激光外差干涉
双频外差激光干涉仪
双频外差激光干涉仪班级名：应用物理学1401班作者：U201410186 赵润晓同组成员：U201410187 王羽霄实验时间：2016年11月30日摘要：本实验在分析双频外差激光干涉仪的基础上，构建光路，实现了利用双频干涉侧脸位移量的功能。
关键词：双频外差激光干涉仪声光调制器光路构建一、引言【实验目的及原理】1.实验目的。
①了解双频外差激光干涉仪（dual-frequency heterodyne interferometer）的工作原理。
②熟悉各种光学镜片的功能及原理。
③熟悉双频外差干涉仪基本光路的设计和搭建，通过声光调制器（或称声光移频器）产生双频激光光束，并观察干涉仪的干涉信号。
2.实验原理。
激光的发明使得精密测量有了新的发展方向，用激光测量长度（位移或距离）主要方法有两种。
一是以迈克尔逊干涉仪为基础的单频干涉仪；另一种是双频激光干涉仪。
①单频激光干涉仪，从激光器发出的光束经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来，会合在分光镜上而产生干涉现象。
当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件（光电传感器）和电子线路（信号放大器）等转换为电压信号；然后经整形、放大后输入信号采集系统算出相位差，最后再由相位差算出可动反射镜的位移量（一个周期对应半波长）。
由于激光频率甚高(1014Hz量级)，无法直接测量光的相位，光程差检测的传统方法都是干涉强度法，即测量由相位差所引起的光干涉信号的强度变化，间接地测量光程差。
单品激光干涉仪因此具有稳定性差的缺点。
许多内部（电子噪声和长期漂移等）和外部因素（环境变化，如温度、大气压力、折射率等的变化）都会对测量结果产生影响。
②目前高精度的激光干涉仪大多为双频激光干涉仪，产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应（Zeeman Effect）和声光调制器（Acousto-Optical Modulators，AOM）。
塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。
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。
基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法
第40卷第3期2019年5月应用光学Journal of Applied Optic;Vol.40No.3May2019文章编号：10022082(2019)03-0473-05基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法时凯12,苏俊宏12,齐媛#(1.西安工业大学光电工程学院，陕西西安710021#.陕西省光电测试与仪器重点实验室，陕西西安710021；3.西安应用光学研究所，陕西西安710065"摘要：针对光学薄膜厚度测量困难问题,提出了一种基于激光外差干涉术的薄膜厚度测量方法。
采用经典迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚度差转换为光程差，以精密位移平台为扫描机构实现薄膜厚度的逐行扫描测量。
测量系统在恒温实验条件下20min内的漂移不超过8nm,测量结果平均差小于1nm,通过与椭圆偏振仪的测量结果比较，测量差值为12.97nm,表明了该方法的可行性。
关键词：激光干涉；外差；薄膜厚度；测量中图分类号:TN247文献标志码：A DOI：10.5768/JAO201940.0303003Method of thin film thickness measurement based on laserheterodyne interferometrySHI Kai1'2,SU Junhong1'2,QI Yuan3(1.School of Optoelectronic Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an710021,China#.Shaanxi KeyLaboratory of Photoelectricity Measurement and Instrument Technology,Xi'an Technological University, Xi'an710021,China；3.Xi'an Institute of Applied Opitcs,Xi'an710065,China) Abstract：For the difficulty of measuring the thin film thickness,a method of thin film thickness measurement based on laser heterodyne interferometry was ing the classical Mi7helsoninterferen7eopti7alpath$theheterodyneinterferen7eprin7iple wasusedto7onvert thefilmthi7knessdi f eren7eintotheopti7alpathdi f eren7e$andthepre7isedispla7ementtable was used as the scanning mechanism to realize the progressive scanning measurement of the film thickness.Resultsshowthattheshi/to/themeasurementsystem within20minunderconstant temperatureexperimentalconditionsdoesnotexceed8nm$andtheaveragedeviation o/the measurementresultsisless paring with the measurement results o/thee l ipsometer$themeasurementdi/erenceis12.97nm$indicatingthe/easibilityo/themethod.Key words：laser interferometry；heterodyne；thin film thickness；measurement引言随着科学技术的不断更新，对先进光学元件表面光学薄膜的性能要求也不断提高，与之相对应的加工和检测技术也不断更新。
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。
激光外差干涉仪设计与实验研究
干 涉仪 、 法一 珀 干涉 仪及激 光 外差 干 涉仪 。前 两 种 干涉 法 均 采 用 正 向入 射 方 式 ，测 量 精 度 约 为 ｉ ０ ０ ｎ ｍ＿ ２ ｊ 。 目前 ， 高精 度 的激光 干涉仪 大 多为激 光外 差 干涉仪 ， 产
率 光束 干涉 后 产生 的拍 频 信 号 中 。 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 ， 常
收 稿 日期 ： ２ ｏ １ ３ — ０ ５ —１ ５ 修 改 日期 ： ２ ０ ｌ ３ — ０ ７ — ０ ４
和 的光束 分 别 通 过 反 射 镜 Ｍ１和 Ｍ２ ， 当位 于测 量
生 双频 激 光 的 方 法 主 要 是 利 用 塞 曼 效 应 或 声 光 移 频
器 。塞曼效 应受 频差 闭锁 现 象 影 响 ， 产 生 的 双 频 频差
一
ｌ 双 频 激 光 外 差 干 涉 仪 的 光 路 设 计
实验 中设 计 的双频 激光 外差 干涉 仪光 路 如 图 １ 所
般较 小 ， 通常 最大 频差 不超 过 ４ ＭＨｚ 。声 光 调 制方
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ
● ＇ ● ＾
ｈ ｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ｅ ｌ ｎ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
Ｌｉ Ｌ ｉ ｊ ｕ ｎ，Ｙｅ Ｘｉ ａ ｎ ｊ ｉ ，Ｙａ ｎ ｇ Ｇｕ ａ ｎ ｇ
一
种空间式的激光外差干涉实验设计方案 ， 并 自主 搭 建 实 验 装 置 ， 用 于 大学 物 理 实 验 的 教 学 与 研 究 。
双频激光外差干涉的应用技术
ａｄ ｐｅ ｉｏ ， ｒ ｇａ ｔｊｍ ｎ ａ ａ ｉｔ ｒ ｅｔ ｉｔ ｄ ｔ ｃａ ｉｔ ｔ ｎ ｅ ｕ ｌ ｈ ｒ ｔ ｉ ｉ ， ｃｒ ｉ ｅ ｄ ｐ ｌ ｎ ｒｃ ｉｎ ｔ ｎ ｎｉａ ｍｉ ｃｐ ｂｌｙ ｅ ａ ｂ ｉ ａ ａ ｅｂｌ ｓ ｏ ｇ ｓｘ ａ ｃ ａａ ｅ ｓ ｃ ａ ｏｄ ｇ ｔ ｔ ｏ ｐｅ ｓ ｓｏ － ｇ ｉ ，ｐ ａ ｌ ｎ ｒ ｙ ｉ ｒ ｙ ｃ ｒｔ ｓ ｃ ｎ ｏ ｈ ｒ
。
，
，
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 。 用 双波长 激光外 差干涉 测长 用 双波 长激光 进行 外差干 涉测量 绝对 距离 系统 ，其特 征在 于
一
反 向镜 后 ， 就 ／ｆ １ ｏ同样 因两次通 过 １４波片 ，振动 方 向再转 ／ 过 ９。， ０ ， 在分束 面上就 由反 射就透 射 。这时 ， 光 ， 与 汇 合在 一起 ，回到 激光头 的接 收系统 中去 。 该 干涉 仪系统 有 以下 两个特 点 ： １仪器 分辨率 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 ．
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。
激光测震动原理
激光测振仪的工作原理主要基于激光多普勒效应和光外差干涉技术。
具体来说，这项技术涉及以下几个关键原理：
1. 多普勒效应：当激光照射到振动的物体上时，由于物体的移动，散射回来的光波频率会发生变化。
这种现象称为多普勒频移。
通过测量这种频率的变化，可以确定物体的振动速度。
2. 光外差干涉：在这种方法中，通常会使用两束相干光——一束照射到振动物体上，另一束作为参考。
这两束光反射回来后会在探测器处产生干涉，形成可检测的干涉条纹。
分析这些条纹的变化可以获得物体振动的信息。
3. 鉴频与鉴相原理：通过锁相环技术求得多普勒频移，直接获取对应物体的振动速度（鉴频）。
或者通过正交混频后的I和Q信号，根据反正切公式获得参考光路及测量光路的相位差，从而得到被测物体的振动位移（鉴相）。
4. 外差与零差干涉：在外差干涉中，对指向物体的光束或参考光束施加一个固定频率的移频，然后对干涉信号进行处理以提取振动信息。
而零差干涉不进行移频处理，直接得到一个零频附近的多普勒调频信号，再通过光学方式解调得到相位信息。
总的来说，激光测振仪具有非接触式、高空间分辨率、宽响应频带和高速度分辨率等优点，能够进行远距离测量，并且测量时间短，线性度高。
这些特性使其在高频范围内的振动测量中表现出色，且性能不受测量距离的影响。
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。
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
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。
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。
高加速度超精密激光外差干涉测量模型
摘要 ：为 了精确 地描 述激 光外差干涉在 高加速度 超精 密测量 中加速度对位移测量精度的影响机理 与规律 ，建立 了 高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型。通 过分析测 量棱镜三 维运动对 多普勒频移的影响，推导 出高加速度
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。
激光外差干涉中声光器件的非均匀声场特性
激 光 外 差 干 涉 中声 光 器 件 的 非 均 匀声 场 特 性
霍 雷 曾晓东 ，
（ 西安电子科技大学 技术物理学院， 陕西 西安 ７０７） １０１
摘 要 ： 对 声 光 晶 体 内 部 的 声 波 反 射 使 晶 体 内声 场 分 布 不 均 匀 ， 响 衍 射 效 率 和 衍 射 光 场 分 布 ， 低 激 光 外 差 干 涉 效 率 针 影 降
的现象 ， 以不改变声 光设备为前提提出了光切趾方 法。以 Ｔｅ Ｏ 晶体为基 底 ， 理论分析 声光器 件的声场 分布 、 体光栅衬
度 及 其 对 衍 射 光 效 率 的影 响 。提 出 非均 匀 光 栅 衬 度模 型 ， 利 用 光 切 趾 法 控 制 空 间 声 场 非 均 匀 分 布 。通 过 理 论 仿 真 结 并 合 实验 测 量 ， 明 该 方 法 的 传 输 性 能 。实 验 结 果 表 明 ： 射 频 满 足 器 件 工 作 中心 频 率 在 １０ １５Ｍ Ｈｚ ， 用 切 趾 法 证 当 ０ ～ ０ 时 使 前 ， 射 光 斑 呈 现 双 峰 ， 强未 均匀 分 布 ， 光 斑 中心 不 呈 现 光 强 极 大 值 ， 射 光 束 出 现 串扰 并 携 带 大 量 噪 声 ， 差 信 号 衍 光 其 衍 外 功 率 为 一 １７ｄ ｍ； 用 切 趾 法 后 ， 场 非 均 匀 现 象 对 光 束 质 量 的影 响 得 到 改 善 ， 强 分 布 均 匀 且 呈 高 斯 结 构 ， 场 衍 射 ． Ｂ 使 声 光 声 效 率 提 高 到 ９ ， 输 带 宽 达 到 总衍 射 带 宽 的 ５ ～ ６ ％ ， 差 信 号 功 率 达 到 ３８ｄ ｍ。结 果 表 明 ： 方 法 在 优 化 传 输 ８ 传 Ｏ Ｏ 外 ． Ｂ 该 容 量 、 制 光 串扰 同时 ， 提 高 激 光 外 差 干 涉 效 率 ， 外 差 中频 信 号 电 压增 布 ； 声 声 光栅 衬 度 ； 射 效 率 ； 光 外 差 干 涉 衍 激
双频外差激光干涉仪
双频外差激光干涉仪班级名：应用物理学1401班作者：U201410186 赵润晓同组成员：U201410187 王羽霄实验时间：2016年11月30日摘要：本实验在分析双频外差激光干涉仪的基础上，构建光路，实现了利用双频干涉侧脸位移量的功能。
关键词：双频外差激光干涉仪声光调制器光路构建一、引言【实验目的及原理】1.实验目的。
①了解双频外差激光干涉仪（dual-frequency heterodyne interferometer）的工作原理。
②熟悉各种光学镜片的功能及原理。
③熟悉双频外差干涉仪基本光路的设计和搭建，通过声光调制器（或称声光移频器）产生双频激光光束，并观察干涉仪的干涉信号。
2.实验原理。
激光的发明使得精密测量有了新的发展方向，用激光测量长度（位移或距离）主要方法有两种。
一是以迈克尔逊干涉仪为基础的单频干涉仪；另一种是双频激光干涉仪。
①单频激光干涉仪，从激光器发出的光束经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来，会合在分光镜上而产生干涉现象。
当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件（光电传感器）和电子线路（信号放大器）等转换为电压信号；然后经整形、放大后输入信号采集系统算出相位差，最后再由相位差算出可动反射镜的位移量（一个周期对应半波长）。
由于激光频率甚高(1014Hz量级)，无法直接测量光的相位，光程差检测的传统方法都是干涉强度法，即测量由相位差所引起的光干涉信号的强度变化，间接地测量光程差。
单品激光干涉仪因此具有稳定性差的缺点。
许多内部（电子噪声和长期漂移等）和外部因素（环境变化，如温度、大气压力、折射率等的变化）都会对测量结果产生影响。
②目前高精度的激光干涉仪大多为双频激光干涉仪，产生双频激光的方法主要是利用塞曼效应（Zeeman Effect）和声光调制器（Acousto-Optical Modulators，AOM）。
塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。
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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。
并可以经过计算机或者单片机进行信号采集处理。
三：电路处理
激光发生器产生的激光作为参考信号，首先被一个光电探测器转换为参考电信号。
由于对信号处理方式不同，所用电路也有很大区别。
其中Hou等利用参考干涉仪测量非线性误差;Badami等利用恒定速度的方法测量非线性误差；例如EOM等用锁相放大器对参考信号和测量信号的相位进行积分,实现测量。
常用的处理外差干涉信号方法有两种:一种是频率域信号解调法,这种信号处理方法利用锁相环电路进行电子倍频细分,可提高测量分辨率;另一种信号处理方法则是相位解调法。
当外差干涉仪的测量镜移动时,测量光束的空间光程发生变化,从而引起了外差干涉信号的相位变化,利用相位检测法,测量出相位变化,即可测量出位移。
此电路可以在移动反射镜时发生的变化，对移动的干涉条纹进行计数。
以求出测量距离。
除了在干涉仪中采用光学倍频法提高测量的分辨率外,还必须在电信号处理
过程中利用电子倍频,提高干涉仪的分辨率。
基于基于频率相减法激光外差干涉仪光电信号处理框图
相位解调法：相位解调法是高精度外差干涉仪常用的信号处理方法。
当外差干涉仪的测量镜移动时,测量光束的空间光程发生变化,从而引起了外差干涉信号的
相位变化。
相位测量是将该信号与干涉仪的参考信号进行比相,测量出测量信号的相位变化,即测量出被测量的大小。
FPGA（单片机）法处理信号：
目前国内外常用的外差干涉仪的信号处理方法有: 频率解调法和相位解调法，以及在这两者基础上发展而来的混合法。
频率解调法实质上将干涉仪测量系统中
可移动棱镜运动产生的多普勒频移转换成正负脉冲，该脉冲记载着测量信号的变化量，然后送入可逆计数器进行计数，计数值经数据处理后即得测量结果。
相位解调法即相位测量法，相位测量法可分为广义和狭义两种，狭义的相位测量是指不满整周期相位差的测量，广义的相位测量包括整数相位差测量和不满整周期的小数相位差测量。
混合法即锁相倍频计数法( 频率解调法) 与小数相位差测量( 相位解调法) 相结合的测量方法。
先对参考信号和测量信号进行对顶错位脉冲消除处理，然后再计数，这样大大减小了送入计数器脉冲个数，也无需对两路信号进行同步锁存，更易于结果实现。
计算机控制系统：
还可以使用计算机控制系统，通过电路连接，将光电转换电路放大后使用串口与计算机相连，方便记录数据，以及进行分析。