精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用 - 常見干涉儀原理及其應(yīng)用

?

干涉儀

–

利用光的干涉原理對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量的

儀器

–

早期用普通光源：受光源譜線寬度的限制(Kr86

相干長(zhǎng)度約700mm)

–

邁氏干涉儀、干涉顯微鏡、烏氏干涉儀等

?

激光干涉儀

–

激光器件及技術(shù)與干涉儀相結(jié)合的儀器

–

用激光作為光源：方向性、單色性、能量密度

→相干長(zhǎng)度、條紋對(duì)比度、信噪比

–

數(shù)字波面干涉儀、激光測(cè)長(zhǎng)儀、激光測(cè)振儀等

?

干涉儀系統(tǒng)的基本組成

–

光源及照明系統(tǒng)、干涉體系、觀察系統(tǒng)或光電

接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

?

干涉儀的應(yīng)用——根據(jù)光強(qiáng)的變化進(jìn)行測(cè)量

I

2

I

I

(n1L1

n2L2)

?

可直接檢測(cè)的量

–折射率、長(zhǎng)度……

?

可間接檢測(cè)的量

–幾何量：角度、面形(平面度、平直度、球度等）、粗糙度、膜

層厚度等。

–物理量：振動(dòng)、速度、加速度、力、應(yīng)變、溫度、光譜等等。幾乎所有幾何量和物理量的精密測(cè)試都可以用

干涉儀實(shí)現(xiàn)。圓

紋

光疏→光密時(shí)，反射光有π相位跳條紋

變，相當(dāng)于λ/2的光程突變–干涉條紋形liudongopt@

?

牛頓干涉儀

–偏差h？

rn2

(R

h)2

R2

rn2

R2-(R

h)2

=(R

R

h)(R

R

h)

=(2R

h)h

h

rn2/(2R)

半波損失：狀？

–

條

or直條紋or彎條紋？

–中心區(qū)域是明

or暗條紋？

I

I1

I2

2

I1I2

cos

精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用δR/n

(cm)17131925313743495561677379859197?

牛頓干涉儀

–檢驗(yàn)透鏡–條紋數(shù)量

?

VS波前誤差?

VS曲率半徑偏差精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用2.5

21.5

10.5

0R/D=1/(2sinθ)

liudongopt@每條條紋代表的曲率半徑誤差?

邁克爾遜干涉儀

–最基本的分振幅雙光束干涉儀

–擴(kuò)展光源，等傾干涉現(xiàn)象精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用注意：條紋移動(dòng)方向等光程時(shí)條紋的明暗

liudongopt@?

邁克爾遜(Michelson)干涉儀liudongopt@

擴(kuò)展光源時(shí)

補(bǔ)償板的作用精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用?

邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用

–長(zhǎng)度單位“米”的重新定義

–邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)

–引力波探測(cè)

–光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@sin2

0

1/2

sin2

0

1/2?

視場(chǎng)展寬邁克爾遜干涉儀liudongopt@

2n1d1cos

1

2n2d2cos

2

2[n1d1(1

2

)

n2d2(1

2

)

]

n1

n2精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

視場(chǎng)展寬邁克爾遜干涉儀

221n1

cos

cos

(2

2ncos

cos

2d3cos

3)

令

0

ndd

1

1

n2d2

d2

2

2n3

1

2?

菲索(Fizeau)干涉儀

–參考面后表面略傾斜(楔形)？

–物像共軛

–高精度參考面可用粘度大的液體精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@H

e

2

h

?

菲索干涉儀典型光路精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

菲索干涉儀典型代表——ZYGO干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

菲索干涉儀典型代表——ZYGO干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

菲索干涉儀典型光路精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

菲索干涉儀典型代表——ZYGO干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@F數(shù)：F/#==

fD

焦距口徑?

菲索干涉儀典型代表——ZYGO干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@32inch?

菲索干涉儀典型應(yīng)用——測(cè)量曲率半徑

–共焦位置、貓眼位置、精密導(dǎo)軌或測(cè)長(zhǎng)干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

菲索干涉儀典型應(yīng)用——球面面形

–共焦位置精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

泰曼-格林干涉儀

–單色光代替Michelson干涉儀中的擴(kuò)展光源精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

泰曼-格林干涉儀

–無(wú)需補(bǔ)償板

–鍍膜有要求精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

泰曼-格林干涉儀的典型應(yīng)用

–波前、面形、均勻性等檢測(cè)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@E

Acos[k

r

t]Test

part??????

=

????

·

??Wave

surface

(波面)Wave

line

(波線)?

泰曼-格林干涉儀的典型應(yīng)用

–檢測(cè)棱鏡、透鏡精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

泰曼-格林干涉儀的典型應(yīng)用

–經(jīng)典相移式激光Twymann-Green干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@liudongopt@

–球面檢測(cè)系統(tǒng)誤差校正

W0o

Wref

Wtest

Wsurf

W180o

Wref

Wtest

W

surf

Wfocus

Wref

Wtest

W

test

2

–該方法是否可用于菲索干涉儀中？

–還有什么其他方法進(jìn)行誤差校正嗎？精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

非球面通用化檢測(cè)干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Mach-Zehnder干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Mach-Zehnder干涉流場(chǎng)檢測(cè)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Mach-Zehnder干涉光纖傳感?

級(jí)聯(lián)M-Z干涉濾波器精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

納米光纖Mach-Zehnder干涉儀精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀

–內(nèi)表面反射率

–內(nèi)表面平面度

–內(nèi)表面間距T

[1

A/(1

R)]2

1

Fsin2

/

2精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀的典型應(yīng)用——光譜精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀的典型應(yīng)用——光譜精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀的典型應(yīng)用——激光縱模選擇?

自由光譜范圍

c2nhFSR

FSR1

R

R?

激光器輸出譜線寬度

v

精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀的典型應(yīng)用——HSRL光譜鑒頻精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀的典型應(yīng)用——HSRL光譜鑒頻Standardunknowns”resolutionNo

criticalMie

scattering

Rayleigh

scattering

Spectrum

of

lidar

backscatter

signal,

(a)

standard

backscatter

lidar,

(b)

additional

spectral

discrimination

in

HSRL

High-spectral-

backscatterlidar

C

“One

equation,

two

assumptions

r

Additional

spectral

discrimination

in

HSRL：

CF

P

F

a

a

m

m

a

m)]

rDong

Liu—Zhejiang

University—ISALSaRS'15

liudongopt@Tm:the

proportionalof

the

passedmolecular

signalTa:the

proportionalof

the

passedaerosol

signal精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

Fabry-Perot干涉儀的典型應(yīng)用——HSRL光譜鑒頻?

平行平板橫向剪切干涉儀

–優(yōu)點(diǎn)：

–沒有參考面，自干涉

–動(dòng)態(tài)范圍大

–靈敏度可調(diào)

–大部分屬共路系統(tǒng)–缺點(diǎn)：

–干涉圖判讀困難

–程序計(jì)算量大

–只對(duì)一維方向上的波前敏感精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用平行平板剪切量

橫向剪切波前l(fā)iudongopt@精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@平行平板剪切量橫向剪切波前半反射涂層平面反射鏡?

平行平板橫向剪切干涉儀衍生品

平面反射鏡

待測(cè)波前旋轉(zhuǎn)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@?

平行平板橫向剪切干涉儀?

原始波前：W(x,y)

D(x2

y2)

W(x,

y)

x?

平行平板橫向剪切干涉儀

–優(yōu)點(diǎn)：

–沒有參考面，自干涉

–動(dòng)態(tài)范圍大

–靈敏度可調(diào)

–大部分屬共路系統(tǒng)–缺點(diǎn)：

–干涉圖判讀困難

–程序計(jì)算量大

–只對(duì)一維方向上的波前敏感精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用平行平板剪切量

橫向剪切波前l(fā)iudongopt@?

徑向剪切干涉儀

?

優(yōu)點(diǎn)：????沒有參考面，自干涉動(dòng)態(tài)范圍大靈敏度可調(diào)對(duì)二維方向上的波前均敏感?

缺點(diǎn)：?

干涉圖判讀困難?

程序計(jì)算量大BA徑向剪切

干涉儀

待測(cè)波前精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用徑向剪切

波前

liudongopt@AB?

徑向剪切干涉儀的常用結(jié)構(gòu)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

rrcrore

D.

Liu,

Y.

Y.

Yang,

L.

Wang,

et

al.,"Appl

Optics

46,

8305-8314

(2007).

無(wú)需參考面

共路抗振體系

抗強(qiáng)激光結(jié)構(gòu)

高精度同步觸發(fā)

飛行體、風(fēng)洞高速流場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)?

點(diǎn)衍射干涉儀

點(diǎn)衍射原理獲得理想球面波

采用接近理想的衍射波前作為

參考波前檢測(cè)波

待測(cè)波前

點(diǎn)像彌散斑精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用

參考波針孔

吸收薄膜?

優(yōu)點(diǎn)：?

去除參考面質(zhì)量的限制?

共路或準(zhǔn)共路系統(tǒng)?

缺點(diǎn)：?

針孔的選擇和制造較困難?

干涉信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱

liudongopt@▼光學(xué)元件

面形檢測(cè)?

點(diǎn)衍射干涉儀的典型結(jié)構(gòu)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@干涉圖針孔板待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)衍射的參考波傾斜離焦透射的檢測(cè)波

光源