1级
光栅衍射分光
3. 激光干涉仪常用的反射器
特点：对偏转将产生附加的光程差
平面反射器
特点：可消除偏转将产生附加的光
程差，抗偏摆和俯仰
角锥棱镜反射器
特点：只对一个方向的偏转敏感
直角棱镜反射器 特点：透镜和反射镜一起绕C点旋转，
光程保持不变；容易加工，不影响偏振 光的传输
猫眼反射器
4.典型的光路布臵
法珀干涉仪的缺点：自由光谱范围小，需要与单色仪联合使 用，分辨率高
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光谱仪器把被研究的辐射分解为光谱，记录单条谱线的 位臵，并测量其强度。 干涉仪产生的干涉条纹是光谱相干涉的结果，能否利用 干涉条纹的信息去获得相干光谱的信息？也就是从分析 干涉条纹得到参与干涉的光谱线的位臵（波长）及其强 度呢？

当两束或多束相干光波相 遇时，它们会相互叠加， 形成明暗交替的干涉图样。
干涉条纹的形成
分波面干涉
通过分波面干涉，将一束激光分成两束或多束相 干光波，使它们在空间中相遇。
固定பைடு நூலகம்程差
为了形成稳定的干涉条纹，需要保证两束光的光 程差保持恒定。
干涉图样的形成
当两束相干光波相遇时，它们的光程差会导致光 波的相位差，从而形成明暗交替的干涉图样。
激光干涉测量技术
contents
目录
• 激光干涉测量技术概述 • 激光干涉测量技术的基本原理 • 激光干涉测量技术的分类 • 激光干涉测量技术的应用实例 • 激光干涉测量技术的发展趋势与挑战
01 激光干涉测量技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测量技术是一种基于光 的干涉现象进行长度、角度等物 理量测量的高精度测量技术。
相位等参数。
通过将激光束反射到被测物体上， 并观察干涉条纹的变化，可以精
确测量物体的振动情况。
这种技术广泛应用于机械、航空 航天、汽车和能源等领域，用于 监测设备的运行状态和评估结构
的稳定性。
光学元件检测
激光干涉技术可以用于检测光 学元件的质量和性能，如透镜、 反射镜和光栅等。
通过测量干涉条纹的数量和分 布，可以评估光学元件的表面 质量和光学性能。
该技术具有更高的测量精度和更大的 测量范围，适用于大型结构、长距离 和高精度测量。
光学多普勒激光干涉测量技术
光学多普勒激光干涉测量技术是利用多普勒效应和干涉现象 相结合的原理，通过测量激光束在运动物体表面反射后产生 的多普勒频移来测量物体的速度、位移和振动等参数。
该技术具有高精度、高灵敏度和实时性的优点，广泛应用于 流速测量、振动分析、表面形貌测量等领域。

长度L相对应的条纹数K。可把上式改写为
式中， λ=λ0／n， λ是激光光波在空气中的波长。
激光干涉测长仪的主要结构
• 激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器， 输出的是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性， 对激光器要采取稳频措施；
• 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） • 可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测
y
传播方向
E
x
0
/2
右旋椭圆 偏振光
y
x z
某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化
偏振片的起偏 从自然光获得偏振光
• 偏振片
非·偏·振·光
起偏的原理: 利用某种形式的不对称性,如 （1）物质的二向色性， （2）散射，
光轴 （3）反射和折射， 线偏振光 （4）双折射….
• 偏振片的起偏
电气石晶片
自然光I´
4．典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即
测量光束与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件 变化对两条光路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同 应用需要，要考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等 因素。下面介绍几种从不同角度考虑的典型光路布局。
(1)使用角锥棱镜反射器 这是一种常用的光路布局，如 下图(a)所示，图中角锥棱镜可使入射光和反射光在空间分离 一定距离，所以，这种光路可避免反射光束返回激光器。激光 器是一个光学谐振腔．若有光束返回激光器将引起激光输出频 率和振幅的不稳定。角锥棱镜还具有抗偏摆和俯仰的件能，可 以消除测量镜偏转带来的误差。图(a)所示光路的缺点是这种 成对使用的角锥棱镜要求配对加工，而且加工精度要求高。故 常采用一个作为可动反射镜。参考光路中用平面反射镜B作固 定反射镜。使用一个角锥棱镜作可动反射器还可采用其他几种 光路。图(b)中，镜Ml和M3上都镀有半反半透膜，M1用作分光器， 参考光束经M1反射后在镜M3与测量光束迭加，产生干涉。Ml和M 3还能做成一体，如图(c)所示。

§2.1 激光干涉测量长度和位移 一、干涉测长的基本原理
当
2
2

(n1l1 n2l2 ) 2k
合成干涉光光强最亮
合成干涉光光强最弱
当

(n1l1 n2l2 ) (2k 1)
把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标 反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，干涉 条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹，当 被测对象移动一段距离时，该条纹明暗变化一次，光电探测器 输出信号将变化一个周期，记录信号变化的周期数，便确定了 被测长度 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，要监视整个测量的过程
常用移相器种类 （1）机械法移相
通过倾斜参考镜形成等厚干涉条纹
（3）光学倍频 缺点： 调整困难，对光学元
件性能要求高，界面多导致光 能损失大，而且使光的偏振态 发生不应有的变化。
(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统 1.移相器
干涉条纹计数的要求： 能够判断方向；为提高分辨率，需要对干涉条纹进行细分。
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
干涉光强
I A 2 AB cos B
2
2
光的相位与走过的光程有关：
A cos(t ) B cos(t 0 2
光程差

nl )
ni li n j l j
i 1 j 1
N
N
通过测量干涉条纹的变化量，可直接获得l或n，还可直接获 得与l和n有关的各种被测信息
菲涅耳双棱镜干涉装置
梅斯林干涉装置
特点：存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾，一