第二章-激光干涉测量技术详解课件.ppt
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1、激光测量技术Laser Measurement Technology第二章 激光干涉测量技术 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术测量,具有很高的测量和可用于等方面的测量迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪1.频率相同2.初始相位差恒定3.振动方向相同(非正交)4.光程差小于波列长度(1/)所谓稳定,是指肉眼或记录仪器能观察到或记录到条纹分布,即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。显然,如果干涉项远小于两光束光强中较小的一个,就不易观察到干涉现象;如果两束光的相位差随时间变化,使光强度条纹图像产生移动,且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器分辨不出条纹
2、图样时,就观察不到干涉现象了。)cos(11tAE设两路激光分别为)cos(22tBE则合成有)cos()cos(2121tBtAEEE)cos()cos(11tBtAsin)sin(cos)cos()cos(111tBtBtA)sin(sin)cos()cos(11tBtBA)cos(1tA光的相位与走过的光程有关:)2cos()cos(0nltBtA22cos2BABAI212cos2BABAA12=-A+Bcos =arctanABsin 其中NjjjNiiilnln11光程差通过测量干涉条纹的变化量,可直接获得 或,还可直接获得与l和n有关的各种被测信息一、干涉测长的基本原理一、干涉测
3、长的基本原理 合成干涉光光强最亮合成干涉光光强最弱当klnln2)(22211当)12()(22211klnln把目标反射镜与被测对象固联,参考反射镜固定不动,当目标反射镜随被测对象移动时,两路光束的光程差发生变化,干涉条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹,当被测对象移动一段距离时,该条纹明暗变化一次,光电探测器输出信号将变化一个周期,记录信号变化的周期数,便确定了被测长度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,要监视整个测量的过程以Michelson干涉仪:移动距离开始测量时,两束光的为测量结束时,两束光的为cmLLn211222nLLLLnc
4、m变化量nLd2122KL 测量过程中干涉条纹变化次数002nLdKn/0激光光波在空气中的波长二、干涉仪组成二、干涉仪组成1.激光干涉仪光路系统2.干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统3.机械系统(一)干涉仪光路系统主要包括:1.激光干涉仪常用光源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线2.激光干涉仪常用的分光方法(1)分波阵面法菲涅耳双面镜干涉装置中,入瞳大小决定了进入仪器光能量的多少,而窗的概念则和视场相联系。中,将光源或光源的像称为干涉仪的入瞳,观测干涉图样的屏幕称为出窗。的方向、形状、宽度、对比度、照度和干涉区域的深度仅取决于像空间的出瞳和出窗之间的相对位置。L
5、到P点的光程PLLLLPPLLLLP222111)()(光程差)()()()(212121PLPLLLLLLPLP)(21PLPL常数比累对切透镜干涉装置瑞利干涉仪洛埃镜干涉装置迈克尔逊测星干涉装置菲涅耳双棱镜干涉装置梅斯林干涉装置存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾,一般使用点光源,条纹非定域,实际使用较少。(2)分振幅法(3)分偏振法(PBS)平行平板分光器 立方体分光器双折射偏振分光偏振分光棱镜优点:优点:可使用扩展光源来获得较高的条纹亮度,同时又可获得较清晰的条纹。光栅衍射分光(4)衍射分光法-1级1级0级3.激光干涉仪常用的反射器平面反射器对偏转将产生附加的光程差直角棱镜反射器猫眼反射
6、器角锥棱镜反射器可消除偏转将产生附加的光程差,抗偏摆和俯仰只对一个方向的偏转敏感透镜和反射镜一起绕C点旋转,光程保持不变;容易加工,不影响偏振光的传输4.典型的光路布置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)整体布局抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力、灵敏度高一倍不方便、吸收严重(3)光学倍频调整困难,对光学元件性能要求高,界面多导致光能损失大,而且使光的偏振态发生不应有的变化。1.移相器(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统能够;为提高分辨率,
7、需要对干涉条纹进行细分。干涉条纹计数的: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)机械法移相通过倾斜参考镜形成等厚干涉条纹特点特点装置简单,但条纹间距易变,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。两反两透均一透一反两光束受振动和大气扰动的影响相同,元件少,结构紧凑。两相干光束的光强不同,影响条纹对比度(4)分偏振法移相结构
8、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1 3 2 4 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=K/8,分辨率提高4倍,称为四倍频计数如何提高分辨率(细分)?三、干涉条纹对比度三、干涉条纹对比度定义:明暗变化的比值 1.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22minmaxminmax2BAABIIIIM影响干涉条纹对比度的因素:光源的大小、光源的单色性、两相干光波的振幅比、偏振态、背景光、各种环境因素如振动、热变形等四、激光干涉测
9、长的应用四、激光干涉测长的应用1.激光比长仪通过光波干涉比长的方法来检定基准米尺2.Renishaw新型单频激光干涉仪D1、D2、D3的信号分别为)1802cos()902cos()2cos(332211bababa经过差分放大后sincos)(sincos)(2323221121bbaaSbbaaS调节运放消去直流分量,使交流幅值相等4/cos24/sin221bSbS在仪器中查表可得到相位值4/tan21SSQWPRetro-reflectorPBSPBSQWPHWPBSD1D2D3D4He-Ne LaserQWPRetro-reflectorPBSMeasured mirror偏振干涉仪
10、光学细分和移相 去掉直流分量和实现共模抑制;三个信号完全共路,有效地去掉了外界振动等噪声,保证了干涉仪低频稳定性3.激光小角度干涉仪 利用激光干涉测位移和三角正弦原理 使测量光束按原路返回,不产生光点的移动,保证干涉图形相对接收元件的位置保持不变。角锥棱镜在位置和位置的光程差为 =arcsin H/RKL位移为441KLH则被测角度为为消除偏心和轴系晃动等误差,并提高灵敏度,在对称直径位置上布置两个角锥棱镜1以内,最大测量误差 0.05 为,采用移动式转向反射镜,测量范围可达95,测量精度0.333傅立叶变换光谱仪【补补】按照分光原理,光谱仪器可分为三类:基于干涉原理的典型光谱仪器:法珀干涉仪
11、的:自由光谱范围小,需要与单色仪联合使用,分辨率高色散型光谱仪的:自由光谱范围大,但分辨率较低,为保证光谱分辨率,色散型光谱仪必需使用狭缝,这样导致光谱仪的分光本领减小,光谱仪检测的灵敏度降低。干涉仪产生的干涉条纹是光谱相干涉的结果,能否利用干涉条纹的信息去获得相干光谱的信息?也就是从分析干涉条纹得到参与干涉的光谱线的位置(波长)及其强度呢?光谱仪器把被研究的辐射分解为光谱,记录单条谱线的位置,并测量其强度。0000002cos2cos)(vIIvvI00002cos2cos)(vIdvvvIdvvII2cos)()(复色干涉图是单色干涉图的加合。由于零程差时各单色光的干涉强度都为极大值,其它
12、光程差时各单色光相长或相消,加合的结果形成一个中心突起并向两边迅速衰减的对称图形。能同时接收工作波段范围内的所有光谱,记录全部光谱时间与一般光谱仪器记录一个光谱分辨单位的时间相同,在不到1秒时间内完成全部光谱扫描。信噪比高,波长准确度高,分辨率高,杂散辐射低,以及光谱范围宽(从紫外、可见、近红外直到中远红外区)1.测量精度高,但前置放大器为直流放大器;2.对环境要求高,不允许干涉仪两臂光强有较大的变化;输出信号的频率随测量镜的运动速度而改变,当测量镜静止时,输出直流信号;干涉仪光强的变化总要以计数器的平均触发电平为中心对等分布,如果光强由于外界环境干扰引起变动,则干涉信号强度就可能落于触发电平
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