激光衍射测量和莫尔条纹技术.ppt

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1、11★衍射现象:光波在传播过程中遇到障碍物时偏离直线传播，绕到障碍物的几何阴影区的现象。光的衍射现象是来自同一波前不同点的子波干涉的结果。★两种类型的衍射现象：菲涅耳衍射夫琅和费衍射4.1激光衍射测量基本原理第四章激光衍射测量和莫尔条纹技术2菲涅耳衍射：当光源和衍射屛都离障碍物有限远时，也称近场衍射。夫琅和费衍射：当光源和衍射屛都离障碍物无限远时，也称远场衍射。夫琅和费衍射计算简单，用处较多，以后所讨论的均为此类衍射。33单缝衍射测量a.单缝衍射测量原理44衍射强度分布为:式中,是衍射角,是衍射角时的衍射强度。由上可知:1.衍射条纹平行于被

2、测狭缝。2.当时，衍射为暗条纹。55b.测量微小尺寸原理只要能精确地测出第K级暗条纹的，就能计算出狭缝宽度b。第K级暗条纹：零级条纹中心到第K暗条纹的距离，L：衍射屛到狭缝的距离。66当狭缝的尺寸微小变化b时，第K级暗条纹的位置将移动分别是第k个暗条纹在缝宽变化前和变化后距中央零级条纹中心的距离c.单缝衍射测量方法与应用间隙测量法条纹的变化数目N77间隙测量法的应用：可用于测定各种物理量的变化，如应变、压力、温度、流量、加速度等。88参考物和试件不在同一平面内分离间隙测量法99在P1处出现暗条纹的条件在P2处出现暗条纹的条件101011

3、基于巴俾涅原理互补测量法光波照射两个互补屏（一个衍射屏的开孔部分正好与另一个衍射屏的不透明部分对应，反之亦然。），所产生的衍射图样的形状和光强完全相同，仅相位差为。S为暗条纹间距；xk为k级暗条纹位置1212b值越小，波长越大，级次k越大，值越大。假设:那么:1.灵敏度：d.单缝衍射测量的技术特性如果的测量分辨率是1313狭缝b的测量误差为：2222)()()(kkkkxxkffxkxkfbdldldld++±=2.测量精度：假设测量,f和的测量误差分别为、f、考虑到环境干扰的影响,1414这意味着db的变化量可放大250倍。

4、但随着b的增大，放大倍数将急剧地减小。f的增大将受到仪器尺寸的限制。所以衍射测量的高测量精度只有在测量微小尺寸时才能够得到保证。这就决定了衍射测量的测量范围很小。3.测量范围：1515如果狭缝宽度太小(例如b=1m),光学透镜成象的近轴条件得不到满足，所以b不能太小。当b的范围为:161616圆孔半径aL衍射屏观察屏焦距f中央亮斑(爱里斑)1圆孔衍射装置示意图1.22(/D)sin01I/I0圆孔衍射的相对光强曲线衍射强度分布为：圆孔衍射测量171717夫琅和费圆孔（或圆屏）衍射决定了决定了望远镜、照相机、显微镜等光学仪器的分辨能

5、力。圆孔衍射图样光学仪器的分辨率1818光栅衍射测量具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射率）的衍射屏统称为光栅。光栅刻线也称为栅线，栅线间的距离叫做栅距（亦称光栅节距或光栅常数）。光栅分类：粗光栅（光栅常数d远大于照明光波长）和细光栅（d接近或稍大于照明光波长）；透射光栅和反射光栅；平面光栅和凹面光栅；黑白光栅和正弦光栅；一维光栅、二维光栅和三维光栅；直线光栅和圆光栅；物理光栅和计量光栅等。1919物理光栅：光栅刻线细密，工作原理是建立在衍射分光现象基础上，主要用途为光谱分析、波长测定，广泛应用于光谱仪和光通信中。光栅光谱仪装置图

6、光栅型波分复用器的结构示意图计量光栅：光栅刻线较粗，工作原理是莫尔条纹现象，主要用于位移的精密测量和控制。2021211、莫尔条纹起源2、1874年，英国物理学家瑞利首次将莫尔条纹作为一种计量测试手段，开创了莫尔测试技术。3、光栅莫尔条纹法：利用计量光栅元件产生莫尔条纹的计测方法。4、可测量角度、长度、振动等。5、在自动跟踪、轨迹控制、变形测试、三维物体表面轮廓测量等方面有广阔的应用。4.2莫尔条纹测试技术22221、遮光原理：一块光栅的不透光线纹对另一光栅缝隙的遮挡作用。2、衍射干涉原理：衍射波之间的干涉结果3、傅里叶变换原理：光栅副透射

7、光场分解为不同空间频率的离散分量，莫尔条纹由低于光栅频率的空间频率项所组成。光栅条纹较疏的可直接用遮光原理来解释；而光栅条纹较密的用衍射干涉原理来解释更为恰当；而傅立叶变换原理是一种广义的解释。莫尔条纹的形成23231、遮光原理：几何法--莫尔条纹宽度公式2424两块光栅的交角很小：以莫尔条纹对于Y轴的夹角表示其方位：两块光栅节距相等时，莫尔条纹垂直于栅线交角的角平分线。2525序数方程法A光栅的栅线序列为i＝0，1，…,B光栅的栅线序列为j＝0，1，…,两光栅的栅线交点用[i,j]来表示K=j-i:莫尔条纹。A光栅的栅线方程B光栅栅线

8、的斜率2626B光栅任意一栅线j与x轴交点（0，j）的坐标:由点斜式求出B光栅栅线方程:对应于某一k值的莫尔条纹方程:2727莫尔条纹的宽度w及其对y轴的夹角：2828（a）横