检测第一次讨论课 激光干涉测长仪

激光干涉测长仪

何洪坤，神和尧，张建民

（上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620）

摘要：主要介绍了运用干涉测量技术的激光干涉测长仪，比较详细的概述了光的干涉原理以及激光干涉测长仪的组成和工作原理。

关键词：激光干涉；测长仪

LASER INTERFEROMETER LENGTH MEASURING INSTRUMENT

HE Hongkun,SHEN Heyao,ZHANG Jianmin

(Shanghai University of Engineering Science ,Department of Mechanical Engineering,Shanghai 201620) Abstract：This paper describes the use of interferometry laser interferometer length measuring instrument, a more detailed overview of the principle of interference of light and composition and working principle of the laser interferometer length measuring instrument.

Key words：Laser Interferometer；Length Measuring Instrument

1 引言

干涉测量技术是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术。在激光出现以后，加之电子技术和计算机技术的发展，隔振与减振条件的改善，干涉技术得到了长足进展。干涉测量技术大多数是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度，而且应用范围十分广泛。常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫—曾德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼—格林干涉仪等；70年代以后，具有良好抗环境干扰能力的外差干涉仪，如双频激光干涉仪、光纤干涉仪也很快的发展了起来。激光干涉仪越来越实用，其性能越来越稳定，结构也越来越紧凑。

2 光的干涉原理

2.1 光波的叠加

波的叠加原理[1]：光波的叠加服从叠加原理,该原理可表述为:一列波在空间传播时,空间的每一点都引起振动。当两列波在同一空间传播时,空间各点都参与每列波在该点引起的振动。当波的独立传播定律成立时,两列波在空间交迭区域内每点的振动是各列波单独在该点产生的振动的合成,这就是波的叠加原理。2.2 光波强度的合成[2]

并不是任意的两列波都能产生干涉现象,能够产生干涉现象的两列光波必须满足相干条件,即是: （1）频率相同;

（2）存在相互平行的振动分量;

（3）两光波在相遇处有固定不变的相位差。

对于光的干涉来说,由于光源发光的特点,最关键的是要满足第3个条件。因此,在光学中获得相干光源的唯一办法就是把一个波列的光分成一束或几束波,然后再令其重合而产生稳定的干涉效应。用一分为二的方法就能使二光波的初相差保持恒定,就把光源初相位不稳定的问题解决了[3]。一般获得相干光的办法有两类:分振幅的干涉和分波面的干涉。

2.3 光的干涉

分波面干涉[8]：如果从一点光源发出的光波的波阵面上分离出两束或多束光,由于同一波阵面的各部分

均具有相同的位相,故被分离的两束或多束光可视为具有相同初相位的新的光源,于是这些光源在空间某一点相遇时产生干涉。这类干涉常又称为菲涅尔干涉。

杨氏双缝、菲涅尔双镜和毕累双半截透镜、洛埃镜等都属于这种用分波阵面方法获得相干光而实现干涉的实验。

图1 杨氏双缝干涉

分振幅干涉[4]：用以获得干涉的第二种常用的方法是:分振幅千涉,即当光线在两种介质的界面上发生部分反射和折射的时候,将波面分割为三部分(或几部分)。例如,可以利用平行平面玻璃板或两块玻璃板之间的空气层构成的空气平板获得这类分振幅干涉。当光源射到第1个表面时,部分反射,部分进入平板内部,并被平板的第二个表面反射。由平板的二个表面所反射的光束,在空间相遇则产生干涉。

分振幅干涉依据条纹获得的方式不同,通常又有等倾干涉与等厚干涉之分。

3 激光干涉测长系统的组成

激光干涉测长系统包括迈克尔逊干涉仪、激光光源、可移动平台、光电显微镜、光电计数器和显示记录装置。

激光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器，输出的是波长为632.8纳米的红光。因为氦氖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，所以氦氖激光器特别适合用作相干光源。为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措施。可移动平台携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动。光电显微镜的作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号，其瞄准精度对测量系统的总体精度有很大影响。光电计数器则对干涉条纹的移动进行计数。显示和记录装置是测量结果的输出设备，显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数及与之对应的长度，可以用专用计算机或也可以用通用的PC机替代。

4 干涉测长的基本原理[1]

激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪[4]（如图1示）,用干涉条纹来反映被测量的信息。干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两

束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。两束光的光程差可以表示为：

j M

J j N i i i l n l n ∑∑==-=∆1

1 (1)

式中j i n n ,分别为干涉仪两支光路的介质折射率；j i l l ,分别为干涉仪两支光路的几何路程。将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜M 2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。

·

被测长度L 与干涉条纹变化的次数N 和干涉仪所用光源波长λ之间的关系是 2λN

L = （2）

式（2）是激光干涉测长的基本测量方程。 从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析 δλδδλλ+=∆+∆=∆N L N N L L 即 （3）

式中δλδδ和N ，

L 分别为被测长度、干涉条纹变化计数和波长的相对误差。这说明被测长度的相对误差由两部分组成，一部分是干涉条纹计数的相对误差，另一部分是波长也就是频率的相对误差。前者是干涉测长系统的设计问题，后者除了激光稳频技术有关之外还与环境控制，即对温度、湿度、气压等的控制有关。因此激光干涉测长系统测量误差必须根据具体情况进行具体分析。

5 结论

希望通过对激光干涉测长仪的介绍，让大家对激光干涉测长仪有一个比较全面的了解，在今后使用激光干涉仪时有所帮助。

P 光束1

单模稳频He-Ne 激光器 光电计数器

显示记录装置

待测物体 激光束

光束2 光电显微镜

迈克尔逊干涉仪

M 1

M 2

可移动平台 图1 激光干涉测长仪的原理图