第六章 激光干涉测长技术

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1、第六章激光干涉测长技术自从1802年杨氏（ThomasYoung）首先用实验方法研究光的干涉现象以来，对光干涉的本质及其应用研究已延续近200年的历史。激光的出现和计算机技术，微电子技术的发展给光干涉技术注入了新的活力，并已成为现代光学中一个重要的分支。激光干涉测量技术不仅被广泛用于对物体长度、角度、形状、位移等几何量的测量，还可利用其测量原理对物理量（如形变、速度、振动等）及光学系统特性（如象差，光学传递函数）等进行测量。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

2、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”。§6-1激光干涉测长概述二、激光干涉仪的特点激光干涉仪，除了具有经典的迈克尔逊干涉测量系统的高精度，高灵敏度等优点外，还具有以下特点。1．

3、实现了条纹计数自动测量。2．无需补偿板。3．角锥棱镜的优点得到充分利用。由于角锥棱镜在运动时即使有小的转动也不影响反射光轴的方向，从而大大降低了对运动导轨的机械精度要求。由于反射光束和入射光束是非共轴的，从而避免了反射光的干扰。4．降低了对光阑的要求。由于激光单色性好、亮度高，所以，激光干涉系统对光阑的主要作用是减小激光器二次发散光束的影响和挡住背景杂散光，它可安置在准直光管物镜的主焦点上。光阑的形式为小圆孔。5．空气折射率自动测量与修正。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）（“增

4、量法”测长）当介质为空气时，上式变为式中L为被测长度，n是空气折射率，λ0是真空中的波长，N是干涉条纹明暗变化的数目。§6-2激光干涉仪设计二、几种典型的布局1．使用角锥棱镜反射器的干涉系统。（1）图（a）结构的主要特点是反射光束不能反馈回激光器。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。（2）图（b）结构只用一个角锥棱镜作可动镜，镜M1和M3还能做成一体，如图（c）所示。（3）图（d）的布局只用一个角锥棱镜作动镜，已基本上不受镜座多余自由度的影响，而且光程增加一倍。所以也叫做双光程干

5、涉仪系统。几种典型布局2．整体式布局。这是一种将多个光学元件结合在一起，构成一坚固组件的布局结构。如图所示。特点：系统对外界的抗干扰性较好。缺点是调整不方便。该系统不仅多余自由度消除好，灵敏度也提高一倍。整体式布局系统3．光学倍频的布局（特伦系统）。为了提高干涉仪的灵敏度，可以用光学倍频（也称光程差放大器）的棱镜系统，如图所示。M1每移动λ/2k就有一个干涉条纹的位移。在这种情况下，当a作为棱镜斜边长度时，M2对M1的位移为a/k（k为正整数）。特点：能用简单的脉冲计数逻辑做精密测量，而无须依靠条纹细分，

6、这种技术还使干涉仪结构紧凑，可使热、空气以及机械干扰减小。光学倍频系统三、干涉条纹的对比度1．对比度的定义：式中：IM和Im分别为干涉条纹信号强度的极大值和极小值。当k≥0.75时，对比度是好的。当k≥0.5时，对比度是满意的。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：（1）光源单色性对条纹对比度的影响式中：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，即以代入对比度便可达对于波长λ=6328Å的激光，它

7、的Δλ<10-7埃。相干长度理论上可达40公里，因此，用激光作干涉仪的光源是可以得到很好对比度干涉条纹的。（2）光源的大小造成条纹对比度。由此激光光束截面上的不同点，有确定的位相关系，所以激光光束截面上各点发出的光皆可产生干涉。因此，激光作干涉仪的光源，不受发光面积大小的限制。（3）两支相干光，强度比的影响。设干涉体系一支光路的光振动为：E1=E0cosωt光强为它的k倍的另一支光路的相干光振动为：合成光振动的复数表达式为合成光强度I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。四、非

8、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。（2）析光镜上常常产生非期望光线。析光板产生的非期望光线●动条纹：除了在析光板镀膜面上分裂而成的两条期望的相干光线1、2处，还可能产生光线3和4，其光强虽代于前