激光干涉测量技术(合肥工业大学)

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(t+1)E2=Bcos(t+2)则合成有：E=E1+E2=Acos(t+1)+Bcos(t+2)=Acos(t+1)+Bcos(t+1)=Acos(t+1)+Bcos(t+1)cos+Bsin(t+1)sin=(A+Bcos)cos(t+1)+Bsinsin(t+1)=A'cos(t+1+2)Δφ=φ1-φ2Δφ2=arctanA+BcosΔφABsinΔφA'=A2+2ABcos+B2IA2+2ABcos+B22222nl)=2光的相位与走过的光程有关：Acos(t+)=Bcos(t+02nl)满足相干条件时有Acos(t+)=Bcos(t+0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路光的光程差的余弦函数IA2+B2+2ABcos当2NN=nilinjlji=1j=1(n1l1n2l2)=2k合成干涉光光强最大,光越亮2当(n1l1n2l2)=(2k+1)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NN=nilinjlji=1j=1通过测量光强的变化的次数,测量某臂的光程变化: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1=2n(LmLc)测量结束时，两束光的光程差为2=2n(Lm+LLc)=2nL+1光程差变化量d=21=2nL移动距离L=K2二、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新型单频激光干涉仪4.激光小角度干涉仪H=k4=arcsinHRH=k8=arcsinHR小角度测量仪:测量范围一般在±1°以内，最大测量误差±0.05″,采用下图,可达95°,测量精度±0.3″§2.2激光外差干涉测量系统传统干涉测量系统的特点1.测量精度高，前置放大器为直流放大器2.对环境要求高，不允许光强有较大的变化3.抗干扰能力差，一般工作在恒温、防震条件下•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，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•解决：1、滤掉了背景噪声2、滤掉了直流放大器的噪声一、Zeeman双频激光干涉仪Bsin(t+)(t(1E=E1+E2=Acos(1t+1)+Bcos(2t+2)=Acos(1t+1)+Bcos(1t+1t(12)t(12))=Acos(1t+1)+Bcos(1t+1)cos+)+Bsin(t+1)sint+)=(A+Bcos(t+))cos(1t+1)+Bsin(t+)sin(1t+1)=A'cos(1t+1+3)Δφ=φ1-φ2=1-23=arctanA+Bcos(t+)A'=A2+2ABcos(t+)+B2IA2+2ABcos(t+)+B2+0t2、测量臂由于M2的运动由Doppler效应知：f=2vcf=2vλ测量镜移动距离L为L=+0tvdt=+0t2fdt=t2+0fdt=2N其中N=fdt=tf0t为记录下来的累计脉冲数电路静态频率f1f2动态频率f1f2±f为不失真，应满足f1f23fZeeman：频差1.5-1.8MHz允许测量速度约为150mm/s测量角度1t0t00测量空气折射率fn=2vcfv=Ldn/dtfn=2L0dn/dt+0tfndt=+nm2L0dnnm1=2L+0fndt=02Lft=2LN2.2.2声光调制双频外差干涉仪1.声光调制器2.声光调制双频外差测振仪§2.4激光全息干涉测量系统全息的来源:1948年盖伯(D.Gebar)提出用一个合适的相干照射全息图，透射光的一部分就能重新模拟出原物的散射波前，于是重现一个与原物非常逼真的三维图像。1960年激光的出现促进了全息照相术的发展，全息术得到了不断完善，为此他荣获1971年诺贝尔物理学奖应用:全息测量系统全息存储全息防伪无损检测全息电影每毫一、全息技术的基本原理其过程分：1、全息图的记录2、物光波再现1、全息图的记录普通照相：记录了光的光强和颜色（频率）每毫米只能记录50～100个条纹记录介质：银化物全息图：记录了波前信息：光强及相位米记录1000个以上条纹记录介质：卤化银乳胶和重铬酸盐乳胶0设物光：E0=A0ejΦ0则干板前的光强和相位分布应该为x、y的函数即E0=A0（x，y）ejΦ（x，y）参考光束：平面波E0=ArejΦrΦr=2πsini/λy所以:E0=ArejΦr=Arejay0r所以干板上的光强分布:I(x,y)=(E0+Er)(E*+E*)=Ar2+A02(x,y)+ArA0(x,y)ej(ay-j(x,y))+ArA0(x,y)e-j(ay-j(x,y))=Ar2+A02(x,y)+2ArA0(x,y)cos(ay-j(x,y))Ar固定和参考光相位ay是已知规律变化的所以:干板记录的信息主要是记录了物光的光强及相位信息经过一定时间的照射,完成曝光,然后把干板取下,经显影、定影、制成全息底片以上过程称为全息记录2.物光波再现全息底片的透射率是t（x，y）是记录过程时曝光光强的非线性函数，取线性部分，则有重新复位全息底片，并去掉物体及物体照射光束22+2222e3Ee(x,y)=t(x,y)Er=m(Ar+A0(x,y)+ArA0(x,y)ej(ay-φ0(x,y))ArA0(x,y)e-j(ay-φ0(x,y)))Arejay=m(Ar+A0(x,y))Are+mAr2A0(x,y)ejφ0(x,y)j2ay-jφ0(x,y)+mA0(x,y)Arejay101.参考光的透射光束幅度被物光调制，方向不变m(Ar2+A02(x,y))Arejay2.与物光光波相同的透射光波Ar2A0(x,y)ejφ0(x,y))方向不变，光强变化mAr2倍3.与2共轭的汇聚光波方向与2共轭，光强变化mAr2mA0(x,y)Ar2ej2aye-jφ(x,y)倍，相位叠加了一线性值3.全息干涉条纹的调制度I(x,y)=Ar2+A02(x,y)+2ArA0(x,y)cos(ay-j(x,y))=Ar2+A02(x,y)[1+2ArA0(x,y)M=Ar2+A02(x,y)2ArA0(x,y)Ar2+A02(x,y)cos(ay-j(x,y))]物光对参考光的相位和幅值进行了调制M成为振幅调制度，0≤M≤1当严格按照余弦分布，也称条纹对比度4.全息技术对光源的要求同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出；具有为满足光束的干涉和衍射所必须的时间相干性和空间相干性••••全息照相的特点:三维立体图（或四维）彩色图片，永不变颜色不可撕毁性（冗余度大）一次拍摄，可以得到两个图像（原始像和共轭象）单纯的全息技术应用:1、全息图像显示：照片；图片；邮票；书籍、杂志的封皮与插页等2、包装、装潢和防伪：产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；装潢；人民币；银行卡；居民身份证等3、全息元件：光栅；透镜；波带片等。4、光学信息处理技术：图像识别；图像的消模糊和边缘增强;图像的假彩色编码。5、全息存储：①存储容量大②记录速度快③记录信息不易丢失（冗余好）④便于长期保存⑤便于拷贝Inphase公司的全息存储器二、全息干涉测量技术单纯的全息照相技术,不能提供测量信息,但全息底片记录了物光的某一状态的波前信息,可以与新的物光信息形成干涉,可以利用干涉测量的技术,今行测量分析工作1965年R.Powell和K.Stetsen提出,把干涉测量和全息技术相结合,进行一些测量工作。常用的测量方法主要有:1.实时法2.二次曝光法3.时间平均法1.实时法一次全息图制作→复原安装→再现对准应用:实时观察不同条件下的变形情况,如温度\压力\内部情况特点:1.只需一次制作全息底片2.方便,节省时间,特别适合透明介质的一些现象3.复位精度要求高4.使用时间短,条件要求高,乳胶易收缩变形,产生附加条纹2.二次曝光法原位曝光/遮光→物体发生变化→再次曝光→显影/定影→显示观察应用:瞬态现象研究,如冲击波、流体、燃烧等特点：不需要高复位精度不需要监视变化整个过程原位完成所有过程，引入误差小形成干涉条纹主要有变形和激光频率变化引起，应尽量激光频率变化3.时间平均法注意:曝光时间远大于振动的周期常用于振动模式分析全息干涉测量的特点项目优点干涉技术简单、光滑表面单点或多点测量全息干涉测量任意形状、对表面几乎无要求三维表面需要全程检测过程可仅比较起始和终了两个时刻的状态缺点范围大，小