光电检测论文

激光干涉
【摘要】激光干涉技术的发展史；原理；优缺点；未来发展趋势；应用。

【关键词】激光干涉；发展趋势；应用。

Laser interferometer
[abstract] lase interference technology history;principle;advantages and disadvantages;the future development trend of the application.
[Key words] laser interference;development trend;application.
由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。

一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大量程的要求，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适合恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。

目前已经有许多著名厂家的成熟的干涉仪产品，覆盖了相当大的应用范围。

但是，干涉仪毕竟不是简单的工具，仍有许多新的应用领域有待开发和研究。

因此，需要更加深入的学习。

现代干涉技术是物理学理论和当代技术有机结合的产物。

激光、光电探测技术和信号处理技术对于干涉技术的发展起着重要的作用。

发展史：
17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹（后被称作牛顿环），人类从此开始注意到了干涉现象。

1690年，惠更斯出版《论光》，提出“波动”说。

1704年，牛顿出版《光学》，提出了“微粒”说。

1801年，托马斯·杨(Thomas Young)完成了著名的杨氏双缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。

1818年，阿喇果和菲涅尔发现两个正交的偏振光不能干涉，导致杨和菲涅尔得出光是横波的结论。

1860年，麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。

1881年，迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量“以太”漂移，导致“以太”说的破灭和相对论的诞生。

他还首次用干涉仪以镉红谱线与国际米原器作比对，导致后来用光波长定义“米”。

1900年，普朗克（Max Planck）提出辐射的量子理论，成为近代物理学的起点。

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）提出相对论原理。

1924年，Louis de Broglie推导出de Broglie波方程，认为所有的运动粒子都具有相应的波长，为隧道显微镜、原子力显微镜的诞生做了理论准备。

1960年，梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期。

1982年，G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳米分辨率和准确度前进的新时代
特点：
具有更高的测试灵敏度和准确度；
绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；
较大的量程范围；
抗干扰能力强；
操作方便；
在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。

分类：
干涉原理：
光干涉的基础是光波的叠加原理。

由波动光学知道，两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布为：
满足
的光程差相同的点形成的亮线叫亮纹。

满足 λ)2/1(+=∆m L 的光程差相同的点形成的暗线叫暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。

其中m 是干涉条纹的干涉级次。

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：
频率相同
振动方向相同
恒定的位相差
激光干涉技术的优缺点：
激光外差干涉仪的发展趋势是超外差、共光路和采用光纤技术简化光路。

采用光学倍程、干涉条纹电子细分和电子倍频技术，光干涉技术在理论上可以实现纳米、亚纳米甚至皮米量级分辨率。

由于测量精度的提高不仅与测量原理有关，在纳米测量技术中，环境温度的不稳定性、仪器本身的温度差异、振动及外界机械干扰都会对测量结果产生重大影响，还需要克服器件制造及安装技术造成的误差环节，其理论与实践之间还存在较大的差距。

激光干涉技术的应用: 干涉测试技术 按光波 分光方式 按相干光束
传播路径
按用途 分振幅式 分波阵面式
共程干涉 非共程干涉 静态干涉
动态干涉 λm L =∆δcos 22121I I I I I ++=L ∆=λδπ2
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G a b o r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：
记录，即以干涉条纹的形式在底片上存储被摄物体的光强和位相；
再现，即用光衍射原理来重现被记录物体的三维形状。

激光外差干涉测试技术：
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。

纳米技术中的干涉测试技术：
1986年G.B i n n i g和H.R o h r e r发明了扫描隧道显微镜(S T M)，人类第一次观察到了物质表面的单原子排列状态。

此后，相继出现了一系列新型的扫描探针显微镜：
原子力显微镜（A F M）；激光力显微镜（L F M）；
磁力显微镜(M F M)；弹道电子发射显微镜（B E E M）；
扫描离子电导显微镜（S I C M）；扫描热显微镜（S T P）；
光子扫描隧道显微镜（P S T M）；扫描近场光学显微镜（S N O M）等，远远超出了光学方法已经取得的成就。

现代扫描显微镜技术吸取了光学技术的精华，光子扫描隧道显微镜利用了光纤探针和全反射时的瞬衰场，横向分别率达到1/10波长，垂直分辨率在纳米数量级；扫描近场光学显微镜则使用小孔光天线，分辨率突破了瑞利限制，已经达到了1/10波长数量级。

参考文献：
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[2] 王一丁等. 数控加工中心位置误差补偿模型 [J] 计量学报，1995，7:200 ~205
[3] 黎永前，朱名铨，光干涉技术在纳米精度测量中的应用及发展 [A] 航空精密制造技术，2002，02-32-05。