激光干涉位移测量技术
激光干涉测量技术的应用与发展
激光干涉测量技术的应用与发展激光干涉测量技术是一种利用两束或多束激光干涉的方法来获得被测量物件的形状、尺寸、形变、表面粗糙度等参数的非接触式测量技术。
因其具有精度高、速度快、非接触、非损伤等优点，近年来被广泛应用于各个领域，如空间结构、微加工、医学、汽车制造、半导体加工、航空航天等。
本文将重点探讨激光干涉测量技术的应用和发展。
一、应用领域1.空间结构测量激光干涉测量技术可以通过在空间结构表面扫描多个测量点来获取结构的形状和姿态等信息，用于结构的定位、配合和校正。
例如，在卫星发射前，需要准确测量各个部件的尺寸和相对位置，确保卫星能够正确地组装在一起。
2.微加工测量在微加工过程中，激光干涉测量技术可以测量微米级别的形变和表面质量，用于控制产品质量和优化加工过程。
例如，在制造微纳米光学器件时，需要测量器件的形变和表面质量，以确保其性能优异。
3.医学应用激光干涉测量技术可以应用于医学领域，用于测量人体器官和组织的形状和尺寸等参数。
例如，在牙齿修复中，激光干涉测量可以帮助医生准确测量牙齿的大小和形状，制作出合适的假牙。
4.汽车制造在汽车制造领域，激光干涉测量技术可以用于检测车身结构的尺寸和形状是否符合设计要求，以及车身表面的平整度和几何精度。
例如，在汽车制造中，需要使用激光干涉测量技术来检测车门、车窗的尺寸和形状是否正确，以确保车门、车窗能够完全密合。
5.半导体加工在半导体制造过程中，激光干涉测量技术可以用于测量芯片表面的平整度和精度，以及芯片上电路元器件的尺寸和形状等参数。
例如，在制造集成电路时，需要使用激光干涉测量技术来确保芯片表面的平整度和精度符合要求，以确保芯片的电子性能。
二、技术发展近年来，随着激光技术和计算机技术的发展，激光干涉测量技术也取得了一系列的进展。
1.高频率测量高频率测量是近年来激光干涉测量技术的一个新发展方向。
高频率测量可以在非常短的时间内获得目标结构的形状和位移信息，适用于快速运动或频繁变化的物体测量。
实验五、精密位移量的激光干涉测量方法及实验
实验五、精密位移量的激光干涉测量方法及实验一、实验目的：1．了解激光干涉测量的原理2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 二、实验原理本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green ）干涉系统，T －G 干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。
用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1所示。
图1 T －G 干涉系统激光通过扩束准直系统L 1提供入射的平面波（平行光束）。
设光轴方向为Z轴，则此平面波可用下式表示：ikz Ae Z U =)((1)式中A −−平面波的振幅，λπ2=k 为波数，λ−−激光波长此平面波经半反射镜BS 分为二束，一束经参考镜M 1，反射后成为参考光束，其复振幅U R 用下式表示)(R R z R R e A U φ⋅=(2)式中A R −−参考光束的振幅，φR （z R ）−−参考光束的位相，它由参考光程z R 决定。
另一束为透射光，经测量镜M 2反射，其复振幅U t ，用下式表示：)(t t z i t t e A U φ⋅=(3)式中A t −−测量光束的振幅，φt （z t ）−−测量光束的位相，它由测量光程Z t 决定。
此二束光在BS 上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。
干涉条纹的光强I(x,y)由下式决定*⋅=U U y x I ),((4)式中***+=+=t R t R U U U U U U ,，而U*，U R *，U t *为U ，U R ，U t 的共轭波。
当反射镜M 1与M 2彼此间有一交角2θ，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当θ较小，即sin θ≅θ时，经简化可求得干涉条纹的光强为：)2cos 1(2),(0θkl I y x I +=(5)式中I 0−−激光光强，l −−光程差，t R z z l -=。
式(5)说明干涉条纹由光程差l 及θ来调制。
当θ为一常数时，干涉条纹的光强如图22λ⋅=N l (6) 式中N −−干涉条纹数因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，由式(6)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量∆L 。
物理实验技术中的位移测量使用方法
物理实验技术中的位移测量使用方法引言物理实验中，位移测量是非常重要的一项技术，它可以帮助我们准确地测量物体在空间中的位置变化。
不同的实验需要不同的位移测量方法，本文将为大家介绍一些常见的物理实验中的位移测量使用方法。
一、光电法光电法是一种常见的位移测量方法，它利用光束的投射和接收来测量物体的位移。
该方法基于光电效应，通过光电传感器接收光束反射回来的光信号，进而计算物体的位移。
光电法测量位移快速准确，广泛应用于各种实验中，例如光栅移位传感器用于测量光栅条纹的位移。
二、激光干涉法激光干涉法是一种高精度的位移测量方法。
它利用激光光束的干涉现象来测量物体的位移。
将一束激光光束分成两束，分别照射到被测物体上，通过干涉效应，可以测量出物体的微小位移。
激光干涉法在实验室中广泛应用，例如在微纳尺度测量和光学仪器校准中。
三、位移传感器位移传感器是物理实验中最常用的位移测量设备之一。
位移传感器可以通过测量物体的伸缩变化、电容变化、电感变化等来获得位移信息。
它们通常由传感器头和信号处理部分组成。
常见的位移传感器有电容传感器、电感传感器和线性变阻传感器等。
根据实验需求，可以选择不同类型的位移传感器来实现高精度的位移测量。
四、高速相机法高速相机法是一种用于测量物体运动位移的方法。
它通过使用高帧率的相机来捕捉物体连续的图像。
通过分析这些图像中物体的移动情况，可以推算出物体的位移。
高速相机法在物理实验中广泛用于研究快速运动的物体，例如高速冲击试验和流体动力学研究。
五、声波测距法声波测距法是一种基于声音传播速度的位移测量方法。
它通过发射声波并接收反射回来的声波来测量物体的位移。
声波的传播速度是已知的，通过计算声波发射时刻与接收时刻的时间差，可以准确测量出物体的位移。
声波测距法广泛应用于工业领域和物理实验中的位移测量。
结论位移测量是物理实验中不可或缺的一项技术，通过光电法、激光干涉法、位移传感器、高速相机法和声波测距法等不同的测量方法，我们可以获得准确的位移数据。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，测量微小位移量是非常重要的。
微小位移量的测量可以用来研究物体的运动规律和性质，同时也可以应用到各种不同的领域，例如工程、医学、空间科学等。
光学测量方法是一种常用的方法，它采用光学原理来测量微小位移量，具有非接触性、高精度和高灵敏度等优点。
本文将介绍几种常用的光学测量方法，包括差动测量法、干涉测量法、激光测量法和数字全息测量法，并对它们的原理、应用和优缺点进行详细介绍。
差动测量法是一种基于两束光的相位差来测量微小位移量的方法。
它的基本原理是将两束光沿不同的光路传播，然后再将它们进行合并，通过比较两束光的相位差来测量位移量。
差动测量法在实际应用中有多种实现方式，例如双臂激光干涉仪、激光多普勒测速仪等。
双臂激光干涉仪是最常见的一种实现方式，它采用激光作为光源，通过将激光分为两束，分别沿不同的光路传播，并最终在相位板上进行叠加来进行测量。
在测量时，当被测物体发生微小位移时，两束光的相位差会发生变化，通过测量这种相位差的变化就可以得到位移量。
差动测量法在很多领域都有广泛的应用，例如机械工程、光学工程、材料科学等。
它具有非接触性、高精度和稳定性的优点，在微小位移量的测量中有着很高的应用价值。
但是，差动测量法也有一些缺点，例如对环境条件要求较高，需要较长的测量时间，同时对系统的稳定性和复杂性也有一定要求。
干涉测量法是一种基于光的干涉现象来测量微小位移量的方法。
干涉测量法的基本原理是利用干涉仪的干涉图样来测量光的相位差，从而得到被测物体的位移量。
干涉测量法在实际应用中有多种实现方式，例如薄膜干涉法、多束干涉法和全息干涉法等。
薄膜干涉法是一种常见的实现方式，它采用薄膜反射镜或衍射光栅等器件来产生干涉图样，通过测量干涉图样的变化来测量位移量。
在测量时，通常需要通过对干涉图样进行处理，例如通过解调或者数字图像处理等方式，来得到被测物体的位移量。
干涉测量法在很多领域都有广泛的应用，例如半导体制造、光学显微镜、生物医学等。
激光干涉测长技术
contents
目录
• 激光干涉测长技术概述 • 激光干涉测长的应用领域 • 激光干涉测长的技术优势与局限性 • 激光干涉测长的实验技术与操作流程 • 激光干涉测长的实际应用案例 • 结论
01 激光干涉测长技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测长技术是一种基于光 的干涉原理的高精度长度测量方 法。
总之，激光干涉测长技术在未来仍将 发挥重要作用，为各领域的长度测量 提供更加准确、高效、可靠的技术支 持。
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精密测量案例
总结词
非接触、高效率
详细描述
在精密测量领域，激光干涉测长技术常用于测量各种运动机构的位移和速度。由于其非接触的测量方 式和高效率的特性，能够实现快速、准确的测量，为运动控制系统的优化提供了有力支持。
科学研究案例
总结词
高灵敏度、高分辨率
详细描述
在科学研究中，激光干涉测长技术常用于测量微观尺度的变化，如生物样品的生长、化 学反应的进程等。由于其具有高灵敏度和高分辨率的特性，能够捕捉到细微的变化，为
输标02入题
该技术基于光的干涉原理，通过测量激光干涉条纹的 数量来获取长度信息，具有非接触、无损、快速、高 精度的优点。
01
03
随着激光技术和数字信号处理技术的不断发展，激光 干涉测长技术的精度和稳定性得到了显著提高，为各
领域的长度测量提供了有力支持。
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激光干涉测长技术的精度和稳定性主要取决于激光光 源的相干性、光学系统的稳定性和干涉条纹的计数精 度等方面。
03 激光干涉测长的技术优势 与局限性
技术优势
高精度测量
远程测量
激光干涉测长技术具有高精度的测量能力 ，能够实现纳米级甚至更高精度的长度测 量。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法光学测量是物理实验中常用的一种测量方法，它可以精确的测量微小的位移量。
在物理实验中，微小的位移量是非常重要的，因为它们可以提供关于物体运动和形状的关键信息。
在光学测量中有多种方法可以用来测量微小的位移量，这些方法包括干涉法、衍射法、激光测量法等。
本文将对这些光学测量方法进行详细介绍。
1.干涉法干涉法是一种光学测量方法，它利用光的干涉现象来测量微小的位移量。
当一个物体发生微小的位移时，会导致其表面或表面附近的光程发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
通过观察干涉条纹的移动，可以测量出物体的位移量。
干涉法有许多种实现方式，常见的有薄膜干涉、朗伯干涉、迈克尔逊干涉等。
薄膜干涉是一种利用薄膜表面反射光产生干涉现象的方法。
当薄膜表面发生微小的位移时，会引起薄膜的光程发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出薄膜的位移量。
朗伯干涉是一种利用透过两个旋转角度不同的偏振镜的光产生干涉现象的方法。
当光通过两个旋转角度不同的偏振镜时，会产生两束光，这两束光之间会发生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
迈克尔逊干涉是一种利用分束镜将一束光分为两束光，并使其经过不同的光程，然后再通过合束镜使其重新合并产生干涉的方法。
通过改变一个光程使得两束光之间产生相位差，从而产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
2.衍射法衍射法是一种利用光的衍射现象来测量微小的位移量的方法。
当光通过一个狭缝或者物体边缘时，会产生衍射现象。
当物体发生微小的位移时，会导致其衍射图样发生变化，从而可以通过测量衍射图样的变化来计算出物体的位移量。
衍射法有许多种实现方式，如菲涅尔衍射、菲索衍射等。
菲涅尔衍射是一种利用衍射光产生的干涉现象来测量微小的位移量的方法。
当光通过一个狭缝或者物体边缘时，会产生衍射现象，而衍射光会产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
第2章 -激光干涉测量技术-2解读
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2
激光干涉测量长度和位移
激光器1发出的光束经反射 镜12转折90º ； 经平行光管11扩束成直径 约5mm的平行光； 再经反射镜10射向分光移 相镜9分成两束； 一路反射，射向棱镜6； 另一路经反射镜2反射，射 向直角棱镜4； 直角棱镜6和4与正弦臂7绕 轴5同步旋转；两路光束经 直角棱镜6和4反射后又射 向直角棱镜8和3。
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激光外差干涉测量技术
塞曼（Zeeman）双频激光干涉仪
这束光返回后重新通过偏振分光镜，并与频率为 f1的返回光会和，然后被直角棱镜M3反射至检偏 器P2上产生拍频。
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3
激光外差干涉测量技术
塞曼（Zeeman）双频激光干涉仪
拍频信号频率为f1-(f2 ±∆f),拍频信号被光电探测 器D2接收后进入前置放大器，经过滤波放大后送 到混频器。
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第2章 激光干涉测量技术
1 概要
2
激光干涉测量长度和位移 3 激光外差干涉测量技术 4 激光移相干涉测量技术 5 激光散斑干涉测量技术 6 激光光纤干涉测量技术
7 激光多波长干涉测量技术
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3
激光外差干涉测量技术
为什么要用激光外差干涉？
一般单频激光干涉仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允 许干涉仪两臂的光强有较大变化，干涉条纹光强的变化总要以计数器 平均触发电平为中心对等分布，如图（a）所示。
6
2
激光干涉测量长度和位移
装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜10作瞄准被检测尺上的刻线用 。当工作台11运动，即基准尺的刻线通过光电显微镜的两个狭缝时，刻 线影像被光电探测器15接收，转换成电脉冲，作计算机开始计数和终止 计数的指令信号。计算机的计算结果送入显示器和打印机。
激光干涉位移测量技术
激光干涉位移测量技术摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。
本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。
关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；1 引言干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。
用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。
在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。
其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。
它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。
整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。
1.1激光干涉仪分类激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。
由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。
下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。
光的相长干涉和相消干涉：图1.光的相长以及相消干涉如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。
图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮条纹并将其转换成相关的电信号，从而获取所需要的位移信息。
整个光电系统中激光干涉仪是最重要的组成部分，虽然目前市场存在各式的激光干涉仪，但从其工作的基本原理上来说，主要可以分为单频激光干涉仪以及外差激光干涉仪两种基本类型。
激光干涉测量技术(合肥工业大学)ppt课件
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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
双角锥棱镜光路
单角锥棱镜光路
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两半反半透镜一体化光路 双光程光路
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（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
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（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
1.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
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四、应用举例
1.激光比长仪
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2.激光跟踪干涉仪 3.Renishaw新型单频激光干涉仪
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4. 激光小角度干涉仪
移动距离
L=K 2
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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 9
干涉 测距 原理
干涉测距原理
干涉测距原理是一种通过光的干涉现象来测量距离的方法。
其基本原理是利用激光器发出的一束光经过分束器分成两束光，分别照射到被测物体上并反射回来。
这两束光在空间中产生干涉，形成干涉条纹。
当两束光的光程差等于整数倍的波长时，干涉位移最大，形成明条纹；而当光程差等于半波长时，干涉位移最小，形成暗条纹。
通过观察干涉条纹的变化，可以计算出待测物体到传感器的距离。
测距时，可以根据干涉条纹的数量变化来确定距离的变化，通常使用干涉模式进行测量，即某个明条纹到某个暗条纹之间的距离作为测量的基准。
此外，还可以利用调制干涉测距原理进行测量。
调制干涉是通过对光束进行调制，使其频率发生变化，然后测量光束频率变化对应的相位变化。
通过计算相位变化，可以得到物体到传感器的距离。
干涉测距原理具有测量精度高、测量范围大、精度可调等优点，广泛应用于工业测量、地质勘探、生物医学等领域。
激光干涉测量技术
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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
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(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
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。
2
激光干涉测量长度和位移
二、测量系统组成
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
激光干涉仪测量原理及应用
激光干涉仪测量原理及应用激光干涉仪是一种基于干涉原理的精密测量仪器，广泛应用于科学研究、工业制造和医疗领域。
本文将介绍激光干涉仪的测量原理、测量对象以及应用领域。
一、测量原理激光干涉仪利用激光光束的干涉现象进行测量。
首先，通过激光发生器产生一个相干的激光束，然后将光束分为两束，其中一束通过参比光路径传播，另一束通过待测物体的表面反射。
两束光束重新合并后，通过干涉现象形成干涉条纹。
根据干涉条纹的变化，可以计算出待测物体的表面形态、位移或变形信息。
在激光干涉仪中，常用的测量原理有两条著名的分支：相位差法和长度差法。
1. 相位差法相位差法通过测量干涉条纹的相位差来确定待测物体的形态、位移或变形信息。
当待测物体发生形变或位移时，相位差会发生变化。
利用激光干涉仪测量相位差，并通过相位差与位移间的关系，可以获得待测物体的位移信息。
2. 长度差法长度差法通过测量干涉条纹的长度差来确定待测物体的形态、位移或变形信息。
待测物体的表面形态、位移或变形导致光程差的改变，进而影响干涉条纹的长度差。
通过测量长度差，并通过长度差与位移间的关系，可以获得待测物体的位移信息。
二、测量对象激光干涉仪广泛应用于各个领域的测量任务中，包括科学研究、工业制造和医疗领域。
1. 科学研究在科学研究领域，激光干涉仪常用于测量微小位移和形变。
例如，在光学领域，激光干涉仪可用于测量光学元件的表面形态和位移，以及光学系统的变形；在材料科学中，激光干涉仪可用于测量材料的热膨胀、压力变形等。
2. 工业制造在工业制造领域，激光干涉仪被广泛应用于检测和测量任务中。
例如，激光干涉仪可以用于检测零件的形状和尺寸，以确保制造过程的准确性和一致性。
此外，激光干涉仪还可以用于测量机械零部件的运动、振动和变形。
3. 医疗领域在医疗领域，激光干涉仪被应用于眼科手术和体内干涉成像。
在眼科手术中，激光干涉仪可以测量眼角膜的形态和厚度，以辅助眼科医生进行手术；在体内干涉成像中，激光干涉仪可以测量生物组织的纤维结构和表面形态，以帮助医生进行疾病诊断。
激光干涉测量技术在工程应力分析中的应用研究
激光干涉测量技术在工程应力分析中的应用研究激光干涉测量技术是一种精确、非接触的测量方法，它在工程应力分析中起到了重要的作用。
本文将对激光干涉测量技术的原理、应用和发展进行深入探讨，以期为工程应力分析提供更加准确和可靠的数据支持。
激光干涉测量技术是一种基于激光干涉原理的测量方法，通过测量光波的干涉现象来获取目标物体的形态、位移和形变信息。
它的原理是利用激光器产生的光束经过分束器分成两束相干光，分别照射到目标表面和参考平面上，然后再次汇聚在一个探测器上，通过测量两束光的相位差来确定目标物体的形态和位移信息。
激光干涉测量技术具有高精度、非接触、快速测量等优点，因此在工程应力分析中得到了广泛的应用。
激光干涉测量技术在工程应力分析中的应用主要体现在以下几个方面：首先，激光干涉测量技术可以用来测量工程结构物的形变和应力分布情况。
在工程实际应用中，结构物的形变和应力分布是评价工程质量和安全性的重要指标。
传统的应力测试方法往往需要侵入性的测量手段，而激光干涉测量技术可以通过非接触式测量方法，精确地测量结构物的形变和应力分布情况，能够提供准确的数据支持。
其次，激光干涉测量技术可以用来分析材料的力学性能。
材料的力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏表现，对于工程应力分析来说，了解材料的力学性能是非常关键的。
激光干涉测量技术可以通过测量材料的形变和应力分布情况，分析材料在不同载荷下的力学行为，帮助工程师和研究人员更好地了解材料的力学性能。
另外，激光干涉测量技术还可以用来测量工程结构物的振动和动态特性。
在工程领域，结构物的振动和动态特性是非常重要的，特别是对于高速列车、飞机等工程系统来说，对其振动和动态特性的掌握决定了其安全性和性能。
激光干涉测量技术通过快速、高精度的非接触式测量能够实时监测结构物的振动和动态特性，为工程师提供可靠的数据基础。
此外，激光干涉测量技术还可以应用在工程应力分析的模态分析中。
模态分析是研究结构物固有振动频率及其振型的方法。
激光干涉测量技术
干涉条纹的形成
分波面干涉
通过分波面干涉，将一束激光分成两束或多束相 干光波，使它们在空间中相遇。
固定பைடு நூலகம்程差
为了形成稳定的干涉条纹，需要保证两束光的光 程差保持恒定。
干涉图样的形成
当两束相干光波相遇时，它们的光程差会导致光 波的相位差，从而形成明暗交替的干涉图样。
激光干涉测量技术
contents
目录
• 激光干涉测量技术概述 • 激光干涉测量技术的基本原理 • 激光干涉测量技术的分类 • 激光干涉测量技术的应用实例 • 激光干涉测量技术的发展趋势与挑战
01 激光干涉测量技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测量技术是一种基于光 的干涉现象进行长度、角度等物 理量测量的高精度测量技术。
相位等参数。
通过将激光束反射到被测物体上， 并观察干涉条纹的变化，可以精
确测量物体的振动情况。
这种技术广泛应用于机械、航空 航天、汽车和能源等领域，用于 监测设备的运行状态和评估结构
的稳定性。
光学元件检测
激光干涉技术可以用于检测光 学元件的质量和性能，如透镜、 反射镜和光栅等。
通过测量干涉条纹的数量和分 布，可以评估光学元件的表面 质量和光学性能。
该技术具有更高的测量精度和更大的 测量范围，适用于大型结构、长距离 和高精度测量。
光学多普勒激光干涉测量技术
光学多普勒激光干涉测量技术是利用多普勒效应和干涉现象 相结合的原理，通过测量激光束在运动物体表面反射后产生 的多普勒频移来测量物体的速度、位移和振动等参数。
该技术具有高精度、高灵敏度和实时性的优点，广泛应用于 流速测量、振动分析、表面形貌测量等领域。
第二章 激光干涉测量技术详解
§2.1 激光干涉测量长度和位移 一、干涉测长的基本原理
当
2
2
(n1l1 n2l2 ) 2k
合成干涉光光强最亮
合成干涉光光强最弱
当
(n1l1 n2l2 ) (2k 1)
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，两路光束的光程差发生变化，干涉 条纹将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收某一条纹，当 被测对象移动一段距离时，该条纹明暗变化一次，光电探测器 输出信号将变化一个周期，记录信号变化的周期数，便确定了 被测长度 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，要监视整个测量的过程
常用移相器种类 （1）机械法移相
通过倾斜参考镜形成等厚干涉条纹
（3）光学倍频 缺点： 调整困难，对光学元
件性能要求高，界面多导致光 能损失大，而且使光的偏振态 发生不应有的变化。
(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统 1.移相器
干涉条纹计数的要求： 能够判断方向；为提高分辨率，需要对干涉条纹进行细分。
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
干涉光强
I A 2 AB cos B
2
2
光的相位与走过的光程有关：
A cos(t ) B cos(t 0 2
光程差
nl )
ni li n j l j
i 1 j 1
N
N
通过测量干涉条纹的变化量，可直接获得l或n，还可直接获 得与l和n有关的各种被测信息
菲涅耳双棱镜干涉装置
梅斯林干涉装置
特点：存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾，一
激光干涉线性位移传感器自校准技术研究
激光干涉线性位移传感器自校准技术研究引言激光干涉线性位移传感器是一种高精度、高灵敏度的测量设备，广泛应用于工程、科研和制造等领域。
然而，由于多种因素的影响，如温度变化、机械松动和光学元件老化等，传感器的测量精度会逐渐下降。
为了保持其测量精度，自校准技术成为研究的热点之一。
本文将对激光干涉线性位移传感器自校准技术进行研究和探讨。
1. 激光干涉线性位移传感器基本原理激光干涉线性位移传感器基于光的干涉原理，通过将激光光束分成两束，分别经过参考光路和测量光路后再次合成，通过测量合成光强的变化来确定被测目标的位移。
其测量精度主要受到光路长度稳定性和光学元件精度的影响。
2. 传感器测量误差的来源激光干涉线性位移传感器的测量误差来源于多个方面。
首先，温度的变化会导致激光光学路径长度发生变化，进而引起测量误差。
其次，机械部件的松动和变形也会导致光学路径长度的变化。
此外，激光光路中的光学衰减和光学元件的老化也会影响传感器的测量精度。
3. 自校准技术的应用为了减小激光干涉线性位移传感器的测量误差，研究者们提出了多种自校准技术。
其中，温度补偿技术是一种常用的方法。
通过在传感器中加入温度传感器，实时监测温度变化，并根据光学材料的热胀冷缩系数来对传感器的测量结果进行修正。
另一种自校准技术是通过在测量光路中加入参考标准，通过测量参考标准的位置来修正测量结果。
此外，还有一些基于机械结构的自校准技术，通过改进机械部件的设计和控制算法来降低机械松动和变形对传感器测量的影响。
4. 自校准技术的实现和优化在实际应用中，为了实现自校准技术，需要对传感器进行实时监测和反馈控制。
通过提高传感器的采样频率和精度，可以实时地监测传感器的状态并进行修正。
另外，通过设计合理的控制算法，可以在保证传感器的测量精度的同时，降低校准过程对传感器测量的干扰。
5. 自校准技术的实验验证为了验证自校准技术的有效性，研究者们进行了一系列的实验研究。
通过对比不同自校准技术下传感器的测量结果，可以评估自校准技术的性能和效果。
激光位移计原理
激光位移计原理
激光位移计是一种利用激光测量长度和位移的仪器，其原理是利用激
光干涉效应进行测量。
当激光束照射在待测物体上时，反射回来的激光束
会和从激光位移计里出射的参考激光束发生干涉，在探测器上形成干涉条纹。
通过测量干涉条纹的变化，可以计算出物体的位移和长度。
具体来说，激光位移计通常采用Michelson干涉仪原理进行测量。
Michelson干涉仪包括一个光器件和两条光路（参考光路和信号光路）。
在参考光路中，激光束被分成两条，一条直接向探测器发射，另一条经过
一系列反射和折射后再向探测器发射。
在信号光路中，激光束被照射到待
测物体上，反射回来后再经过一系列反射和折射后到达探测器。
当信号光
路中的反射器发生移动时，其与参考光路中的反射器之间的路径差会发生
变化，导致在探测器上形成干涉条纹。
通过计算干涉条纹的数量和间距，
可以得到待测物体的位移和长度。
激光位移计具有测量精度高、测量速度快、对待测物体无接触等优点，广泛应用于制造业、航空航天、汽车工业、光学测量等领域。
激光干涉位移测量技术
激光干涉位移测量技术激光干涉位移测量技术张欣（2021110034）摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。
本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。
关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；1 引言干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。
用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。
在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。
其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。
它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。
整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。
1.1激光干涉仪分类激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。
由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。
下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。
光的相长干涉和相消干涉：图1.光的相长以及相消干涉如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。
图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮条纹并将其转换成相关的电信号，从而获取所需要的位移信息。
激光干涉位移传感器回波原理
激光干涉位移传感器回波原理
激光干涉位移传感器是一种高精度、高灵敏度的测量仪器。
它广泛应用于机械制造、航空航天、电子半导体、光学等领域。
其测量精度高达亚微米级别，是工程测量领域不可或缺的重要设备。
激光干涉位移传感器的工作原理是基于光的干涉原理。
激光干涉位移传感器的原理是利用激光波的相干性，通过光路中的干涉效应测量被测物体的位移。
传感器由激光源、光路、检测器、计算机等部件组成，其基本工作原理如下：
激光光源发出的激光束经过分束器后被分成两束光线，分别沿两个光路传播到被测物体表面。
其中一束光线直接射向被测物体表面，成为参考光。
另一束光线射向被测物体表面后被反射回来，成为测量光。
经过干涉产生的光路差会导致在检测器中形成不同的光强分布。
通过检测器测量这两束光的干涉条纹，就可以获得被测物体的位移信息。
激光干涉位移传感器与传统的机械式传感器相比，其测量精度更高、更加灵敏。
传感器所测量的是被测物体表面微小的位移变化，因此在测量中需要考虑诸多影响因素。
例如，光电检测器的光敏度、光路长度、光路稳定性、热漂移、机械振动等。
这些因素都可能对传感器的测量精度产生影响。
因此，为了保证测量精度，需要采取一系列措施
来减小这些影响。
总体而言，激光干涉位移传感器是一种高度精确和高灵敏的测量仪器。
其工作原理基于光的干涉原理，通过干涉产生的光路差测量被测物体
的位移。
该传感器在机械制造、航空航天、光学、电子半导体等领域
具有广泛应用，并且随着现代科技的不断发展，其应用范围也在不断
扩大。
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激光干涉位移测量技术
张欣（2015110034）
摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。
本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。
关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；
1 引言
干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。
用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。
在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。
其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。
它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。
整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。
1.1激光干涉仪分类
激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。
由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。
下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。
光的相长干涉和相消干涉：
图1.光的相长以及相消干涉
如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。
图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮
条纹并将其转换成相关的电信号，从而获取所需要的位移信息。
整个光电系统中激光干涉仪是最重要的组成部分，虽然目前市场存在各式的激光干涉仪，但从其工作的基本原理上来说，主要可以分为单频激光干涉仪以及外差激光干涉仪两种基本类型。
1.1.1单频激光干涉仪
图1.2是最基本的单频激光干涉仪和信号处理示意图。
首先激光器发出激光，光束经过准直镜，通过分光镜然后分为两路，一束在参考镜和分光镜之间反射，另一束在测量镜和分光镜之间反射，最后两束激光在分光镜上汇合进而产生干涉。
两束激光的干涉光强就会随着测量镜的移动而产生干涉明暗条纹变化，通过光电探测器以及相应的光电转换电路将光强信息变成电信号，经过一系列的调理电路之后输入到数字处理器或者计算机上，计算出干涉条纹数量，之后根据公式计算出位移。
图2单频激光干涉仪原理
单频激光干涉仪测量技术虽然可以达到很高的精度，但是单频激光测量的光强信号和经过光电转换后获得的电信号都是直流信号，存在直流漂移，同时单频激光干涉仪测量技术对外界环境要求特别高，干涉仪的两臂的光强不允许有较大的变化，一旦外界环境扰动造成光强的变化，仪器可能就会停止工作。
因此整个单频激光干涉仪测量系统中对于信号的调理就显得尤为重要，这对整个光电测量系统的测量准确度有着重要的影响。
1.1.2 双频激光干涉仪
为了减小单频激光干涉仪的缺点，双频激光干涉仪通过高频调制测量信号的相位，把信号频带带出低频区，滤除环境噪声以及相应的电噪声。
图1.3是典型双频激光干涉测量系统的原理图。
12
f f BS
固定角隅棱镜测量角隅棱镜11f f ±∆光探测器检偏器[]
21f f -[]211()f f f -±∆2f 双频
激光器ν光探
测器检偏器细分计数PBS
图3双频激光干涉仪
从激光器中发出两束同轴的并且在偏振方向上相互垂直的线偏振光，其频率为，经过BS 分光镜分成两束光，其中一束经过BS 反射后直接被光电探测器所接收，作为参考光束。
此时，由马吕斯定律可知，在检测器的主截面上，这两束相互垂直的线偏振光会发生拍频现象，拍频信号被作为参考信号；另一束光经BS 投射进入PBS 偏振分光器，PBS 会把这两束偏振方向相互垂直的线偏振光分开，经反射射向固定角隅棱镜，经投射射向测量角隅棱镜。
如果测量角隅棱镜以速度V 进行移动，此时会造成多普勒效应，这时，反射回来的光束的频率变为（测量角隅棱镜的移动的方向决定了正负号的选取）。
这束光在此进入PBS ，与 重新会合后被光电探测器接收，作为测量光束，同样的，在检测器的主截面上，两束光同样会发生拍频现象，此时拍频信号作为测量信号。
由此我们可以得到解调的测量信号。
双频激光干涉仪是利用多普勒效应产生频差来测量位移信息，这种位移信息加载在和的频差上，因此对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。
2 两种激光干涉仪特点分析
单频的激光干涉仪具有装置结构简单、成本低，精度高、灵敏度好的特点。
但是它的一个根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出，其原因在于它是一种基于直流调幅信号处理的干涉仪，受环境影响严重，从而产生计数误差。
激光干涉仪产生的光信号要经过光电转换和电压放大，因此会产生直流漂移误差同时也影响着测量精度。
另一方面，由于激光功率和输出光束光强难以控制会引起输出电流变化从而引起漂移。
由于以上几个因素使得单品激光干涉仪的应用场合受到极大的限制，只能在环境条件良好的情况下使用。
而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点，它是基于外差干涉测测量原理。
和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器，因此其具有抗干扰能力强、信号噪声
小等优点，被广泛应用于在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
但是国外的双频激光干涉仪的价格昂贵，国内一些产品成本低，但是其稳定性差，寿命短。
3 国内外发展和应用现状
3.1 国内外发展现状
目前先进的激光干涉仪多来自工业发达国家，以英国雷尼绍（Renishaw）、美国安捷伦（Agilent原属 HP 公司)、美国 ZYGO三家公司的激光干涉仪比较典型也比较成熟。
我国因起步发展较晚，与发达国家尚有差距。
成都工具研究所是国内生产和供应激光干涉仪的最重要的厂家之一。
其分辨率可达20nm，最高测量速度可达300mm/s。
成都工具研究所开发的产品应用的范围很广，可以完成直线度测量、垂直度测量、平面度测量、机床位置精度检定等等。
国内清华大学、中国计量科学研究院、北京电子显微镜实验室等等都获得了纳米或者亚纳米的测量精度。
表1 国内外代表性干涉仪技术指标比对
由表1.1可以看出目前我国在大量程、纳米级精度的位移传感研究方面与国外差距巨大，各种高精度激光干涉仪均为国外品牌，分辨率优于0.5nm的纳米激光干涉仪为集成电路生产设备的核心检测仪器，对我国禁售，严重制约着我国高档数控机床与基础制造装备、精密超精密机械和光学制造装备、半导体集成电路、光学技术、航空航天、国防工业等技术领域的发展[14]，此种局面不仅涉及到我国的国防、经济安全，更关系到国家由制造大国向制造强国的战略转型。
并且由于单频激光仪的直流漂移比较严重，目前产品较少，国内外大部分还是以双频激光干涉仪为主。
产生双频激光干涉仪主要有塞曼效应和声光调制两种。
3.2国内外激光干涉仪应用现状
NIST在二十世纪90年代初研制了一台超高精度的分子测量机，主要采用了双频激光干涉仪作为检测手段，主要通过控制温度低于1m℃的浮动范围以及高度的真空环境，测量精度能达到原子尺度。
PTB在2003年成功研制除了计量型大范围扫描探针显微镜，主要采用单频激光干涉仪作为检测手段，
测量能力达到25nm×25nm×5nm测量范围，5~10nm的不确定度，1.25nm分辨率。
NRLM研制了四光束偏振迈克尔逊干涉仪，采用稳频塞曼激光作为光源、能实现硅晶格间距等基本常量的测量。
清华大学成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，光源是稳频半导体激光器，此干涉仪能达到0.39nm和0.73μm的横向和纵向分辨率。
NIM等研制差拍法-珀干涉仪用于纳米测量，其测量能力能达0.3nm的分辨力，±1.1μm的范围，低于3.5nm的不确定度。
参考文献：
[1] 所睿,范志军,李岩.双频激光干涉仪技术现状和发展[J].激光与红外,2004，34(4): 337-340.
[2] 段小艳,任冬梅.激光干涉法微位移测量综述[J].计测技术,2012，06(1): 5.
[3] 羡一民,王科峰.激光干涉仪技术和发展[J].工具技术,2003，37(11): 68-73.
[4] 谭翔飞.用于精密位移测量的单频激光干涉系统研究[D]. 浙江大学，2013.。