《激光干涉测量技术》PPT课件

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1、激光测量技术LaserMeasurementTechnology第二章激光干涉测量技术§2.1激光干涉测量长度和位移一、干涉测长的基本原理激光干涉的条件1.频率相同2.相位差初始恒定3.振动方向相同（非正交）4.小于波列长度(Δτ≤1/Δυ）干涉数学表达式：设两路激光分别为E1=Acos(ωt+ϕ1)E2=Bcos(ωt+ϕ2)则合成有：E=E1+E2=Acos(ωt+ϕ1)+Bcos(ωt+ϕ2)=Acos(ωt+ϕ1)+Bcos(ωt+ϕ1−Δϕ)=Acos(ωt+ϕ1)+Bcos(ωt+ϕ1)cosΔϕ+Bsin(ωt+ϕ1)sinΔϕ=(

2、A+BcosΔϕ)cos(ωt+ϕ1)+BsinΔϕsin(ωt+ϕ1)=A'cos(ωt+ϕ1+Δϕ2)Δφ=φ1-φ2Δφ2=arctanA+BcosΔφABsinΔφA'=A2+2ABcosΔϕ+B2I∝A2+2ABcosΔϕ+B22πλ⎛2π⎞22⎝λnl)=2光的相位与走过的光程有关：Acos(ωt+ϕ)=Bcos(ωt+ϕ0−2πλnl)满足相干条件时有Acos(ωt+ϕ)=Bcos(ωt+ϕ0−I∝A+B+2ABcos⎜(n1l1−n2l2)⎟⎠条纹可见度M=Imax−Imin2ABImax+IminA+B2结论合成干涉光的光强是两

3、路光的光程差的余弦函数I∝A2+B2+2ABcosΔ当2πλNNΔ=∑nili−∑njlji=1j=1(n1l1−n2l2)=2kπ合成干涉光光强最大,光越亮2π当λ(n1l1−n2l2)=(2k+1)π合成干涉光光强最小,光越暗应用☆光强调制I∝cosΔ☆测量臂差测量明暗变化次数,可测量臂差☆测量折射率L均固定,只有一处折射率变化☆传感器通过物理量引起n或者L的变化,测出其变化，再经过处理，反演出物理量的变化n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即测量位移和长度NNΔ=∑nili−∑njlji=1j=1通过测量光强的变化的次数,测量某

4、臂的光程变化: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,要监视整个测量测量的过程以Michelson干涉仪为例:开始测量时，两束光的光程差为Δ1=2n(Lm−Lc)测量结束时，两束光的光程差为Δ2=2n(Lm+L−Lc)=2nL+Δ1光程差变化量dΔ=Δ2−Δ1=2nL移动距离L=Kλ2二、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

5、线1.干涉仪常用分束方法（1）分波阵面法（2）分振幅法（3）分偏振法（PBS）3.常用反射器（1）平面反射器（2）角锥棱镜反射器（3）直角棱镜反射器（4）猫眼反射器4.典型的光路布置布置原则:1)共路原则消除振动、温度、气流等影响2)考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素3）避免光返回激光器（1）使用角锥棱镜双角锥棱镜光路单角锥棱镜光路两半反半透镜一体化光路双光程光路（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（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

6、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，一个余弦变化常用移相器种类（1）机械法移相形成等厚干涉特点:简单条纹间距易变,使信号不完全正交属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。（2）阶梯板和翼形板移相属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响（3）金属膜移相原理：利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差的原理，在分光器的分光面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器优点是两光束受振动和大气扰动的影响相同，元件少，结构紧凑。两

7、反两透均一透一反缺点是两相干光束的光强不同，影响条纹对比度（4）分偏振法移相特点:结构较复杂不受大气影响,可靠2.干涉条纹的计数及判向原理当1324定义为正向当存在反向时1后边出现的应该是?所以只须判断第二和第四信号的脉冲次序即可由于相差为90度,一个计数对应的是0.25个波长所以L=Kλ/8,分辨率提高4倍,称为四倍频计数如何提高分辨率(细分)?=2三、条纹的对比度定义:明暗变化的比值M=Imax−Imin2ABImax+IminA+B21.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

8、度的因素:相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素如振动、热变性等四、应用举例1.激光比长仪2.激光跟踪干涉仪3.Renishaw新型