激光干涉测量技术

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。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相同点联成的轨迹。而光程差△是干涉仪两支光路光程之差，可用下式表示‹#›式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li，lj分别为干涉仪两支光路的几何路程差。若把被测件放入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条纹的变化量，便可直接获得l或n，还可间接获得l或n有关的各种被测信息。‹#›激光干涉测量长度和位移激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是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，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次．光电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。以迈克尔逊干涉仪为例，设在测量开始时，一束激光经分光器B被分成两束，它们经参考反射镜M1和目标反射镜M2后沿原路返回，并在分光点O处重新相遇，两束光的光程差式中n为空气的折射率，Lm为目标反射镜M2到分光点O的距离。Lc为参考反射镜M1到分光点O的距离。测量结束时。目标反射镜M2移过被测长度L后，处于M2’的位置。此时两光束的光程差‹#›迈克尔逊干涉仪测长示意图在测量开始和结束这段时间里，光程差的变化量光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一次，则测量过程中与d△相对应的干涉条纹变化次数式中，λ0为激光光波中心波长‹#›测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被测长度L。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开始时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测长度L相对应的条纹数K。可把上式改写为式中，λ=λ0／n，λ是激光光波在空气中的波长。激光干涉测长仪的主要结构•激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器，输出的是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措施；•迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件）•可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动；•光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数；•显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数或与之对应的长度；•光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号；‹#›激光干涉测量仪的主要部分有：激光干涉仪系统、干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统及机械系统。(一)干涉仪系统干涉仪系统主要包括光源、分束器和反射器。1.激光干涉仪常用光源因为He-Ne激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以连续激励的方式运转，在可见光和红外光区域里可产生多种波长的激光谱线，所以，He-Ne激光器特别适合作相干光源；2.干涉仪将一束光分为两束或几束的方法(1)分波阵面法激光器发出的光经准直扩束后，得到一平而光波的波阵面。利用有微小夹角的两反射镜Ml和M2(菲涅尔双面镜)的反射，将光波的波阵面分为两部分，然后使二者在屏幕P相遇，在屏上出现明暗相间的干涉条纹，如下图(a)所示。(2)分振幅法把一束光分成两束以上的光束，它们全具有原来波的波前，但振幅减小了。如迈克尔逊干涉仪。常用的分光器有：平行平板分光器和立方体分光器．如下图(b)所示二、测量系统组成‹#›(a)分波阵面法；(b)分振幅法‹#›(c)分偏振法‹#›(3)分偏振法在偏振干涉仪系统中需要采用偏振分光器，它由一对玻璃棱镜相胶合而成，在其中一块棱镜的胶合面上交替蒸镀氟化镁和硫化锌膜层。入射光以布儒斯特角进入介质层，经多次透射和反射得到高偏振度的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶轴正交的偏光棱镜组成，如渥拉斯顿棱镜，如上图(c)所示。3.干涉仪中常用的反射器(1)平面反射器偏转将产生附加的光程差，在采用多次反射以提高测量精度的系统或长光程干涉仪中，此项误差不可忽略；(2)角锥棱镜反射器如下图(a)所示，它具有抗偏摆和俯仰的性能，可以消除偏转带来的误差，是干涉仪中常用的器件。(3)直角棱镜反射器如下图(b)所示，它的三个角分别为45◦、45◦、90◦，光入射在斜面上。它只有两个反射面，加工起来比较容易，并只对一个方向的偏转敏感。对于垂直人射面的平面偏振光不受干扰。‹#›(4)“猫眼”反射器如下图(c)所示，它由一个透镜L和一个凹面反射镜M组成、反射镜放在透镜的主焦点上，从左边来的入射光束聚焦在反射镜上，反射镜又把光束反射到透镜，并沿与入射光平行的方向射出(与反射镜的曲率无关)。若反别镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射镜一起绕C点旋转时，光程保持不变：“猫眼“反射器的优点是容易加工和不影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也可考虑用平面反射镜代替凹面反射镜，这样更容易加工和调整。‹#›4．典型的光路布局在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从不同角度考虑的典型光路布局。(1)使用角锥棱镜反射器这是一种常用的光路布局，如下图(a)所示，图中角锥棱镜可使入射光和反射光在空间分离一定距离，所以，这种光路可避免反射光束返回激光器。激光器是一个光学谐振腔．若有光束返回激光器将引起激光输出频率和振幅的不稳定。角锥棱镜还具有抗偏摆和俯仰的件能，可以消除测量镜偏转带来的误差。图(a)所示光路的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。故常采用一个作为可动反射镜。参考光路中用平面反射镜B作固定反射镜。使用一个角锥棱镜作可动反射器还可采用其他几种光路。图(b)中，镜Ml和M3上都镀有半反半透膜，M1用作分光器，参考光束经M1反射后在镜M3与测量光束迭加，产生干涉。Ml和M3还能做成一体，如图(c)所示。‹#›‹#›只用一个角锥棱镜反射器作动镜还可以组成图(d)所示的双光束干涉仪，它也是一种较理想的光路布局，基本上不受镜座多余自由度的影响，而且光程增加一倍。(2)整体式布局这是一种将多个光学元件结合在一起，构成一坚固的组合结构的布局。如右图所示，立方体分光器上蒸镀了其他元件。整个系统对外界的抗干扰性较好，抗动镜多余自由度能力强，测量灵敏度提高一倍。但这种布局调整起来不方便，对光的吸收较严重。1.立方体分光器;2.移动反射镜‹#›(3)光学倍频布局为提高干涉仪的灵敏度，可使用光学倍频(也称光程差放大器)的棱镜系统，如下图所示。角锥棱镜Ml每移动kλ/2干涉条纹便发生一次明暗交替变化，k为倍频系数，图中k＝6。利用光学倍频的干涉系统能用简单的脉冲计数做精密测量，而无需进行条纹细分，这种技术还可使干涉仪结构紧凑，减小温度、空气及机械干扰的影响。‹#›(4)零光程差的结构布局在干涉仪中，为使初始光程差不随环境条件的变化而变化，常采用参考臂Lc和测量臂Lm相等，并使两臂布置在仪器同一侧的结构形式。此时，干涉仪的初始光程差Lm-Lc=0，即所谓的零光程差结构形式，如图所示。这种结构布局可以提高干涉仪的测量精度。(a)测量时测量光路光程增加；(b)测量时测量光路减小‹#›(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统1．移相器激光干涉仅采用光电子计数时，为了判别可动目标反射镜的前进和后退，仪器必须能够进行可逆计数。另外，为了提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90◦的电信号输出，一个按光程的正弦变化，一个按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有以下几种。(1)阶梯板利翼形板移相下图是阶梯板移相光路图。在反射镜MI的半边蒸镀一层厚度为d的透明介质，使其造成λ/8屈的阶梯，使光束的左右两半边产生λ/4的初程差。当两光电接收器Dl和D2同时对准狭缝中心时，便能获得相移为π/2的信号输出。翼形板移相的原理与阶梯板移相相同，常安放在参考光束一侧。冀形板由一块加工十分精密的平行玻璃平板截成两块，在它们的一端磨出所需的倾角θ/2．然后按图所示胶合成冀形板。当光束两次通过翼形板时，θ角可按下式计算：‹#›采用阶梯板或翼形板移相容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。翼形板结构图阶梯板移相光路图‹#›(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，如图所示。它的移相程度取决于镀层的厚度及其组成。铝膜可以移相70◦-90◦、金银合金膜的稳定性比铝膜好。在图中，光路2中产生干涉的两束光均经过金属移相膜的一次透射和一次反射，光电接收器接收的是位相相同的两束激光所形成的干涉条纹。而在光路1中产生干涉的两束光，一束是经过金属移相膜的两次反射，另一路则经过两次透射。若金属移相膜使反射光束和透射光束产生45◦位相差，则光电接收器接收的是位相差为90◦两束光的干涉信号。这样，两个光电接收器接收的信号位相差为90◦。这种移相方法的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。其缺点是两相干光束的光强不同，影响条纹对比度，改善办法是在光束强的反射器前放一块吸收滤光片，使两束光强接近一致以提高对比度。‹#›金属膜移相光路图机械法移相原理图‹#›(4)分偏振法移相右图是分偏振法移相的光路图。输入光束是与垂直入射面成45◦角的平面偏振光，由分光器和活动反射器反射后，信号光束的输出还是45◦的平面偏振光，因此，它的垂直和水平分量位相相同。在参考光路中加入1/4波片后使参考光变成圆偏振光，它的垂直和水平分量位相差为90◦光束会合后用一个渥拉斯顿棱镜使垂直分量和水平分量分开，给出两个干涉条纹，它们的位相差为90◦‹#›偏振光学与器件自然光没有优势方向自然光的分解光是横波，电矢量的振动在垂直于传播方向的平面内偏振光的获得是光学应用的基础‹#›偏振光学与器件E播传方向振动面·面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyExyxsincosEEEEyx‹#›右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光yyxz传播方向/2xE某时刻右旋圆偏振光E随z的变化0圆偏振光,椭圆偏振光‹#›偏振片的起偏•偏振片·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··•偏振片的起偏从自然光获得偏振光自然光I´线偏振光IP偏振化方向(透振方向)···II21起偏的原理:利用某种形式的不对称性,如（1）物质的二向色性，（2）散射，（3）反射和折射，（4）双折射….我们研发各种偏振片和延迟器件‹#›象折射现o光方解石晶体CaCO3双e光纸面折射现‹#›光光当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转双折射纸面方解石晶体‹#›晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。例如，方解石晶体AB光轴102°•光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体‹#›寻常光(o光)、非常光(e光)oe入射光束晶体观察屏ABCDoeoei晶体的双折射产生双折射现象的根本原因是晶体光学性质的各向异性.‹#›利用双折射获得线偏振光1.尼可尔棱镜68ACNM906848······A