光电测试技术激光外差干涉
激光外差干涉
激光外差干涉测位移15测控（3+2）蒋炜2015430340007激光外差干涉：由光学系统接收到的分为两束具有频率差、方向相反的偏振光F1和F2.经过1/4波片后成为两个相互垂直的线偏振光，激光经过分光镜分成两路，其中一束经过透射后射向光电探测器，其频率为fs，成为信号光束；另一个稳频激光器输出的一束激光也经过分光镜分为两束，其中一束经过分光镜反射后射向光电探测器，并称为本机振荡光束。
路经过偏振片1后频率为f1-f2，作为参考光束，另一路经偏振分光镜后又分为两路分别仅含f1和f2的光束。
当可移动反射镜发生位移变化时，仅含f2的光束经过可移动反射镜后成为含有的光束。
为多普勒频移量，包含可移动反射镜的位移信息。
这路含有的光束由固定反射镜的反射回来的仅含f1的光束经过偏振片2汇合频率为f1-（f2），作为测量光束。
当这两书光束满足干涉条件时，在两束光经过各自的传播轨迹后在分光镜下面发生干涉，（在无线电中叫做混频，在这里称为光混频），光电探测器只能响应直流分量和差频（Fs-Fl）分量（也称中频Fif）。
用一个中频放大器选出差频分量，于是输出端得到正比于差频分量的光电流。
在经过信号处理可以测出Fif=Fs-Fl的值。
因为Fl是已知的，所以测出Fif也就等于知道了Fs。
外差探测实质上就是两束相干光干涉的测量。
在干涉仪中，测量光的光程变化量是移动镜位移量的2倍，由光速c。
移动镜的移动速度v，得到多普勒频移量为激光的波长值为,频率的时间积分为周期数N，则移动镜的位移量为光电探测器R与M处接收光的相位差与频移差关系为双频激光干涉仪通过频率的变化测量位移,位移变化量只与频差f1-f2或相位差相关,频差f1-f2为固定值且为交流信号,不会产生直流电平漂移现象,所以抗干扰能力强,常应用于高精度测量系统中。
一：光路图：光频外差探测器光路结构二：光电转换部分光电转换部分的主要器件就是光电检测器。
可以将光强信号转换为相应的电信号。
光电测试技术-第4章 激光干涉测试技术
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§4-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 小结： 对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普
遍原因是：
光源的时间相干性； 光源的空间相干性； 相干光束的光强不等； 杂散光的存在； 各光束的偏振状态差异； 振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。
概述：
光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统的检验中 获得广泛应用。
在光学零件面型、平行度、曲率半径等的测量中，斐索 型干涉测量法与在光学车间广泛应用的牛顿型干涉测量 法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于非接触测量。
接触测量存在以下问题：①标准样板与被测表面必须十 分清洁；②清洁工作多拿在手中擦试，由于体温的影响， 影响测试准确度；③样板有一定重量压在被测表面上， 必然会产生一定的变形，尤其是对大平面零件。
2019/10/23
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①使参考光束只通过被检光学系统
§4-1 激光干的涉小部测分试区域技，术因而基不础受系统像差
特点：的影响，当此参考光束和经过该光 1.3 共程干涉和非共①程抗干环涉学境系干统扰全；孔径的检验光束相干时， 在光件普路的通行影干进响涉，是仪故不中这同，两的②寸的③由束。在等光在于光因产于学视就如②束参受此生或标场可散大和考机，参大准中直射多测光械在考于件心观板数试束振干光被；两地干的光和动涉束测支获涉共束测和测时光光得仪程都试温量，学束系干受、光度过通系的统 涉像点束起程常统光的仪差衍沿伏中不通程缺中的射着等，需光差陷，影干分外必要口一信参响涉开界须尺径般息考，仪的条严。光干等。
M3
M2 M4
b)
图4-10 光学倍频原理图示
M3
16
M1 M’2
§4-1 激光干涉测试技术基础 M2
激光干涉纳米位移测量系统设计(课程设计)
激光干涉纳米位移测量系统设计总体构思及方案确定：一、光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。
特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。
按使用光学的原理不同分为以下几种方法：1、光外差法：光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。
测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。
这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。
2 电镜法电镜法是利用电子显微镜直接得到被测表面的微位移。
但目前其产品体积大，且局限于在实验室研究使用，不能用于加工生产现场。
3 激光三角测量法三角法测量法是种传统的测位移方法，将被测物表面与光源及接收系统摆在三个点，构成三角形光路。
其工作过程主要是:激光光源发出的光束经透镜照射被测物体表面上；光线由物体表面漫反射，一部分被光电接收系统接收。
如果物体表面高低不平，则在光电接收探测器的光敏面上的光斑有一定的移动，根据三角形相似原理可求出物体表面的位移。
4 干涉法测量干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。
激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。
其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。
测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。
第五讲激光外差干涉测长与测振
主要内容 一、双频激光外差干涉 二、双频激光外差干涉的应用 三、条纹小数重合法原理 四、红外双线氦氖激光绝对干涉测长系统
一、双频激光外差干涉仪
光源: 双频He-Ne激光器
由于
t
0
fdt＝
t
2v
0
所以 L N f dt 在全内腔单频He—Ne激光器上加上约 300 ×10-4T 2 的轴向磁场 2 0
dt＝
0
t
2
t
2 vdt＝ L
由于塞曼效应 1/4波片 和频率牵引效 应，使该激光 双频激光器 f2 器输出一束有 f1 两个不同频率 检偏器 的左旋和右旋 圆偏振光 ，它 f2－f1 们的频率差△V 约为1．5MHz
准直系统 f2
偏振分光镜 v f1 可动角 隅棱镜
f1±Δf
f2 探测器 前置 放大器
1 2 干涉场中某点（x， 1 y） 2 Er 1 cos 2( )t Et 1 cos 2t φ( x,y) 2 2 处光强以低频Δω随 Er Et cos(时间呈余弦变化 2 )t φ( x,y) Er Et cost-φ( x,y)
f1±Δf
数 据 处 理
f2－（f1±Δf）
双频激光器外差干涉测长原理图
工作原理
双频激光器1发出双频激光束
通过1／4波片2变成两束振动方向互相垂直的线偏振 光(v1垂直于纸面，v2平行于纸面) ，
经光束扩束器3适当扩束准直后，光束被分束镜4分为两部分
根据马吕斯定律， 两个互相垂直的 线偏振光在450方 向上的投影，形 成新的同向线偏 振光并产生 “拍”，其拍频 就等于两个光频 之差，即△v＝ v1—v2＝1.5MHz
物理实验技术中的激光干涉测量技巧
物理实验技术中的激光干涉测量技巧激光干涉测量技术在物理实验中被广泛应用，具有高精度、非接触、高速测量等特点。
本文将介绍激光干涉测量技术的原理、常见应用以及相关的技巧。
一、激光干涉测量技术的原理激光干涉测量主要利用激光的波动性以及光的相位差来测量被测量体的形状、振动、位移等参数。
具体而言，激光束从激光器发出后经由光学系统进行整形、调节，并通过分束镜将激光分成两束光线，分别射向被测量体的不同部位。
被测量体上的反射光线再经由反射镜汇聚到合束镜并通过合束镜合并成一束，最终再通过干涉仪的光程差计算出被测物体的形状、位移等参数。
二、激光干涉测量技术的应用1. 表面形貌测量：激光干涉测量技术可以用于测量各种物体的表面形貌，如微观表面粗糙度、形状等。
通过激光干涉测量技术可以获取高精度、非接触的表面形貌信息，对于材料加工、制造工艺等领域具有重要意义。
2. 振动测量：激光干涉测量技术可以用于测量物体的振动状态，如机械结构的振动、声学振动等。
通过激光束的干涉效应可以实时地观测物体的振动状态，并得到相关参数，对于振动分析与控制具有重要意义。
3. 位移测量：激光干涉测量技术可以用于测量物体的位移。
通过激光束的干涉效应可以实时地测量物体的位移，具有高精度、高灵敏度的特点，可以应用于位移传感、结构变形检测等领域。
三、激光干涉测量技术的技巧1. 技术参数的选择：在进行激光干涉测量时，需要根据被测对象的特点选择合适的激光波长、功率、光斑直径等参数。
不同的被测对象需要不同的技术参数来保证测量的准确性和稳定性。
2. 光路设计与调整：激光干涉测量技术中的光学系统是非常重要的，合理的光路设计和调整对于获得准确的测量结果至关重要。
要注意对光路的稳定性、光斑的均匀性、光束的聚焦等问题，以保证测量的精度和可靠性。
3. 干涉信号处理：激光干涉测量所得到的干涉信号含有丰富的信息，但也伴随着一定的噪声。
因此，在信号处理时需要注意对干涉信号进行滤波、放大、数字处理等操作，以提高信噪比和测量精度。
双频激光外差干涉的应用技术
双频激光外差干涉的应用技术
微／纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。
具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。
因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。
而激光外差干涉测量是几何量精密测量的主要技术之一，属精密测量技术领域。
通过偏振方向正交的两个波长的激光器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。
激光外差干涉测长与测振
03 激光外差干涉测振的技术 细节
振动信号的采集与处理
01
采集方式
采用激光干涉法，通过测量干涉 条纹的数量和变化来获取振动信 号。
02
03
数据预处理
信号分析
对采集到的原始数据进行滤波、 放大和去噪等处理，以提高信号 质量。
利用傅里叶变换等方法对处理后 的信号进行分析，提取振动频率、 振幅等信息。
声学研究
通过测量声波在物体表面产生的振动，可以 研究声学现象和声波传播规律。
物理实验
在物理实验中，激光外差干涉测振可以用于 研究物质的基本性质和物理现象。
02 激光外差干涉测长的技术 细节
干涉仪的结构与工作原理
干涉仪的基本结构
激光外差干涉仪通常由激光器、 分束器、反射镜、检测器等组成。
干涉原理
激光束经过分束器分为两束，一束 作为参考光，另一束作为测量光。 两束光在反射镜中反射后回到分束 器，发生干涉现象。
在振动测量领域的应用
1
振动测量是激光外差干涉测振技术的重要应用领 域，可以用于测量各种机械、电子和光学等系统 的振动和动态特性。
2
在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域，激光 外差干涉测振技术可以用于测量和监测各种结构 件的振动和稳定性。
3
在振动测量领域，激光外差干涉测振技术还可以 用于测量和监测各种振动传感器、振动台等设备 的性能和精度。
振动模式的识别与分析
模式分类
根据干涉条纹的特点，将振动模式分为线性、弯 曲和扭转等类型。
特征提取
从干涉条纹中提取出反映振动模式的特征参数， 如位移、速度和加速度等。
模式识别
利用模式识别算法对振动模式进行分类和识别， 为后续分析提供依据。
光电测试技术-第5章_激光干涉测试技术(2／6)
2015-11-04
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第5章 激光干涉测试技术
§5-2 激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术
2.1 激光斐索型平面干涉测量 ②影响测试准确度的因素 4）标准参考平板的影响——液体的表面作为参考平面 地球的曲率半径约为6370km，当液面口径为1000mm时，液 面中心才高出约0.1光圈，当口径为250mm时，液面才高出 约0.005光圈。 主要要求：使液体处于静止状态（对测量环境要求严格控制， 还应该选用粘度较大，本身比较均匀和清洁的液体。） 常常用作标准参考平面的液体有液态石蜡、扩散泵油、精密 仪表油和水银等。
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第5章 激光干涉测试技术
§5-2 激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术
2.1 激光斐索型平面干涉测量 ③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度 3）测量不确定度 根据间接测量不确定度的传递公式，可知 2 2 2 um u D un
uc ( ) m D n
②影响测试准确度的因素 1）光源大小和空间相干性
2
3
4 6 5
4h
d
f' 2 h
7 M1参考平面 M2被测平面
2）光源的单色性和时间相干性。
激光斐索型平面干涉仪 基本光路图
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第5章 激光干涉测试技术
§5-2 激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术
2.1 激光斐索型平面干涉测量 ②影响测试准确度的因素
简述光外差检测的原理
简述光外差检测的原理光外差检测是一种光学检测方法，利用两束光的干涉来检测样品的光学特性。
其原理基于干涉的原理，即当两束光相互干涉时，它们的振幅和相位会相应地叠加。
光外差检测的原理类似于常见的干涉仪原理，但它在干涉光的辐射和检测上有一定的差异。
首先，光外差检测需要两束光，分别称为“信号光”和“参考光”。
信号光是经过样品后的光线，而参考光是未经过样品的光线。
其次，这两束光线需要经过光学调制器。
光学调制器可以对两束光的幅度和相位进行调节，以实现干涉条件。
光外差检测的步骤如下：1. 通过光源产生两束光，信号光和参考光。
2. 信号光通过样品，与样品发生相互作用后传播出来。
3. 参考光未经过样品，直接传播出来。
4. 信号光与参考光在光学调制器处重合，通过调节光学调制器的幅度和相位，使得两束光在某个点或一些点上干涉。
5. 干涉后的光经过一个光探测器进行检测并转换为电信号。
6. 收集和分析电信号，通过计算得到样品的光学特性。
光外差检测的原理可以用以下几个方面解释：1. 干涉效应：两束光重合后，它们的振幅和相位会发生干涉现象。
具体来说，相位差为0或整数倍的情况下，它们的振幅叠加，而相位差为半波长的情况下，它们的振幅相互抵消，形成干涉极大和干涉极小。
2. 光学调制器：光学调制器可以调节信号光和参考光的幅度和相位。
通过调整光学调制器，可以使得两束光在某个点或一些点上干涉，从而实现对样品的检测。
3. 光探测器：光探测器可以将干涉后的光转换为电信号。
光探测器通常采用光电二极管、光电倍增管或光敏电阻等器件，能够将光信号转换为电信号。
通过以上原理和步骤，光外差检测可以应用在许多领域，例如生物医学、环境监测、材料科学等。
它可以用来监测样品的光学特性，如吸收、反射、透射、色散等，且具有灵敏度高、分辨率好、实时性强等优点。
需要注意的是，光外差检测也存在一些问题和限制。
由于干涉效应的存在，光外差检测对样品的尺寸和形态要求较高，需要与样品表面有一定的接触或临近，对样品形态和尺寸有一定的限制。
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪原理外差激光干涉仪是一种利用激光干涉原理进行测量的仪器。
它通过比较两束激光的相位差来实现测量的精确性和稳定性。
在这篇文章中，我将详细解释外差激光干涉仪的原理，并介绍其在实际应用中的一些特点和优势。
外差激光干涉仪的原理基于激光的干涉现象。
干涉是指两束波的相加形成干涉条纹的现象。
在激光干涉仪中，一束激光通过分束器被分成两束光，分别称为参考光和测量光。
这两束光分别经过参考光路和测量光路，然后再通过干涉仪进行干涉。
干涉的结果就是在干涉屏或探测器上产生干涉条纹。
在外差激光干涉仪中，参考光和测量光的相位差是通过一个延迟线或光纤引入的。
延迟线或光纤的长度可以调节，从而改变两束光的相位差。
当相位差为零时，两束光相干叠加，产生最亮的干涉条纹；当相位差为π时，两束光相消干涉，产生暗纹。
通过改变延迟线或光纤的长度，我们可以得到一系列的干涉条纹。
外差激光干涉仪中使用的激光是单色激光，即波长相同、频率相同的激光。
这样可以确保干涉条纹的稳定性和清晰度。
为了进一步提高精确性，激光光路中通常会使用一些光学元件，如波片、偏振器等来控制光的传输方向和强度。
外差激光干涉仪的一个显著特点是它可以实现非接触式测量。
比如，在机械加工中，我们可以通过测量工件表面的形状变化或振动情况来判断工件的质量。
利用外差激光干涉仪，我们可以将测量光直接照射到工件表面，观察干涉条纹的变化，从而得到表面形状和振动的信息。
这种非接触式测量可以避免与工件之间的物理接触，从而保护工件的表面免受损坏。
外差激光干涉仪的另一个优点是其高精度和高分辨率。
由于激光是单色相干光，它的波长稳定性非常高。
干涉仪中的干涉条纹可以通过探测器转换为电信号，并经过放大和处理后得到数字信号。
这些数字信号可以被计算机进行处理和分析，从而得到非常精确和准确的测量结果。
外差激光干涉仪在工业领域和科学研究中具有广泛的应用，如测量物体长度、表面形貌、振动频率等。
与其他测量方法相比，外差激光干涉仪还具有一些其它的优势。
外差干涉测长的原理及应用
外差干涉测长的原理及应用1. 原理介绍外差干涉测长是一种基于干涉原理的测量方法，主要用于测量物体的长度、距离和形状等参数。
它利用光的干涉现象，通过两束光的相干干涉而产生干涉图像，从而可以得到被测物体的参数。
2. 工作原理外差干涉测长的基本原理是将激光光束分成两束，其中一束为参考光束，另一束为测量光束。
这两束光束分别经过分束器和反射镜，然后分别被引入被测物体和参考光程中。
在被测物体上，测量光束经过反射后与参考光束再次叠加，形成干涉图像。
通过干涉图像的变化，可以计算出被测物体的长度、距离和形状等参数。
3. 应用场景外差干涉测长广泛应用于工业制造、科学研究和生物医学等领域。
以下列举了一些常见的应用场景：•工业制造：外差干涉测长可以用于测量精密机械零件的尺寸，如轴承孔的直径、齿轮的模数等。
这种测量方法高精度、非接触，能够满足工业制造对精度要求较高的应用。
•科学研究：外差干涉测长在科学研究中也有很大的应用，例如在材料科学中，可以用于测量材料的膨胀系数、压力应力等参数的变化。
在物理学中，可以用于测量光源的波长稳定性以及光谱的测量等。
•生物医学：外差干涉测长在生物医学领域也有着广泛的应用，例如在眼科领域中，可以用于测量角膜的厚度和形状，以及眼底血管的直径和血流速度等。
在生物材料研究中，可以用于测量细胞、纤维和薄膜的尺寸变化。
4. 优点和挑战外差干涉测长具有以下优点：•高精度：外差干涉测长能够实现纳米级的测量精度，适用于对精度要求较高的应用。
•非接触：外差干涉测长不需要物体与测量仪器直接接触，减少了对被测物体的损伤和干扰。
•宽测量范围：外差干涉测长可根据需要选择不同的波长和光路配置，适用于不同尺寸和形状的物体测量。
然而，外差干涉测长也面临一些挑战：•环境干扰：外差干涉测长对环境的振动、温度、湿度等因素十分敏感，需要在稳定的环境条件下进行测量。
•复杂的仪器设备：外差干涉测长需要精密的光学元件和仪器设备，以及精准的光源和探测器，增加了设备的复杂性和成本。
激光外差干涉技术的应用领域
激光外差干涉技术是一种利用激光干涉原理进行精密测量的技术，其应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：
长基线测量：激光外差干涉技术可用于测量地球的形状、大小、重力场等参数，以及大气折射系数、地球自转速度等。
这些测量对于地球物理、地质学等领域的研究具有重要意义。
光学元件测量：激光外差干涉技术可用于测量光学元件的形状、表面粗糙度、平整度等参数，对于光学元件的制造和检测具有重要意义。
振动测量：激光外差干涉技术可用于测量物体的振动和变形，对于机械工程、航空航天、地震学等领域的研究具有重要意义。
生物医学测量：激光外差干涉技术可用于测量生物组织的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于生物医学研究和医学诊断具有重要意义。
纳米技术测量：激光外差干涉技术可用于测量纳米尺度下的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于纳米技术的研究和应用具有重要意义。
所以，激光外差干涉技术的应用领域非常广泛，涉及到多个学科和领域，具有重要的科学研究和工程应用价值。
激光外差干涉
激光外差干涉测位移15测控（3+2）蒋炜2015430340007激光外差干涉：由光学系统接收到的分为两束具有频率差、方向相反的偏振光F1和F2.经过1/4波片后成为两个相互垂直的线偏振光，激光经过分光镜分成两路，其中一束经过透射后射向光电探测器，其频率为fs，成为信号光束；另一个稳频激光器输出的一束激光也经过分光镜分为两束，其中一束经过分光镜反射后射向光电探测器，并称为本机振荡光束。
路经过偏振片1后频率为f1-f2，作为参考光束，另一路经偏振分光镜后又分为两路分别仅含f1和f2的光束。
当可移动反射镜发生位移变化时，仅含f2的光束经过可移动反射镜后成为含有的光束。
为多普勒频移量，包含可移动反射镜的位移信息。
这路含有的光束由固定反射镜的反射回来的仅含f1的光束经过偏振片2汇合频率为f1-（f2），作为测量光束。
当这两书光束满足干涉条件时，在两束光经过各自的传播轨迹后在分光镜下面发生干涉，（在无线电中叫做混频，在这里称为光混频），光电探测器只能响应直流分量和差频（Fs-Fl）分量（也称中频Fif）。
用一个中频放大器选出差频分量，于是输出端得到正比于差频分量的光电流。
在经过信号处理可以测出Fif=Fs-Fl的值。
因为Fl是已知的，所以测出Fif也就等于知道了Fs。
外差探测实质上就是两束相干光干涉的测量。
在干涉仪中，测量光的光程变化量是移动镜位移量的2倍，由光速c。
移动镜的移动速度v，得到多普勒频移量为激光的波长值为,频率的时间积分为周期数N，则移动镜的位移量为光电探测器R与M处接收光的相位差与频移差关系为双频激光干涉仪通过频率的变化测量位移,位移变化量只与频差f1-f2或相位差相关,频差f1-f2为固定值且为交流信号,不会产生直流电平漂移现象,所以抗干扰能力强,常应用于高精度测量系统中。
一：光路图：光频外差探测器光路结构二：光电转换部分光电转换部分的主要器件就是光电检测器。
可以将光强信号转换为相应的电信号。
外差激光干涉仪的测量方法
一、举例描述外差激光干涉仪的测量方法。
光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。
特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易； 提高了抗干扰性能。
原理：在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0, y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0, y0, t)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi, yi, t) 。
将两信号相比，测出信号的过零时间差Δt ，便可知道二者的光学位相差)/1/(π2),(),(00v t t y x φy x φ∆∆=∆∆=-ω由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以测出干涉场各点的位相差。
设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则干涉场的瞬时光强为[]{}[][]{}[][])(cos )()2(cos )(2cos 121)(2cos 121),(cos )cos(),,(222x,y t-φE E x,y φt E E x,y φt E t E y x φt E t E t y x I t r t r t r t r ωωωωωωωωω∆++∆+++++∆++=++∆+=由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频ω，它不能跟随光频变化，所以式中含有2ω的交变项对探测器的输出响应无贡献。
)],(cos[2/2/),,(22y x φt E E E E t y x i t r t r -∆++∝ω干涉场中某点（x ，y ）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化 （1）激光外差干涉测长数据处理双频激光器1/4波片准直系统可动角隅棱镜检偏器v探测器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf图4-33双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜f2－f1f2－（f1±Δf ）⎰⎰⎰⎰∆±=±=∆tttt t f NL L t v t vt f 000d 222d 2d 2d λλλλλ所以＝＝＝由于（2）激光外差干涉测量微振动方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。
外差干涉原理
外差干涉原理外差干涉原理是一种光学干涉现象，其基本原理是两束光线在空间中相交后产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。
该原理广泛应用于光学实验和仪器中，具有重要的科学研究和实际应用价值。
外差干涉原理的实现依赖于两束相干光的叠加。
相干光是指具有相同频率、相同振幅和固定相位差的光波。
在外差干涉实验中，一束光线经过分束器分成两束光，分别称为参考光和物光。
参考光照射到光阑上，物光经过待测样品后再照射到光阑上。
两束光线在光阑处相交，形成干涉。
当参考光和物光的相位差为整数倍的波长时，两束光线相干叠加，形成明亮的干涉条纹。
当相位差为半波长的奇数倍时，两束光线相消干涉，形成暗纹。
通过改变光阑的位置或改变两束光线的相位差，可以观察到不同的干涉条纹。
外差干涉原理的应用之一是光学干涉仪的工作原理。
光学干涉仪是一种利用外差干涉原理进行测量的仪器。
其中最常见的是马赫-曾德尔干涉仪。
该干涉仪由一束光线经过分束器分成两束光，分别通过两条光路后再次交汇，形成干涉。
通过改变一条光路的光程差，可以测量出待测样品的长度、折射率等参数。
外差干涉原理还被广泛用于光学显微镜和干涉测量等领域。
在光学显微镜中，外差干涉技术可以提高显微镜的分辨率，使得观察到的细节更加清晰。
在干涉测量中，外差干涉原理可以用于测量物体的形状、表面粗糙度等参数。
除了在实验和仪器中的应用，外差干涉原理还有着许多其他的应用。
例如，在光学通信中，外差干涉技术可以用于光纤传输的信号调制与解调。
在激光干涉仪中，外差干涉原理可以用于激光的频率稳定和相位测量。
在光学计算中，外差干涉技术可以用于实现光学器件的逻辑运算和信息处理。
外差干涉原理是一种重要的光学干涉现象，其应用广泛且多样。
通过利用两束相干光的相互叠加，可以观察到明暗相间的干涉条纹，实现对光学参数和样品特性的测量和分析。
外差干涉原理的研究和应用为光学科学和技术的发展做出了重要贡献。
激光外差干涉快速超精密测量模型研究_钟志
加了 v2 / c 的积分项, 相当于将传统测量模型进行了高阶 误差补偿。通 过理论分析 可知, 当 最高测量 速度为1 m/ s,
运行 位移为3 m时, 该测量模型能够减小约18 nm的测量误差, 解决了传统测量模型存在的残余误差累计 问题, 从 而
为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。
图 2 快速超精密位移测量模型不同速度下各部分仿真图 。( a) 速度时间图, ( b) 根据( 3) 式计算的位移曲线,
( c) 在传统公式上增加 的位移曲线
F ig . 2 T he simulation r esults under differ ent v elo city. ( a) T he velo city v s time, ( b) the displace ment based
将( 1) 式中的 f 2+ $f 2 进行级数展开, 取 v/ c 的
2 阶无穷小项, 得
f 2+
$f 2 =
f2
1-
2
v c
+
2
v c
2
-o
v c
3
,
( 4)
可以看出, 在计算公式( 2) 时存在近似, 其带来的原
理性残余误差为
t
Q $x ( t) = -
v
(
tc) c
2
dtc,
( 5)
0
当最高测量速度为 1 m/ s, 运行位移为3 m, 其误差
f 2 + $f 2 = f 2
c+ c-
2v 2v
,
( 1)
其中 c 为光在空气中的传播速度。返回的两束激光
通过 K/ 4 波片 7 后在光电接收器 10 上形成测量信号
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激光外差干涉测试技术
▪ 单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信 号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因， 信号处理及细分都比较困难。
▪ 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电 通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新 型的光外差干涉技术。
激光外差干涉测试技术
光电检测系统分类
▪ 主动系统/被动系统(按信息光源分) ▪ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ▪ 直接检测系统/光外差检测系统 (按光波对信号的携带
方式分)
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直接检测的基本原理
▪ 4.1 激光外差干涉测试技术原理i(x, y, t) ▪ ①外差干涉技术原理 ▪ 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(xt 0, y0)
处，称之为基准探测器，其输出Δt基准信号i(x0, y0, t)，另 一个放在干涉场基某准探探测测器（点x0,(yx0）i, yi)处，1称/Δν之为扫描探测器， 输出信号为i(xi, yi, t) 。将两信号相比，测出信号的过零 时间差（Δat），便可知道二者的光学位相（b差）
▪ 概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一 个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经 光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路 和计算机检出干涉场的相位差。
▪ 特点：克服单频干涉仪的漂移问题；
▪
细分变得容易；
▪ 2020/3/25
提高了抗干扰性能。
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光外差探测系统
▪ 光外差探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面
▪ 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 ▪ 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频
而言，频率要低得多。
▪ 当差频L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为L s / 2
的光电流输出。
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激光外差干涉测试技术 扫描探测器（xi, yi）
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多普勒效应的应用
▪ 美国霍普金斯大学利用多普勒效应 对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪 试验，科学家发现，当卫星在近地 点时信号频率就增加，远地点时信 号频率就降低。因为卫星轨道是已 知的，所以接收卫星信号的接收机 不论处于何方，它的位置都能被测 定。
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光波的多普勒效应
光波的多普勒效应 具有波动性的光也会出现这种效应，它又
➢ 当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的 反射光将产生的频移为 2v / 。
➢ 如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于 半波片旋转频率f 的频移，即 v 2 f 。
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声波的多普勒效应
一辆汽车在我们身旁急驰 而过，车上喇叭的音调有一个 从高到低的突然变化；站在铁 路旁边听列车的汽笛声也能够 发现，列车迅速迎面而来时音 调较静止时为高，而列车迅速 离去时则音调较静止时为低。 此外，若声源静止而观察者运 动，或者声源和观察者都运动， 也会发生收听频率和声源频率 不一致的现象。这种现象称为 多普勒效应。
φ(x图, y4)-32φ(外x0差, y干0涉) 图样和电t 信2号πt /(1/ v)
▪ 由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以 测出干涉场各点的位相差。
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激光外差干涉测试技术
▪ 4.1 激光外差干涉测试技术原理 ▪ ②激光外差干涉仪的光源 ▪ 外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 ▪ 1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差 ▪ 2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大） ▪ 3）光学机械移频
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光探测器输出的光电流
ipt SE2t SEst ELt2 S As2cos2 st s AL2cos2 Lt L
AsALcos[L s t s L ] AsALcosL s t L s
▪ S q / h；: 量子效率；h :光子能量；L :s 差频。
被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐 索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星 的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测 量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之 处 在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方 向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动， 光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.
都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探 测与光直接探测比较，其测量精度要高7~8个数量级。 ▪ 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距 离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通 信联系已达到实用阶段。
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一、光外差探测ห้องสมุดไป่ตู้理
平均功率
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光外差检测
fs为信号光波，fL为本机振荡(本振)光波，这两束平面平
行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面
进行混频，形成相干光场。经探测器变换后,输出信号中 包含 fc＝ fs –fL 的差频信号．故又称相干探测.
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，入射到探测器上的总光场为
光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直 接探测中由于光的振动频率高达2×1013~7.5×1014Hz， 振动周期T为5×10-14 ~ 1.3×10 -15 s (可见光到中近红 外)，而探测器响应时间最短10 -10 s, 它只能响应其平 均能量或平均功率。
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在直接探测中，设光波动的圆频率为ω， 振幅为A，则光波f(t)写成
由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探 测器的光电流为
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基本原理
▪ 设入射到探测器上的 信号光场为：
Es t As cosst s
▪ 本机振荡光场为：
EL t AL cosLt L
▪ 入射到探测器上的总 光场为：
Et As cosst s AL cosLt L