光电测试技术-第5章激光干涉测试技术
激光干涉仪的设计与应用
激光干涉仪的设计与应用
激光干涉仪是一种利用激光干涉原理测量物体长度的仪器。它的特点是测量精度高，可达到亚微米级别，适用于各种长度的测量。在制造、工程、科学等领域都有重要的应用，下面将介绍其设计和应用。
一、激光干涉仪的原理
激光干涉仪基于干涉原理，即利用激光的相干性，将两束激光光束分别照射到测量物体的两个不同位置上，然后让光束反射回来，经过干涉产生干涉条纹，通过分析干涉条纹的移动和变化，可以测量物体的长度、形状和表面质量等。
二、激光干涉仪的构造
激光干涉仪主要由光源、分光器、反射镜、光电探测器、转换电路等组成。其中光源是激光器，应具有单色、长寿命、高光强度、小发散角度等特点。分光器和反射镜将激光分成两束并反射回到测量物体上，然后经过干涉、反射等过程，形成干涉条纹。
光电探测器可以将光电信号转换成电信号，然后经过转换电路放大、滤波、解调等处理，最终得到测量结果。
三、激光干涉仪的应用
1.表面形貌测量
激光干涉仪可以用于表面形貌测量，例如测量机械零件的平整度、光学元件的表面形状、生物医学材料的表面粗糙度等。利用干涉技术可以获得高精度的表面高程和表面形状信息。
2.形变测量
激光干涉仪也可用于测量物理量的变形，如应力、形变、位移等。例如在建筑工程中可以利用激光干涉技术测量混凝土梁的挠度和伸缩变形，从而评估结构的安全性。
3.纳米测量
激光干涉仪可用于纳米尺度测量，例如测量纳米材料的形貌、
纳米粒子的大小等。利用干涉技术可以获得高分辨率的纳米级别
表征。
4.光学元件测试
激光干涉仪还可以用于光学元件测试，例如测量透镜、反射镜、光栅等的曲率半径、折射率、相位等。利用干涉技术可以获得高
光电检测技术与应用课后答案
第2章
1、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？P11
答：暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流；光照时，光生载流子迅速增
加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。
2、简述光生伏特效应的工作原理。为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度？P15
答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应•当用适当波长的光照射PN结时, 由于内建场的作用
（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。
（2）光生伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少数载流子的寿命通常很短，所以以光
伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。
3、简述光热效应工作原理。热电检测器件有哪些特点？P15、P17
第3章
2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电
导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会
如何？
聲；辽一型号的光敏电阻，在不同光照下和不同的环境温度下，其光电导灵歆度和时间常数不相同.在照度相同而温度不同时，苴尤电导灵啟度不相同和时间常数也不相同.其材料性质一样，只是决定了q的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子派度和热生电子浓度各貝’决定了T值不同，照度相同决定光生电子浓度珂司：温度不司决定了热主电子浓度不同，同样也决定了T值不同。
由―嚳兰匚弱頤射）和（强辐射〉可推出光电灵敏度hcP 2 尸h v K f l'*
光电测试技术-第4章 激光干涉测试技术
§4-1 激光干涉测试技术基础
1.5 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理
③ 处理电路细分方法
电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、 鉴相法细分等。 综合来看，鉴相法细分的不确定度最小，使用灵活、方便、 集成度高，适合于激光干涉信号的细分。其输出的是模拟
信号，分辨率高达2π/1000，但是鉴相范围较小(±2π)。
满足
L (m 1 / 2) 的光程差相同的点形成的暗线叫
3
暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。 2014-11-16 其中m是干涉条纹的干涉级次。
§4-1 激光干涉测试技术基础
1.1 干涉原理与干涉条件 2．干涉条件 通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件： 静态稳定干涉场的条 频率相同 件
(-cos)
微分电路
可 逆 计 数 器
(cos)滞后
计
1 2
当cos信号滞后时（应为反向）： 光电接收器 倒相器 放大器
涉 条 纹
相 系 统
(cos)
(-cos)
(-sin) (cos)微分电路
算
3 机 4
脉冲信号的顺序为1、4、2、3
(-cos) (cos) 微分电路 (cos)
(-cos) 图4-13条纹移动判向计数原理框图 (cos) (-cos)
光电检测技术
平衡和非平衡载流子
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流 子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓 度，称为平衡载流子浓度。
半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果 对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件， 这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称 为非平衡状态。
五、检测技术在航天领域的应用
“阿波罗10”：
火箭部分---2077个传感器 飞船部分---1218个传感器
神州飞船：
185台（套）仪器装置
检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学
学习本课程的目的
了解光电检测系统的基本组成，光电检测技 术的特点和发展趋势。
掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器 件）的工作原理及基本特性，了解它们的应 用范围。
光谱
控制跟踪型
– 跟踪控制：激光制导，红外制导 – 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值
控制
图象分析型
– 图形检测 – 图形分析
光电检测技术的应用
一、在工业生产领域的应用
在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…. 现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%
检测技术在汽车中的应用日新月异
tty5光电测试技术课件五：光纤通信、激光雷达、激光制导
三个波长窗口相一致。
3.光接收机
功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电 信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 组成：由光检测器、放大器和相关电路组成。 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：PIN光 电二极管和雪崩光电二极管。 光接收机的检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是 用检测器直接把光信号转换为电信号，设备简单、经济实用，是当 前光纤通信系统普遍采用的方式。外差检测的难点是需要频率非常 稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光器，优点 是有很高的接收灵敏度。
了电缆传输。
1.光发射机
功能
把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光 纤线路。
组成
光源、驱动器和调制器。
光源是光发射机的核心，光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对 光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角 尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。 目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管 （LD），以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈（DFB）激光器。
由于光纤和半导体激光器的技术进步，1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。
1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤 通信系统的现场试验。
光电测试技术-第4章 激光干涉测试技术
1881年分振迈较幅大克式的尔量逊程(范A.围M；ic共h程el干s涉on)设非计共了程干著涉名的干涉实静验态来干涉测量
“以太”在漂精密移测。量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。 1960分分年波类梅阵：面曼式(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器动，态以干及涉 微 电子技另术外和还计可算以机利技用术有的关飞干速涉发图展的，接使收光和学数干据涉处技理术技的术发计展算进
斐索型干涉测量法中由于样板和被测表面间距较大，必 须用单色光源，一般采用激光光源。
2019/10/23
21
§4-2 激光斐索(Fizeau)型干涉测试技术
计算例： 2.1 激光斐索型平面干涉测量
1
2
①激光若斐h索＝型5m平m面，干λ＝涉5仪46的.1基nm本，光则路θ和<1原7‘。理
2019/10/23
11
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。
绪论近代光学测试技术
04 近代光学测试技术应用实 例分析
在材料科学中的应用
材料表面形貌分析
利用光学干涉、散射等技术，对 材料表面进行非接触式、高分辨 率的测量，获取表面形貌、粗糙 度等信息。
材料内部结构研究
通过光学显微镜、光谱分析等手 段，观察和研究材料的内部结构、 缺陷、相变等现象。
材料光学性能表征
采用椭偏仪、分光光度计等设备， 测量材料的光学常数、反射相移 等新物理量，评估材料的光学性 能。
02 近代光学测试技术基本原 理
光的干涉原理及应用
01
02
03
干涉现象
当两束或多束相干光波在 空间某一点叠加时，其振 幅相加而产生的光强分布 现象。
干涉条件
相干光波需满足频率相同、 振动方向相同、相位差恒 定。
干涉应用
在光学测量中，利用干涉 现象可实现高精度测量， 如干涉显微镜、干涉光谱 仪等。
广泛应用
03
光学测试技术已广泛应用于科研、工业、医疗、军事等领域，
为现代社会的发展做出了重要贡献。
应用领域及前景展望
应用领域
光学测试技术已应用于物理、化学、生物医学、材料科学等领域的研究，以及工 业制造、环境监测、医疗诊断等方面的应用。
前景展望
随着科技的不断发展，光学测试技术将继续向更高精度、更高灵敏度、更快速度 的方向发展，同时拓展到更多新兴领域，如纳米科技、生物医学工程等。未来， 光学测试技术将在推动科技进步和社会发展方面发挥更加重要的作用。
光学干涉测量技术
光学干涉测量技术
——干涉原理及双频激光干涉
1、干涉测量技术
干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。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。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。
当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：
122I I I πλ=++
式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）：
min 12I I I I ==+， （m λ=）
相消干涉（暗）：
min 12I I I I ==+-， （12m λ⎛
⎫=+ ⎪⎝⎭
） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。
按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
图一 普通光源获得相干光的途径
与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。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（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索
光电测试技术-第5章_激光干涉测试技术(2／6)
2017/3/31
8
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。
激光器
标准物镜组
§5-2 激光斐索(Fizeau)位置Ⅰ 型干涉测试技术
位置ⅡC,C0 O
标准参考面
被测镜
2.2 斐索型球面干涉仪 位置Ⅰ 位置Ⅱ ②激光斐索型球面干涉仪用于测量球面面形误差 C,C 如果干涉场中得到等间距的直条纹，表明没有面形误差； R标-R凸 R标 若条纹出现椭圆形或局部弯曲，则按前述方法予以判读。 位置Ⅱ 位置Ⅰ
§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。 标准参考平板参考面M1在干涉仪中是作为测量基准用的， 主要要求是：面形误差小；口径必须大于被测件。 当标准平板口径大于200mm时，其加工和检验都很困难。 为了保证参考平面面形精度：
简述激光干涉仪的基本原理及应用
简述激光干涉仪的基本原理及应用
激光干涉仪的基本原理
激光干涉仪是一种利用干涉现象测量物体形状、表面粗糙度和位移等参数的仪器。它基于光的干涉原理，通过将激光分成两束，使得它们在空间中相互干涉产生干涉条纹。根据干涉条纹的变化，可以获取物体表面的形状和位移信息。
以下是激光干涉仪的工作原理：
1.激光发射：激光干涉仪使用一台激光器产生单一频率、单色性好的激
光束。
2.光分束：激光束被一个分束器分成两束，分别称为参考光和测量光。
3.光路径的差异：参考光和测量光沿着不同路径到达物体表面，然后反
射回来。
4.光的重合：参考光和测量光在空间中重合形成干涉条纹，这些条纹会
展现出光程差的变化。
5.干涉条纹的检测：通过使用光电二极管或相机等光学检测器，可以观
察和记录干涉条纹的变化。
6.数据处理：通过对记录的干涉条纹进行分析和处理，可以得到物体表
面的形状、位移等参数。
激光干涉仪的应用
激光干涉仪广泛应用于科学研究、工程技术和工业领域。以下是一些常见的应用领域：
1.表面形貌测量：激光干涉仪可以用来测量物体的表面形状和轮廓。通
过分析干涉条纹的密度和形态，可以获取物体表面的高程数据，从而实现对物体形貌的准确测量。
2.镜面反射测试：激光干涉仪可以用来测试镜面的反射质量。通过分析
镜面反射的干涉条纹，可以评估镜面的平整度、平行度等参数，从而判断镜面的质量。
3.光学元件定位：激光干涉仪可以用来定位光学元件，例如透镜、光栅
等。通过测量光学元件的位置和位移，可以实现准确的光学装配和校正。
4.振动分析：激光干涉仪可以用来分析物体的振动状态。通过测量物体
光电测试技术第5章激光干涉测试技术(5／6)
w(x,y) 1 tan1 b1
2k
a1
14
§5-6 激光移相干涉测试技术
6.1 激光移相干涉测试技术原理
对每一点(x, y)的傅立叶级数的系数，还可以用三角函数
的正交性求得
a
0
2 T
T
0 I (x, y,li )dli
a1
2 T
T 0
I
(x,
y, li ) cos
10
§5-5 激光外差干涉测试技术
5.2 激光外差干涉测试技术应用 ③激光外差干涉在精密定位中的应用
f1
f2
f2
f1 A
该干涉仪系统有以下两个特点：
(1)仪器分辨力由于多普勒频差增
加一倍而增加一倍；
(2)平面反射镜相对于光轴的任何
偏斜只会使反射回的光束偏移1，/4 波片
而f1±Δ不f 会偏斜。
面轮廓的最好拟合。得
2019/6/3
2 np
w(x,y)
1
tan1npi1
I(x,
y,li)sin2kil
2k
n2pin1pI(x,y,li
)co2skil
17
§5-6 激光移相干涉测试技术
6.2 激光移相干涉测试技术的特点 1）激光移相干涉测试技术原理上采用上述最小二乘法拟
【激光干涉与衍射测试技术】第次课精讲
全息底片仅对光强起反应，而光强可表示为光波振幅的 平方，即 2 注意与参考光波的比较 I x, y E EE Er E o Er Eo
0 0
jy E A e r r I x, y Ar e jy A0 x, y e j x, y Ar e jy A0 x, y e j x , y
4-4 激光全息干涉测试技术
全息干涉测试技术 ①静态二次曝光全息干涉法 两次曝光后，全息底片上总的曝光量分布为
I ( x, y ) I1 ( x, y ) I 2 ( x, y ) A1 ( x, y ) 2 R( x, y ) A2 ( x, y ) R( x, y ) A1* ( x, y )
2 x, y Ar A0 x, y e jy 0 x, y Ar A0 x, y e jy 0 x, y Ar2 A0
4-4 激光全息干涉测试技术
全息术及其基本原理 ②物光波的再现
如果处理过的全息干版的透过率和曝光光强成线性关系 ，则其透过率为
4-4 激光全息干涉测试技术
全息术及其基本原理 概念：全息的概念早在1948年就由英国的Gabor提出。所 谓全息就是在摄影底片上同时记录物光波的振幅和位相 的全部信息，通过再现，可以获得物光波的立体像。 全息术是一种两步成像技术：
光电测试技术 教学大纲
光电测试技术
一、课程说明
课程编号：140318Z10
课程名称：光电测试技术/Optoelectronic Measurement Technology
课程类别：选修
学时/学分：48/3
先修课程：大学物理实验、光学
适用专业：应用物理学、应用物理学T、光电信息科学与工程、电子信息科学与技术
教材、教学参考书：《光电测试技术》第三版，范志刚、张旺、陈守谦、李洪玉编著，电子工业出版社，2015；《光电测试技术》第二版，浦昭邦、赵辉主编，机械工业出版社，2009
二、课程设置的目的意义
光电测试技术是应用物理、光电信息科学与工程、电子科学与技术等专业的限选专业课，是培养能在应用光学、光电子学、测量与控制以及电子信息科学（特别是光机电算一体化产业）从事科学研究、教学、产品设计、生产技术或管理的高级专门人才所必须的重要基础课。光电测试技术课程向学生介绍用于测量光学量和非光学量的常用和最新的光学理论、方法、技术以及最新的典型应用。通过本课程的学习，使学生了解光电测试技术的新理论、新方法以及学科发展的趋势。
三、课程的基本要求
1．知识要求
通过光电测试技术的课程教学，学生对光电测试技术中的基本概念、基本技术有比较全面、系统的了解。学生牢固掌握光电测试技术的基本原理、测试系统的组成与技术特点等方面的内容。
2．能力要求
具有利用各种资源获取参考书、文献资料、开展自主学习的能力；具有分析、归纳和总结的能力；切实掌握光电测试的基本实验操作技能，具有运用所学知识解决实际光电测试技术问题的能力。
3．素质要求
通过对光电测试技术内容和研究方法的学习，从知识上和方法上为学生进一步深入研究打好基础，培养学生形成良好的研究习惯，初步具备独立分析问题、解决问题的能力，建立科学的世界观和方法论。
光电检测技术ppt课件
半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。
精选PPT课件
31
本征和杂质半导体
本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而 导带中的量子态全部空着（半导体的共价键结构，能带、 电子、空穴对，载流子）。温度升高，导电能力增强， 电子、空穴对
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25
本课程的学习内容
光电检测器件的物理基础 光电检测器件的工作原理和特性及
其应用 光电直接和外差检测系统 光纤传感检测技术 光电信号的数据采集与微机接口
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26
第二章 光电检测技术基础
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27
光的基本性质 辐射与光度学量 半导体基础知识 光电效应
– 图形检测 – 图形分析
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18
光电检测技术的特点
高精度：从地球到月球激光测距的精度达到 1米。
高速度：光速是最快的。 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件
下进行测量。 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，
故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高， 对被测物无形状和大小要求。 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控 制能力。
精选PPT课件
7
光电系统的作用体现在如下三个方面