第六章激光干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)ppt課件

1、 自從1802年楊氏Thomas Young首先用實(shí)驗(yàn)方法研究光的干涉現(xiàn)象以來，對(duì)光干涉的本質(zhì)及其應(yīng)用研究已延續(xù)近200年的歷史。激光的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)的發(fā)展給光干涉技術(shù)注入了新的活力，并已成為現(xiàn)代光學(xué)中一個(gè)重要的分支。激光干涉測(cè)量技術(shù)不僅被廣泛用于對(duì)物體長(zhǎng)度、角度、外形、位移等幾何量的測(cè)量，還可利用其測(cè)量原理對(duì)物理量如形變、速度、振動(dòng)等及光學(xué)系統(tǒng)特性如象差，光學(xué)傳遞函數(shù)等進(jìn)行測(cè)量。 一、激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基準(zhǔn)一、激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基準(zhǔn) 1975年召開的第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)年召開的第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)“要求國(guó)際計(jì)量要求國(guó)際計(jì)量局和各國(guó)研究所繼續(xù)對(duì)這些引起輻射指甲烷和碘穩(wěn)定的局和各國(guó)研究所繼

2、續(xù)對(duì)這些引起輻射指甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光波長(zhǎng)進(jìn)行研究氦氖激光波長(zhǎng)進(jìn)行研究”。 由于穩(wěn)頻技術(shù)的進(jìn)展，甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光波長(zhǎng)由于穩(wěn)頻技術(shù)的進(jìn)展，甲烷和碘穩(wěn)定的氦氖激光波長(zhǎng)值的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性都很高，因之有可能取代值的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性都很高，因之有可能取代86Kr的波的波長(zhǎng)而作為長(zhǎng)度的自然基準(zhǔn)。在長(zhǎng)而作為長(zhǎng)度的自然基準(zhǔn)。在1979年年6月召開的國(guó)際月召開的國(guó)際“米米定義咨詢委員會(huì)第六次會(huì)議上，已提出了一個(gè)定義咨詢委員會(huì)第六次會(huì)議上，已提出了一個(gè)“米定米定義的建議草案。建議將義的建議草案。建議將“米定義為米定義為“平面電磁波在平面電磁波在1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)在真空中傳播的距離秒的時(shí)間間

3、隔內(nèi)在真空中傳播的距離”。6-1 激光干涉測(cè)長(zhǎng)概述激光干涉測(cè)長(zhǎng)概述二、激光干涉儀的特點(diǎn)二、激光干涉儀的特點(diǎn) 激光干涉儀，除了具有經(jīng)典的邁克爾遜干涉測(cè)量系統(tǒng)的高激光干涉儀，除了具有經(jīng)典的邁克爾遜干涉測(cè)量系統(tǒng)的高精度，高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)。精度，高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)。 1實(shí)現(xiàn)了條紋計(jì)數(shù)自動(dòng)測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了條紋計(jì)數(shù)自動(dòng)測(cè)量。 2無需補(bǔ)償板。無需補(bǔ)償板。 3角錐棱鏡的優(yōu)點(diǎn)得到充分利用。角錐棱鏡的優(yōu)點(diǎn)得到充分利用。 由于角錐棱鏡在運(yùn)動(dòng)時(shí)即使有小的轉(zhuǎn)動(dòng)也不影響反射光軸由于角錐棱鏡在運(yùn)動(dòng)時(shí)即使有小的轉(zhuǎn)動(dòng)也不影響反射光軸的方向，從而大大降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)械精度要求。的方向，從而大大降低了

4、對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)械精度要求。 由于反射光束和入射光束是非共軸的，從而避免了反射光由于反射光束和入射光束是非共軸的，從而避免了反射光的干擾。的干擾。 4降低了對(duì)光闌的要求。降低了對(duì)光闌的要求。 由于激光單色性好、亮度高，所以，激光干涉系統(tǒng)對(duì)光闌由于激光單色性好、亮度高，所以，激光干涉系統(tǒng)對(duì)光闌的主要作用是減小激光器二次發(fā)散光束的影響和擋住背景雜散的主要作用是減小激光器二次發(fā)散光束的影響和擋住背景雜散光，它可安置在準(zhǔn)直光管物鏡的主焦點(diǎn)上。光闌的形式為小圓光，它可安置在準(zhǔn)直光管物鏡的主焦點(diǎn)上。光闌的形式為小圓孔?？住?5空氣折射率自動(dòng)測(cè)量與修正?？諝庹凵渎首詣?dòng)測(cè)量與修正。 一、基本測(cè)量公式一、基本測(cè)量

5、公式 邁克爾遜雙光束干涉儀測(cè)長(zhǎng)的公式為在真空中）邁克爾遜雙光束干涉儀測(cè)長(zhǎng)的公式為在真空中） （“增量法測(cè)長(zhǎng)）增量法測(cè)長(zhǎng)） 當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，上式變?yōu)楫?dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，上式變?yōu)?式中式中L為被測(cè)長(zhǎng)度，為被測(cè)長(zhǎng)度，n是空氣折射率，是空氣折射率，0是真空中的波是真空中的波長(zhǎng)，長(zhǎng)，N是干涉條紋明暗變化的數(shù)目。是干涉條紋明暗變化的數(shù)目。6-2 激光干涉儀設(shè)計(jì)激光干涉儀設(shè)計(jì) 2LN02nLN二、幾種典型的布局二、幾種典型的布局 1使用角錐棱鏡反射器的干涉系統(tǒng)。使用角錐棱鏡反射器的干涉系統(tǒng)。 （1圖圖a結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是反射光束不能反饋回激結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是反射光束不能反饋回激光器。缺點(diǎn)是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求

6、配對(duì)加工，而且光器。缺點(diǎn)是這種成對(duì)使用的角錐棱鏡要求配對(duì)加工，而且加工精度要求高。加工精度要求高。 （2圖圖b結(jié)構(gòu)只用一個(gè)角錐棱鏡作可動(dòng)鏡，鏡結(jié)構(gòu)只用一個(gè)角錐棱鏡作可動(dòng)鏡，鏡M1和和M3還能做成一體，如圖還能做成一體，如圖c所示。所示。 （3圖圖d的布局只用一個(gè)角錐棱鏡作動(dòng)鏡，已基的布局只用一個(gè)角錐棱鏡作動(dòng)鏡，已基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。所以本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。所以也叫做雙光程干涉儀系統(tǒng)。也叫做雙光程干涉儀系統(tǒng)。幾種典型布局幾種典型布局 2整體式布局。 這是一種將多個(gè)光學(xué)元件結(jié)合在一起，構(gòu)成一堅(jiān)固組件的布局結(jié)構(gòu)。如下圖。特點(diǎn)：系統(tǒng)對(duì)外界的抗干

7、擾性較好。缺點(diǎn)是調(diào)整不方便。該系統(tǒng)不僅多余自由度消除好，靈敏度也提高一倍。 整體式布局系統(tǒng)整體式布局系統(tǒng) 3光學(xué)倍頻的布局特倫系統(tǒng)）。 為了提高干涉儀的靈敏度，可以用光學(xué)倍頻也稱光程差放大器的棱鏡系統(tǒng)，如下圖。M1每移動(dòng)/2k就有一個(gè)干涉條紋的位移。在這種情況下，當(dāng)a作為棱鏡斜邊長(zhǎng)度時(shí)，M2對(duì)M1的位移為a/kk為正整數(shù)）。 特點(diǎn)：能用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)邏輯做精密測(cè)量，而無須依靠條紋細(xì)分，這種技術(shù)還使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，可使熱、空氣以及機(jī)械干擾減小。 光學(xué)倍頻系統(tǒng)光學(xué)倍頻系統(tǒng) 三、干涉條紋的對(duì)比度三、干涉條紋的對(duì)比度 1對(duì)比度的定義：對(duì)比度的定義： 式中：式中：IM和和Im分別為干涉條紋信號(hào)強(qiáng)度的極大

8、值和極分別為干涉條紋信號(hào)強(qiáng)度的極大值和極小值。小值。 當(dāng)當(dāng)k0.75時(shí)，對(duì)比度是好的。時(shí)，對(duì)比度是好的。 當(dāng)當(dāng)k0.5時(shí)，對(duì)比度是滿意的。時(shí)，對(duì)比度是滿意的。 當(dāng)當(dāng)k=0.1時(shí)，條紋可分辨，但很難使儀器正常工作。時(shí)，條紋可分辨，但很難使儀器正常工作。 2影響對(duì)比度的因素：影響對(duì)比度的因素： （1光源單色性對(duì)條紋對(duì)比度的影響光源單色性對(duì)條紋對(duì)比度的影響式中：式中：為光源譜線寬，為光源譜線寬，為光程差。為光程差。MmMmIIkIIsink 又知，光源的相干長(zhǎng)度為于是，只要干涉系統(tǒng)的光程差等于或小于光源相干長(zhǎng)度的四分之一，即以 代入對(duì)比度便可達(dá) 對(duì)于波長(zhǎng)=6328的激光，它的10-7埃。相干長(zhǎng)度理論

9、上可達(dá)40公里，因此，用激光作干涉儀的光源是可以得到很好對(duì)比度干涉條紋的。 （2光源的大小造成條紋對(duì)比度。 由此激光光束截面上的不同點(diǎn)，有確定的位相關(guān)系，所以激光光束截面上各點(diǎn)發(fā)出的光皆可產(chǎn)生干涉。因此，激光作干涉儀的光源，不受發(fā)光面積大小的限制。21sin40.94k144 （3兩支相干光，強(qiáng)度比的影響。 設(shè)干涉體系一支光路的光振動(dòng)為：E1=E0cost光強(qiáng)為它的k倍的另一支光路的相干光振動(dòng)為：合成光振動(dòng)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為合成光強(qiáng)度I于是，兩支光強(qiáng)不同引起的對(duì)比ki為：若取k=4，則Ki可達(dá)0.8。20cosEkEt1200iti tEEEE ekE e00002020112cositjti t

10、j tiiIE EE ekE eE ekE eEkk eeEkk21ikKk四、非期望光的抑制四、非期望光的抑制 那些不反映被測(cè)量的光就稱為非期望光線或雜光。消除非那些不反映被測(cè)量的光就稱為非期望光線或雜光。消除非期望的光線。采取的措施大致有以下幾種：期望的光線。采取的措施大致有以下幾種： （1設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少干涉體系光學(xué)零件的數(shù)目，以減少設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少干涉體系光學(xué)零件的數(shù)目，以減少不必要的反射面和產(chǎn)生非期望光線的機(jī)會(huì)。在不希望反射的界不必要的反射面和產(chǎn)生非期望光線的機(jī)會(huì)。在不希望反射的界面上鍍以增透膜，鏡筒、鏡框內(nèi)表面涂黑漆，以減低非期望光面上鍍以增透膜，鏡筒、鏡框內(nèi)表面涂黑漆，以減低非期

11、望光線的強(qiáng)度。線的強(qiáng)度。 （2析光鏡上常常產(chǎn)生非期望光線。析光鏡上常常產(chǎn)生非期望光線。析光板產(chǎn)生的非期望光線析光板產(chǎn)生的非期望光線 動(dòng)條紋：除了在析光板鍍膜面上分裂而成的兩條期望的相干光線1、2處，還可能產(chǎn)生光線3和4，其光強(qiáng)雖代于前者，若所形成條紋的間隔適當(dāng)還是足以察覺出來，它和期望的干涉圖樣一樣，也會(huì)隨著反射鏡的平移而運(yùn)動(dòng)。 靜止條紋：如析光板的楔角適當(dāng)，還會(huì)在干涉場(chǎng)上看到不隨反射鏡移動(dòng)而變的一組固定的干涉條紋。解決的辦法是加厚析光板或?qū)⑺瞥尚ㄐ危狗瞧谕饩€移向一邊而不能進(jìn)入干涉場(chǎng)。 （3在光路中適當(dāng)?shù)牡胤桨仓靡会樋坠怅@，擋去大部分非期望光線，讓沿著設(shè)計(jì)的路徑行進(jìn)的相干光線照常通過。針

12、孔光闌一般安置在透鏡的焦面上或高期光束的束腰位置上。還有許多阻擋非期望光線進(jìn)入干涉場(chǎng)的方法，如在接收元件前面加遮光罩和針孔，干涉體系自成密閉等。 （4光學(xué)零件表面的塵埃會(huì)產(chǎn)生衍射花樣，這種現(xiàn)象在激光束很細(xì)的地方更為嚴(yán)重，必須認(rèn)真做好光學(xué)元件的清潔工作。同理，對(duì)光學(xué)元件的表面質(zhì)量，材料的多項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均應(yīng)予以適當(dāng)提高。 （5用偏振的方法來消除非期望光線。 原理是：用偏振元件使沿著設(shè)計(jì)路徑行進(jìn)的光束能不受阻擋地進(jìn)入干涉場(chǎng)，而其他所有的非期望光線都被排除在干涉場(chǎng)之處。例如圖，光線入射到析光鏡2之前已被起偏振器1變成線偏振光，干涉場(chǎng)前面放置一個(gè)檢偏器7，并使它和起偏振器正交，因此，從干涉儀任何表面反射來

13、的光線都被檢偏器阻擋了，就連所期的兩束相干涉的光也不能通過7進(jìn)入干涉場(chǎng)，為此需要在反光鏡5、6前面安放一個(gè)光軸與入射偏振光成45的波片4，使反射前后光線的偏振方向旋轉(zhuǎn)90，于是所期望的光束就能通過檢偏器，而一切非期望光線則被排除在干涉場(chǎng)之外，稍稍轉(zhuǎn)動(dòng)波片，還能調(diào)節(jié)光束的強(qiáng)度，以平衡兩束相干光線的強(qiáng)度。這種偏振的方法在實(shí)踐中是非常有用的。用偏振的方法來消除非期望光線用偏振的方法來消除非期望光線 五、反射器五、反射器 各種反射器如圖所示，有平面反射鏡各種反射器如圖所示，有平面反射鏡1、直角棱鏡、直角棱鏡2、角、角錐棱鏡錐棱鏡3、三種貓眼系統(tǒng)、三種貓眼系統(tǒng)4和固定反射鏡與直角棱鏡的組合和固定反射鏡與

14、直角棱鏡的組合5。各種反射器各種反射器六、移相器六、移相器 干涉條紋屬增量碼，需要判向可逆記數(shù)。干涉條紋屬增量碼，需要判向可逆記數(shù)。 干涉條紋的移相就是為了判別動(dòng)鏡移動(dòng)的方向和倍頻的需要。干涉條紋的移相就是為了判別動(dòng)鏡移動(dòng)的方向和倍頻的需要。它是將干涉條紋用一定的方法分為二部分并使兩者的位相偏移它是將干涉條紋用一定的方法分為二部分并使兩者的位相偏移/2，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，這兩部分輸出的電信號(hào)的位相也偏移，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，這兩部分輸出的電信號(hào)的位相也偏移/2，可用這兩組信號(hào)來進(jìn)行判向和倍頻。下面介紹幾種常見的移相可用這兩組信號(hào)來進(jìn)行判向和倍頻。下面介紹幾種常見的移相方法。方法。 1翼形板和分象棱鏡組合

15、的移相。翼形板的形狀如圖，是翼形板和分象棱鏡組合的移相。翼形板的形狀如圖，是由兩厚度相等、材料相同的玻璃平板膠合而成，兩板夾角由兩厚度相等、材料相同的玻璃平板膠合而成，兩板夾角170，厚度厚度5mm翼形板在激光干涉比長(zhǎng)儀中是如圖方式安置的，即它翼形板在激光干涉比長(zhǎng)儀中是如圖方式安置的，即它被放在干涉光路測(cè)量光路或參考光路均可光束截面的下半被放在干涉光路測(cè)量光路或參考光路均可光束截面的下半部。使用時(shí)，以兩板的交棱為軸，適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)翼形板，使通過兩部。使用時(shí)，以兩板的交棱為軸，適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)翼形板，使通過兩板的光線彼此有板的光線彼此有/4的光程差。的光程差。翼形板及其安置方式翼形板及其安置方式 2狹縫移相當(dāng)

16、。在兩光電接收器前分別置兩狹縫，如圖，使兩狹縫相對(duì)移開1/4干涉條紋的距離，這樣通過兩狹縫的兩組干涉條紋就有/2的位相差。狹縫移相 3在析光鏡上鍍移相膜法。在析光鏡上鍍移相膜七、光電接收時(shí)的光電匹配問題七、光電接收時(shí)的光電匹配問題 光電匹配問題為兩個(gè)方面：一是我們?cè)谠O(shè)計(jì)原則時(shí)已討論光電匹配問題為兩個(gè)方面：一是我們?cè)谠O(shè)計(jì)原則時(shí)已討論過的光電匹配，是應(yīng)使激光器輸出的功率經(jīng)干涉系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)過的光電匹配，是應(yīng)使激光器輸出的功率經(jīng)干涉系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)器的光強(qiáng)正好是在該探測(cè)器輸出線范圍；另一方面是從信噪比器的光強(qiáng)正好是在該探測(cè)器輸出線范圍；另一方面是從信噪比出發(fā)，要求探測(cè)器的寬度出發(fā)，要求探測(cè)器的寬度b和條紋

17、的寬度和條紋的寬度e的比取的比取b/e=0.37為最為最佳。佳。八、方向判別與四倍頻計(jì)數(shù)八、方向判別與四倍頻計(jì)數(shù) 由于動(dòng)鏡在導(dǎo)軌上沿光軸移動(dòng)的過程中，存在各種偶然因由于動(dòng)鏡在導(dǎo)軌上沿光軸移動(dòng)的過程中，存在各種偶然因互的干擾例如外界振動(dòng)、導(dǎo)軌的平直度誤差以及機(jī)械傳動(dòng)系互的干擾例如外界振動(dòng)、導(dǎo)軌的平直度誤差以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定等），使動(dòng)鏡產(chǎn)生偶然的反向運(yùn)動(dòng)，這種偶然的反統(tǒng)的不穩(wěn)定等），使動(dòng)鏡產(chǎn)生偶然的反向運(yùn)動(dòng)，這種偶然的反向運(yùn)動(dòng)使計(jì)數(shù)器所顯示的脈沖數(shù)為正反向移動(dòng)的總數(shù)，而不是向運(yùn)動(dòng)使計(jì)數(shù)器所顯示的脈沖數(shù)為正反向移動(dòng)的總數(shù)，而不是真正的被測(cè)長(zhǎng)度，因此必然存在測(cè)長(zhǎng)誤差。為了解決這一問題，真正的被測(cè)

18、長(zhǎng)度，因此必然存在測(cè)長(zhǎng)誤差。為了解決這一問題，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大整形后，信號(hào)進(jìn)入一方向判別電路，該電路經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大整形后，信號(hào)進(jìn)入一方向判別電路，該電路把計(jì)數(shù)脈沖分成加、減二種脈沖，工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)引起的脈把計(jì)數(shù)脈沖分成加、減二種脈沖，工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)引起的脈沖為加脈沖、反向移動(dòng)時(shí)引起的脈沖為減脈沖、把這兩種脈沖沖為加脈沖、反向移動(dòng)時(shí)引起的脈沖為減脈沖、把這兩種脈沖分開后送入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。分開后送入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 方向判別電路的原理。先在干涉系統(tǒng)中應(yīng)用移相方法詳見后述將干涉條紋分為兩組且彼此位相偏移/2，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出的兩組光電信號(hào)也彼此有/2的位移偏移，這兩組光電信號(hào)分別經(jīng)放大、整形、倒相，變成四個(gè)位相依次差/2的矩形脈沖，再經(jīng)斯密特電路把波形變換成尖脈沖。當(dāng)工作臺(tái)正向移動(dòng)時(shí)，脈沖的排列為1、3、2、4 、1 ；反向移動(dòng)時(shí)，脈沖排列次序?yàn)? 、 4、2、3、 1，如下圖。在邏輯電路上可根據(jù)脈沖1的后面是1或4來判別正向加脈沖或反向減脈沖，并分別逆入加脈沖的“門