02--第二章-激光干涉测量技术(上)

激光测量技术LaserMeasurementTechnology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优点非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度应用范围可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动等方面的测量常用干涉仪迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪光波干涉条件关于稳定干涉条纹的理解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(Δτ≤1/Δυ）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图样时，就观察不到干涉现象了。)cos(11tAE干涉数学表达式设两路激光分别为)cos(22tBE则合成有)cos()cos(2121tBtAEEE)cos()cos(11tBtAsin)sin(cos)cos()cos(111tBtBtA)sin(sin)cos()cos(11tBtBA)'cos('1tA光的相位与走过的光程有关：)2cos()cos(0nltBtA22cos2BABAI212cos2'BABAA12φ=φ-φA+Bcosφφ'=arctanABsinφ其中干涉光强NjjjNiiilnln11光程差通过测量干涉条纹的变化量，可直接获得l或n，还可直接获得与l和n有关的各种被测信息§2.1激光干涉测量长度和位移一、干涉测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()(22211klnln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干涉仪为例:移动距离开始测量时，两束光的光程差为测量结束时，两束光的光程差为cmLLn211222nLLLLncm光程差变化量nLd2122KL测量过程中干涉条纹变化次数002nLdKn/0——激光光波在空气中的波长二、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：光源、分束器和反射器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干涉仪的瞳和窗成像光学仪器中，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。干涉仪中，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。干涉条纹的方向、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特点：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：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特点：对偏转将产生附加的光程差直角棱镜反射器猫眼反射器角锥棱镜反射器特点：可消除偏转将产生附加的光程差，抗偏摆和俯仰特点：只对一个方向的偏转敏感特点：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）光学倍频缺点：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判断方向；为提高分辨率，需要对干涉条纹进行细分。干涉条纹计数的要求：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。两反两透均一透一反优点：两光束受振动和大气扰动的影响相同，元件少，结构紧凑。缺点：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)?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.激光跟踪干涉仪Radian激光跟踪仪主要参数线性测量范围（直径）40米、100米、＞160米三种型号可选角度测量指标水平方向：640°（±320°）垂直方向：＋79°到－60°角度分辨力：±0.018角秒角度精度：3.5微米/米空间精度静态：±5ppm；最佳精度5微米动态：±10ppm（2Sigma）系统分辨力：0.1微米跟踪速度：＞6米/秒最大加速度：＞2g3.Renishaw新型单频激光干涉仪D1、D2、D3的信号分别为)1802cos()902cos()2cos(332211bababa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/sin221bSbS在仪器中查表可得到相位值4/tan21SSQWPRetro-reflectorPBSPBSQWPHWPBSD1D2D3D4He-NeLaserQWPRetro-reflectorPBSMeasuredmirror偏振干涉仪光学细分和移相优点: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4.激光小角度干涉仪原理:利用激光干涉测位移和三角正弦原理角锥棱镜2与反射镜5的作用: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Ⅰ和位置Ⅱ的光程差为α=arcsinH/RKL位移为441KLH则被测角度为改进: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测量范围：±1°以内，最大测量误差±0.05″为扩大量程，采用移动式转向反射镜，测量范围可达95°,测量精度±0.3″36傅立叶变换光谱仪【补】按照分光原理，光谱仪器可分为三类：棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉光谱仪基于干涉原理的典型光谱仪器：法珀干涉仪、傅立叶变换干涉仪法珀干涉仪的缺点：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缺点：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)(vIIvvI00002cos2cos)(vIdvvvI对于单色光谱：dvvII2cos)()(对于复色光谱：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。傅立叶变换光谱仪的优点：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）单频激光干涉仪的特点：§2.2激光外差干涉测量技术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；原因：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；原因：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之下，从而使仪器停止工作。解决方案：在某一光臂中引入一定频率的载波，被测信息通过载波传递：测量镜静止时，光电探测器的输出信号为载波频率的交流信号；测量镜运动时，输出信号的频率只在某一范围内增加或减少。使前置放大器可采用交流放大器，可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移，可在现场稳定工作。这种利用外差技术的干涉仪，称为外差干涉仪或者交流（AC）干涉仪优点：1、滤掉了背景噪声；2、滤掉了直流放大器的噪声。光学拍频原理：两个振幅相同、振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加也能产生干涉，这种特殊的干涉称为光学“拍”。塞曼效应和声光调制是实现光学“拍”的常用方法塞曼双频激光：两个旋转方向相反的左旋和右旋圆偏振光，振幅相同，频率相差很小，一般为1~2MHz。设左旋圆偏光频率为f1，右旋圆偏光频率f2，初始相位为零，振动方程分别为tatytatx1111cos)(sin)(tatytatx2222cos)(sin)(光束通过偏振方向与y轴平行的偏振片，则x方向分量被截止，y方向分量通过。按光波叠加原理，通过偏振片后的光场为ttatataty2cos2cos2coscos)(212121合成波的振幅为，则光强为ta2cos221合成波的强度随时间t在0~4a2之间作缓慢的周期变化，这种强度时大时小的现象称为“拍”，拍频为f1-f2。))(2cos(122cos42122122tffataI拍波信号空间传播示意图一、Zeeman双频激光干涉仪经B1反射透过检偏器P1被光电探测器D1接