实验三 激光干涉测量技术

实验三激光干涉测量技术
一、引言
激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。

区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。

二、实验目的
1．了解激光干涉测量的原理
2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法
3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合
4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧
三、实验原理
本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。

图1 泰曼－格林干涉仪原理图
泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A 分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。

能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。

若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。

当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。

不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。

如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。

引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为
即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当
时，P点为亮点，而当
时，P点为暗点。

如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角
的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀
照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。

从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变λ。

由于
测量镜M2移动l会带来2l的光程差则：
式中N为干涉条纹数。

因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量l。

测量灵敏为：当N＝1，则
（He-Ne激光），即
五、实验步骤
1、实验光路
图2 泰曼－格林干涉仪实验光路图
1－激光器2－衰减器3－定向孔4－反射镜5－扩束透镜6－准直透镜7－分束器8－组合工作台（夹持反光镜）9－组合工作台（夹持反光镜并带有平移台）10－成像物镜11－探测器
激光器1发出的激光（激光波长632.8nm ），经衰减器2（用于调节激光强度）后，由定向小孔3引导，经反射镜4进入扩束准直物镜5，6后，由分束器7(本实验中采用分光棱镜)分成二束光，分别由反射镜8（即图1中的M1），9（M2）反射后，两束光相遇形成干涉条纹并经成像物镜10（即图1中L2）将条纹成于光电探测器11上（本实验不加透镜10，并使用白屏代替光电探测器11）。

并且，随着组合工作台9上反射镜的前后移动，干涉条纹会随之移动，这样就可以实现微位移量的测量。

2、实验步骤
进入实验室后，首先要熟悉实验台所用到的仪器和光学元件，注意不要用手去触摸光学元件表面，并且要轻拿轻放，本实验不使用的器件应事先移开。

打开电源开关，点亮He-Ne激光器预热，并等待其光强稳定。

1．激光扩束。

在反射镜4的中间位置处，能够看到明亮的激光光斑，观察通过扩束透镜5后，出射光斑是否均匀，并经透镜6准直。

使用平晶检查准直质量。

2．正确安装分光棱镜7，注意分光棱镜的放置方向，使分得的两束光尽量能量相同。

在多功能试件夹8和组合工作台9上，分别装平面反射镜，使光线经过分光棱镜获得的反射光和折射光能够正常到达成像物镜10的位置。

3．调节工作台8，9上调平调向测微器，使二路反射光较好重合（在成像物镜10后焦面上，两反射光会聚的光斑重合），由于光线经过多次的反射和折射，聚焦光斑不容易调节至完全重合，所以要求实验者足够的熟悉调平调向测微器，以便得到较好的干涉条纹。

4．随着组合平台的螺旋测微器转动带动反光镜产生微小位移，引起了干涉条纹的移动，来测量微小位移量。

5．记录实验数据，并计算出微小位移量，进行适当的误差分析。

6．实验结束后，将所有设备的电源切断，并适当整理实验台。

实验数据记录表
测量位移量
(其中)
六、思考题
1、T－G干涉系统是什么类型的干涉条纹？简述其性质和干涉原理。

2、如果所得的干涉条纹有些弯曲，是什么因素造成的，应该如何消除？
3、条纹的间距大小可以调节吗？如何改变？。