第2章--激光干涉测量技术-1
激光测量技术
激光测量技术
作者：孙长库
出版年： 2001年
本书系统地介绍了激光测量的基本原理、方法及应用,主要内容包括:激光的基本原理与技术、激光干涉测量技术、激光衍射测量技术、激光准直及多自由度测量技术、激光三维视觉测量技术等。
第一章激光原理及技术
第一节辐射理论概要
第二节激光产生的原理及条件
第三节激光的基本物理性质
第四节高斯光束
第五节稳频技术
第六节激光调制技术
第七节半导体激光器
第二章激光干涉测量技术
第一节激光干涉测量长度和位移
第二节激光小角度干涉仪
第三节激光外差干涉测量技术
第四节激光全息干涉测量技术
第五节激光散斑干涉测量技术
第六节激光光纤干涉测量技术
第七节激光多波长干涉测长技术
第三章激光衍射测量技术
第一节激光衍射测量原理
第二节激光衍射测量方法
第三节激光衍射测量的应用
第四章激光准直及多自由度测量
第一节激光准直测量原理
第二节激光准直仪的组成
第三节大气扰动及激光束漂移
第四节激光准直测量的应用
第五节激光多自由度测量技术
第五章激光视觉三维测量技术
第一节激光三角法测量原理
第二节激光视觉测量的基本原理
第三节激光视觉三维测量技术的应用第六章激光的其他测量技术
第一节激光多普勒(Doppler)测速技术第二节激光扫描测径技术
第三节激光测距技术。
工程类第二章激光干涉测量技术上
智能化测量将提高测量精度和效 率，降低人为误差和操作成本。
添加标题
添加标题展趋势包括实时数据处理、 自动校准和自我诊断功能。
激光干涉测量技术将进一步拓展 应用领域，如智能制造、医疗和 航空航天等。
01
激光干涉测量技术的实际应用案例
激光干涉仪在长度测量中的应用
测量原理：基于激光干涉原理，通过测量干涉条纹的数量来确定长度 应用场景：生产线上的长度测量、精密加工中的定位和测量、科学研究中的长度测量等 优势特点：高精度、高稳定性、非接触式测量等 未来发展：随着激光干涉测量技术的不断进步，其在长度测量领域的应用将更加广泛和精确
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激光干涉仪在振动测量中的应用
激光干涉仪的原理 振动测量中的应用场景 实验结果及分析 未来发展方向
激光干涉仪在光学元件检测中的应用
光学元件检测的必要性 激光干涉仪的工作原理 激光干涉仪在光学元件检测中的应用案例 激光干涉仪在光学元件检测中的优势与局限性
激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用
激光干涉仪的工作原理 表面粗糙度测量的重要性 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用案例 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的优势与局限性
远程测量：激光干涉测量技术可以实现远程测量，无需直接接触被测物体，具有广泛的应用前景。
抗干扰能力强：激光干涉测量技术具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境下实现稳定的测量。
缺点
设备成本高昂 对环境条件要求较高 测量精度易受干扰影响 需要专业操作人员和维护
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激光干涉测量技术的发展趋势
高精度测量
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激光干涉测量技术
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激光测量技术总结
激光测量技术第一章 激光原理与技术1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫 简并能级2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种 损耗之和.4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式5、激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X 光激光器2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。
不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。
气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性 ，最好！例1：对于直径3mm 腔镜的632.8nmHe-Ne 激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为2）激光的高亮度。
3）单色性。
激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振动4）相干性：时间相干性(同地异时)：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过的时间差τc 称为相干时间。
相干长度： 例 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7求Michelson 干涉仪的最大测量长度是多少？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。
空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性。
7、相邻两个纵模频率的间隔为谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。
例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多少?8、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq 表示原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。
激光干涉测长技术
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辩向干涉系统 如图所示为泰曼——格林型旳偏振干涉系统，其特点是用一偏振分束 器替代常规旳分束板，并在干涉仪旳不同部位安顿了某些不同旳偏振器件 （在照明系统中安顿一1/2波片，在参照光路和测量光路中各安顿一1/4波 片，而在接受部分安顿一检偏振器）。图中由He-Ne激光器输出旳线偏振 光入射到1/2波片上，1/2波片能够绕光轴旋转，以使经它出射旳偏振光振 动方向定位在任何所需旳方向上。偏振分束器旳作用是把输入旳偏振光按 偏振方向分束，使测量光束和参照光束偏振方向相互垂直。
3、2、4 、1 ；反向移动时，脉冲排列顺序为1 、 4、2、3、 1，如
图所示。在逻辑电路上可根据脉冲1旳背面是1或4来鉴别正向加脉冲 或反向减脉冲，并分别逆入加脉冲旳“门”或减脉冲旳“门”中去， 从而可得到总旳加脉冲或减脉冲信号。
判向电路除提升了仪器旳 抗干扰能力外，还把一种周期 旳干涉条纹变化（即亮暗变化 一次）变成四个脉冲输出信号。 所以在测长时，当条纹变一条 时，可逆计数器显示4个脉冲 数，这等于把条纹4细分了， 常称四倍频计数。此时每一脉 冲代表λ/8旳移动量，所测得 旳长度
第六章 激光干涉测长技术
自从1823年杨氏（Thomas Young）首先用试验措施研究光 旳干涉现象以来，对光干涉旳本质及其应用研究已延续近223 年旳历史。激光旳出现和计算机技术，微电子技术旳发展给光 干涉技术注入了新旳活力，并已成为当代光学中一种主要旳分 支。激光干涉测量技术不但被广泛用于对物体长度、角度、形 状、位移等几何量旳测量，还可利用其测量原理对物理量（如 形变、速度、振动等）及光学系统特征（如象差，光学传递函 数）等进行测量。
（2）析光镜上经常产生非期望光线。
析光板产生旳非期望光线
● 动条纹：除了在析光板镀膜面上分裂而成旳两条期望旳相干 光线1、2处，还可能产生光线3和4，其光强虽代于前者，若所形成条 纹旳间隔合适还是足以觉察出来，它和期望旳干涉图样一样，也会伴 随反射镜旳平移而运动。
激光干涉测量物体形状与运动的技术要点
激光干涉测量物体形状与运动的技术要点激光干涉测量技术是一种非接触式的测量方法，通过测量激光光束与物体表面的干涉现象，可以实现对物体形状和运动的精确测量。
在工业制造、医学影像、地质勘探等领域中，激光干涉测量技术被广泛应用。
本文将介绍激光干涉测量物体形状与运动的技术要点。
一、激光干涉测量原理激光干涉测量原理基于光的干涉现象，通过测量光程差来计算物体的形状和运动。
当激光光束照射到物体表面时，一部分光被反射回来，与原始光束发生干涉。
干涉产生的光强分布与物体表面的形状和运动状态有关。
通过分析干涉光强分布的变化，可以得到物体的形状和运动信息。
二、激光干涉测量的关键技术1. 激光光源的选择激光光源是激光干涉测量的关键组成部分。
常用的激光光源有氦氖激光器、二极管激光器等。
选择合适的激光光源要考虑到测量的精度、测量距离和成本等因素。
同时，激光光源的波长也会影响测量的精度，需要根据具体应用需求进行选择。
2. 干涉图像的获取干涉图像的获取是激光干涉测量的关键步骤。
传统的方法是使用像素平面干涉仪进行图像的获取，但这种方法需要较长的曝光时间，不适用于快速运动的物体。
近年来，高速相机和图像处理技术的发展使得实时获取干涉图像成为可能，大大提高了测量的效率和精度。
3. 相位解析与计算干涉图像中的光强分布与物体表面的形状和运动状态有关，通过分析图像中的相位信息可以得到物体的形状和运动信息。
相位解析与计算是激光干涉测量的核心技术之一。
常用的相位解析方法有空间相位解析法、频率调制法等。
相位计算的过程中需要考虑到相位的非线性变化和噪声的影响，采用合适的算法可以提高测量的精度。
4. 测量误差的分析与校正激光干涉测量中存在着各种误差，如光源的不稳定性、环境震动等。
对测量误差的分析与校正是保证测量精度的重要环节。
常用的误差分析方法有误差传递法、误差补偿法等。
通过合理的误差校正方法，可以提高测量的准确性和稳定性。
三、激光干涉测量技术的应用激光干涉测量技术在工业制造、医学影像、地质勘探等领域中有着广泛的应用。
激光干涉位移测量技术
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。
激光干涉测量技术(共39张PPT)
1、激光比长仪 激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干预比长的方法来检定基准米尺， 即通过激光干预仪实现基准米尺和光波波长比较。由于激光波长具有高度的 稳定性，其复现精度可达±5x10-8以上，所以可用激光波长作长度基准。同 时，激光干预仪的输出信号易于实现光电转换，这样就提供了实现动态自动 测量的可能性，从根本上解决了检定基准米尺的精度与效率的问题。
此干预仪的水平位移测量半径为25m,测量倾斜角为 ±45º，目标镜最大移动速度为2m/s，测量分辨力为 0.1µm。
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➢ 激光干预测长的应用
3、激光小角度干预仪
激光小角度干预仪是利用激光干预测位移和三角正弦 原理来测量角度的仪器。左图是激光小角度干预仪测 角原理图。激光器1发出的激光光束经分光镜3分成两 路，一路沿光路a射向测量棱镜2，一路沿光路b射向参 考镜4。当棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角锥 棱镜反向后，沿光路c射向反射镜5，并沿原路返回至 分光镜，与从b路返回的参考光束会和而产生干预。当 棱镜移动到位置II后，沿光路a前进的光束由于棱镜II 及平面反射镜的作用，使它们仍按原路返回，不产生 光点移动，从而干预图形相对接收元件的位置保持不 变。根据干预测位移原理可以测出角锥棱镜在位置I和 位置II的位移H，假设棱镜转动半径R，便可根据三角 正弦关系求出被测角α。位移为：H=Kλ/4， α=arcsinH/R，式中，R为棱镜转动半径。
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1 概要
2 激光干预测量长度和位移 3 激光外差干预测量技术 4 激光移相干预测量技术 5 激光散斑干预测量技术 6 激光光纤干预测量技术
7 激光多波长干预测量技术
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3 ➢ 为什么要用激光外差干预？
一般单频激光干预仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允许干预仪两臂 的光强有较大变化，干预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。
第2章 -激光干涉测量技术-2解读
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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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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
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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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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。
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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。
光的干涉知识点总结
第二章 光的干涉 知识点总结2.1.1 光的干涉现象两束(或多束)光在相遇的区域内产生相干叠加,各点的光强不同于各光波单独作用所产生的 光强之和,形成稳定的明暗交替或彩色条纹的现象 ,称为光的干涉现象。
2.1.2 干涉原理注：波的叠加原理和独立性原理成立于线性介质中 ,本书主要讨论的就是线性介质中的情况 . (1)光波的独立传播原理当两列波或多列波在同一波场中传播时， 每一列波的传播方式都不因其他波的存在而受到影 响，每列波仍然保持原有的特性(频率、波长、振动方向、传播方向等) (2)光波的叠加原理在两列或多列波的交叠区域， 波场中某点的振动等于各个波单独存在时在该点所产生振动之 和。
波叠加例子用到的数学技巧： (1)(2)注: 叠加结果为光波复振幅的矢量和，而非强度和。
分为相干叠加(叠加场的光强不等于参与叠加的波的强度和 )和非相干叠加(叠加场的光强等 于参与叠加的波的强度和). 2.1.3 波叠加的相干条件I (r ) = (E 1 + E 2 ) . (E 1 + E 2 ) 2= I 1 (r ) + I 2 (r ) + 2 E 1 . E 2干涉项： 2 E 1 . E2= E 10 . E 20 {cos(k 1 + k 2 ) . r + (Q 20 +Q 10 ) 一 (O 2 + O 1 )t +相干条件：E 10 . E 20 士 0 (干涉项不为零)O 2 = O 1 (为了获得稳定的叠加分布)Q 20 一 Q 10 = 常数 (为了使干涉场强不随时间变化)2.1.4 干涉场的衬比度 1.两束平行光的干涉场(学会推导) (1)两束平行光的干涉场cos(k 2 一 k 1 ) . r + (Q 20 一 Q 10 ) 一 (O 2 一 O 1 )t }干涉场强分布：I (x , y ) = (U 1 (x , y ) +U 2 (x , y ))(U 1 (x , y ) +U 2 (x , y ))*= I 1 + I 2 + 2 I 1I 2 cos 编Q1(,x x , y y )-k A 1(i k n s i 11p 1s i 0n ) 92x (x +(,y 00=-2i )(-k sin92x +p 20)亮度最大值处： 亮度最小值处： 条纹间距公式空间频率：(2)定义衬比度 Y = (I M - I m ) (I M + I m ) 以参与相干叠加的两个光场参数表示：2 I I I + I 衬比度的物理意义 1.光强起伏I(r 一) = I 0 (1 + Y cos Ap(r 一)2.相干度Y = 1 完全相干Y = 0 完全非相干0 < Y < 1 部分相干ƒ2AA=2.2 分波前干涉2.2.1 普通光源实现相干叠加的方法 (1)普通光源特性• 发光断续性 • 相位无序性• 各点源发光的独立性根源：微观上持续发光时间 τ 0 有限。
物理实验技术中的激光干涉测量技巧
物理实验技术中的激光干涉测量技巧激光干涉测量技术在物理实验中被广泛应用，具有高精度、非接触、高速测量等特点。
本文将介绍激光干涉测量技术的原理、常见应用以及相关的技巧。
一、激光干涉测量技术的原理激光干涉测量主要利用激光的波动性以及光的相位差来测量被测量体的形状、振动、位移等参数。
具体而言，激光束从激光器发出后经由光学系统进行整形、调节，并通过分束镜将激光分成两束光线，分别射向被测量体的不同部位。
被测量体上的反射光线再经由反射镜汇聚到合束镜并通过合束镜合并成一束，最终再通过干涉仪的光程差计算出被测物体的形状、位移等参数。
二、激光干涉测量技术的应用1. 表面形貌测量：激光干涉测量技术可以用于测量各种物体的表面形貌，如微观表面粗糙度、形状等。
通过激光干涉测量技术可以获取高精度、非接触的表面形貌信息，对于材料加工、制造工艺等领域具有重要意义。
2. 振动测量：激光干涉测量技术可以用于测量物体的振动状态，如机械结构的振动、声学振动等。
通过激光束的干涉效应可以实时地观测物体的振动状态，并得到相关参数，对于振动分析与控制具有重要意义。
3. 位移测量：激光干涉测量技术可以用于测量物体的位移。
通过激光束的干涉效应可以实时地测量物体的位移，具有高精度、高灵敏度的特点，可以应用于位移传感、结构变形检测等领域。
三、激光干涉测量技术的技巧1. 技术参数的选择：在进行激光干涉测量时，需要根据被测对象的特点选择合适的激光波长、功率、光斑直径等参数。
不同的被测对象需要不同的技术参数来保证测量的准确性和稳定性。
2. 光路设计与调整：激光干涉测量技术中的光学系统是非常重要的，合理的光路设计和调整对于获得准确的测量结果至关重要。
要注意对光路的稳定性、光斑的均匀性、光束的聚焦等问题，以保证测量的精度和可靠性。
3. 干涉信号处理：激光干涉测量所得到的干涉信号含有丰富的信息，但也伴随着一定的噪声。
因此，在信号处理时需要注意对干涉信号进行滤波、放大、数字处理等操作，以提高信噪比和测量精度。
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。
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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
激光干涉法实验技术指南
激光干涉法实验技术指南激光干涉法是一种常用的实验技术，用于测量物体的表面形貌以及光学元件的性能。
本文将为您提供一份激光干涉法实验技术指南，帮助您顺利进行实验并取得准确的结果。
一、实验所需材料和设备在进行激光干涉法实验前，需要准备以下材料和设备：1. 激光器：选择一款辐射稳定、波长单色性好的激光器，以保证实验的精确性。
2. 分束器：将激光分成两束光线，用于形成干涉图样。
分束器的选择应注意分光比和波长透过率。
3. 反射镜和透镜组：用于操控光路和调整光束的尺寸和形状。
4. 干涉图像记录装置：可以使用干涉仪、干涉条纹摄像机等设备记录干涉条纹图样。
5. 位移测量设备：用于测量干涉条纹的位移，常用的有干涉仪、相位计等。
二、实验步骤以下是一般的激光干涉法实验步骤，供参考：1. 准备工作搭建实验平台，调节激光器的位置和光束的方向，保证激光垂直入射分束器，调整分束器和反射镜的位置，使得两束光线相遇。
2. 观察干涉条纹使用干涉图像记录装置记录干涉条纹图样，并观察干涉条纹的形态和变化。
3. 调整干涉条纹根据需要调整反射镜和透镜组的位置和角度，改变光路长度差，以改变干涉条纹的形态和密度。
4. 扫描干涉条纹通过改变反射镜的位置，扫描干涉条纹，记录不同位置的干涉条纹图像，用于后续数据处理和分析。
5. 数据处理和分析使用位移测量设备测量干涉条纹的位移，通过相位差计算物体表面的形貌。
根据实验需要，可进行数学模拟和图像分析等进一步分析。
三、实验注意事项在进行激光干涉法实验时，需要注意以下事项：1. 安全操作激光器是强光源，使用时务必戴上适当的防护眼镜，避免光束直接照射眼睛。
同时，注意激光的辐射功率和波长等参数，避免对人体造成损伤。
2. 实验环境保持实验环境的相对稳定，避免外界干扰。
尽量在无风、无震动的条件下进行实验，以确保干涉条纹的清晰度和稳定性。
3. 光路调整认真调整光路的位置和角度，保证光线的准直性和平行性。
反射镜和透镜组的表面应干净，避免影响光束的传播。
实验二 双频激光干涉实验
实验二 双频激光干涉实验一、 实验目的了解双频激光干涉测量原理，设计测量长度与角度的干涉系统，并且比较一般干涉测量与双频激光干涉测量的异同。
二、 实验原理1. 测长原理如图1所示：其中L1 为稳频的激光器，Mm 、Mr 为两个全反射组件，P1、P2 为检偏器，D1、D2 为光电探测 器。
Mm 固定在被测物体上。
输出激光含频差为f ∆的两正交线偏振光分量1f 、2f 。
输出光经分光镜 BS 后，一 部分光被反射，经检偏器 P 1, 两频率分量干涉产生拍频，该信号被光电探测器D1 接 收，形成参考信号 Sr 。
透射光经线性干涉仪后，1f 、2f 被分开， 1f 进入参考臂，2f 进入测量臂，由两角锥棱镜反射返回后，在线性干涉仪上会合，经检偏器 P2 后发生干 涉，光电探测器 D2 接收干涉信号，形成测量信号 Sm 。
此时如果测量镜以速度v 移动，则1f 的返回光频率发生变化，成为1D f f +∆,D f ∆为多普勒频差，1D f f +∆通过线性干涉仪与2f 的返回光会合，经检偏后，其拍频被光电 探测器 D2 接收，Sr ，Sm 经前置放大后进入计算机进行计数。
计算机对两路信号进行比较，计算其差值±D f ∆。
进而按下式计算动镜的速度ϑ和移动的距离得出所测的长度 L 。
设在测量中动镜的移动速度v （这里v 可以随时间变化），则由多普勒效应引起的频差变化为：122D v v f f c λ∆== (1-1) 式中：1f 激光频率，c 光速，λ波长，D f ∆为动镜移动时，由它反射回来的光频率 的变化量，也就是经计算机比较计算出来的两路信号的差值。
设动镜的移动距离为D ，时间为t 则：000()222t t t D D D vdt f dt f dt N λλλε==∆⋅=∆⋅=+⎰⎰⎰ (1-2)N ε+为测量过程中动镜下的条纹数（N 为整数部分，ε为小数部分）。
00()t tD D N f dt f dt ε+=∆⋅=∆⋅∑⎰ （1-3）所以，位移D 的计算公式为：()2D N λε=+ (1-4)2. 测角原理如图2所示：如图，基于正弦尺的原理，利用角度干涉仪和角度靶镜，双频激光干涉仪就可以进行角度测量。
激光干涉测试技术
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
在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干涉测量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，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位相差。
为了保证参考平面面形精度
严格控制加工过程；
材料的线膨胀系数较小、残余应力很小；
安装时使之不产生装夹应力；
在高质量平面（如标准参考平面）的面形测量中，可以考虑用液体的表面作为参考平面。
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。
日本国家计量研究所（NRLM）研制了由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所已开始研究一些基本常数的精密测量加硅晶格间距等问题。
Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0.2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。
④ 干涉条纹计数与判向
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
光学测量技术的原理
光学测量技术的原理光学测量技术是一种利用光学原理来进行测量的技术。
它主要包括激光干涉测量、激光测距、激光剖面测量、光学成像、光学检测和光谱分析等许多方面。
其中，激光技术是光学测量技术中最为重要的一部分，因为它具有高精度、高速度、非接触性等一系列特点。
本文将从激光测量和激光干涉测量两个方面介绍光学测量技术的原理。
一、激光测量技术原理激光测量技术是利用激光束作为测量射线，通过测量探头对物体的位置、姿态、距离等参数进行测量的技术。
激光测量技术的核心是测量装置，包括激光器、光路组件、光学接收器和控制系统等。
激光器是激光测量技术的核心部件，它是将输入的电能转换为光能，并把光集中为一束射线的设备。
激光器的输出是一束相干、单色、直线传播的光束，它具有相位稳定和频率可控等特点。
光路组件是构成激光测量仪的主要组成部分，负责激光束的传输和对待测对象的照射，包括激光束的分束、合束、衍射、反射等。
光学接收器是将测量目标反射回来的激光束转换为电信号的设备，它包括光电二极管、像素阵列等，可以将暗信号转换为亮度或色度等可观察参数，进而进行计算或分析。
控制系统是激光测量技术的一个重要组成部分，用于控制测量装置和数据处理，包括传感器阵列、数据采集卡、微处理器、PC 等，可实现自动化控制和数据处理。
二、激光干涉测量原理激光干涉测量是一种利用光学干涉原理进行测量的技术。
它通过测量干涉条纹来确定待测物体的形状、尺寸、表面质量等参数。
激光干涉测量的原理是将激光分成两束，被测物体周围形成一个光路差，两束光线相互干涉后，干涉图形会随着光路差的变化而变化。
激光干涉测量的基本原理可以用杨氏干涉实验来解释。
杨氏干涉实验是通过一片半透明玻璃将一束单色光分成两束，使之相互干涉后形成干涉条纹。
在测量中，光源通过半透明片不同的光程再互相叠加，形成明暗相间的干涉条纹。
通过计算干涉条纹的位置、形状和数量，可以得出被测物体的相关参数。
激光干涉测量有很多种类型，比如常用的施密特平行条干涉仪、贝尔等离子体干涉仪、微型干涉仪等。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(2)激光干涉仪常用的分光方法 a. 分波阵面法；b. 分振幅法；c. 分偏振法
。
v c. 分偏振法：在偏振干涉在空气中的波长。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成 v 一个完整的激光干涉仪主要组成部分有：激光干涉仪光路系统、
干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统及机械系统。 (一)干涉仪光路系统 干涉仪光路系统主要包括光源、分束器和反射器。 (1)激光干涉仪常用的光源 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激光器特别适合于作相干光源。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
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，当被测对象移动一定 距离时，该条纹明暗交替变化一次，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。 v 以迈克尔逊干涉仪为例。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉测长的基本原理
v 以迈克尔逊干涉仪为例，如图2.1所示。
v 测量结束时，目标反射镜M2 移过被测长度L后，处于M2’ 的位置。此时两光束的光程差 为：
∆2=2n(Lm+L-Lc)=2nL+∆1
在测量开始和结束这段时间里， 光程差的变化量 d∆=∆2-∆1=2nL 光程差每变化一个波长，干涉条 纹就明暗交替变化一次，则测量 过程中与d∆相对应的干涉条纹变 化次数为：K= d∆/λ0=2nL/λ0
多次反射以提高测量精度的系统或者长光程干涉仪中，此项误 差不可忽略。 b. 角锥棱镜反射器。如右图所示。
角锥棱镜反射器具有抗偏摆和俯 仰的性能，可以消除偏转带来的 误差，是干涉仪中常用的器件。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (3)激光干涉仪常用的反射器 a. 平面反射镜；b. 角锥棱镜反射器；c.直角棱镜反射器；d.“猫眼 ”反射器。 c. 直角棱镜反射器
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉测长的基本原理
v 以迈克尔逊干涉仪为例，如图2.1所示。
v 设在测量开始时，一束激光经 过分光器B分成两束，它们经 参考反射镜M1和目标反射镜 M2后沿原路返回，并在分光 点O处重新相遇，两束光的光 程差为：
∆1=2n(Lm-Lc) 式中，n为空气折射率；Lm为目 标反射镜M2到分光点O的距离； Lc为参考反射镜M1到分光点O的 距离。
Ø 为使两列光波叠加后产生稳定的干涉条纹，这两列光波必须满 足三个基本相干条件：频率相同，振动方向相同和恒定的位相 差。
3
概要
Ø 显然，为发生干涉现象，必须利用同一发光原子发出的同一 波列分割出来的两束光波。原子不同时刻发出的两列波，位 相差无规则且频繁变化不会产生干涉。
Ø 两列光波发生干涉的最大光程差等于光波的波列长度，激光 波列长度比普通光源长很多（几十公里）。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (2)激光干涉仪常用的分光方法 a. 分波阵面法；b. 分振幅法；c. 分偏振法 b. 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，但振幅变小了，如迈克耳逊干涉仪。常用的分光器有：平行 平板分光器和立方体分光器，如图2.2（b）所示。
a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(4)典型的光路布局——a.使用角锥棱镜反射器
这是一种常用的光路布局，如左图所示。 优点：角锥棱镜可使入射光和反射光在空 间分离一定距离，所以，这种光路可避免 反射光束返回激光器。激光器是一个光学 谐振腔，若有光束返回激光器将引起激光 输出频率和振幅的不稳定。同时，角锥棱 镜具有抗偏摆和俯仰的性能，可以消除测 量镜偏转带来的误差。
a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
Ø 在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息。干
涉仪将光分成两路或多路，干涉条纹是两路光程差相同点联
成的轨迹，而光程差∆是干涉仪两支光路光程之差，可用下
式表示：
ni,nj分别为干涉仪两支路的介质折射率；
li,lj分别为干涉仪两支路的几何路程差。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
镜M1和M3上都镀有半反半透膜，M1用作 分光器，参考光束经M1反射后在镜M3上 与测量光束叠加，产生干涉。
M1和M3还能做成一体。如左图。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局——a.使用角锥棱镜反射器
只用一个角锥棱镜反射器作动镜还可 以组成图2.4（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。
若反射镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射镜一起 绕C点旋转时，光程保持不变。“猫眼”反射器的优点是容易加工和不 影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也可考虑用平面反射镜代替凹 面反射镜，这样更容易加工和调整。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
变，干涉条纹随之变化，测出条纹的变化
，便可获得与l或n有关的各种信息。
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第2章 激光干涉测量技术
概要 激光干涉测量长度和位移 激光外差干涉测量技术 激光移相干涉测量技术 激光全息干涉测量技术 激光散斑干涉测量技术 激光光纤干涉测量技术
激光多波长干涉测量技术
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉测长的基本原理 v 激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把目标反射
对玻璃棱镜相胶合而成，在其中
一块棱镜的胶合面上交替蒸镀氟
化镁和硫化锌镀层。入射光以布
儒斯特角进入介质层，经多次透
射和反射得到高偏振度的S分量反
射光和P分量的透射光。偏振分光
器也可以由晶轴正交的偏光棱镜
组成，如渥拉斯顿棱镜，如图2.2
（c）所示。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (3)激光干涉仪常用的反射器 a. 平面反射镜；b. 角锥棱镜反射器；c.直角棱镜反射器；d.“猫眼 ”反射器。 a. 平面反射镜：平面反射镜对偏转将产生附加的光程差。在采用
a. 使用角锥棱镜反射器 b. 整体式布局 c. 光学倍频布局 d. 零初始光程差的结构布局
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(4)典型的光路布局——c. 光学倍频布局
为提高干涉仪的灵敏度，可使用 光学倍频（也称光程差放大器） 的棱镜系统，如图2.6所示。
角锥棱镜M1每移动λ/2k，干涉条 纹便发生一次明暗交替变化，k 为倍频系数，图中k=6。 利用光学倍频的干涉系统能用简 单的脉冲计数做精密测量，而无 需进行条纹细分。这种技术还可 使干涉仪结构紧凑，减小温度、 空气及机械干扰的影响。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统 (4)典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束 与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光 路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑 测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从 不同角度 考虑的典型光路布局。
回顾
上一节课： 课程内容简介 v 实例-手持式荧光淬灭特性检测系统 今天主讲内容： 激光干涉测量技术
1
第2章 激光干涉测量技术
概要 激光干涉测量长度和位移 激光外差干涉测量技术 激光移相干涉测量技术 激光全息干涉测量技术 激光散斑干涉测量技术 激光光纤干涉测量技术
激光多波长干涉测量技术
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概要
Ø 干涉测量是以光波干涉原理为基础来进行测量的一门技术。
如右图所示，直角棱镜反射器的三个 角分别为45º、45º、90º，光入射在斜 面上。它只有两个反射面，加工起来 比较容易。对于垂直入射面的平面偏 振光不受干扰。
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激光干涉测量长度和位移
Ø 干涉仪组成——(一)干涉仪光路系统
(3)激光干涉仪常用的反射器
d. “猫眼”反射器
如右图所示，“猫眼”反射器由一个 透镜L和一个凹面反射镜M组成。反 射镜放在透镜的主焦点上，从左边来 的入射光束聚焦在反射镜上，反射镜 又把光束反射到透镜，并沿与入射光 平行的方向射出，这个作用于反射镜 的曲率无关。
缺点是这种成对使用的角锥棱镜要求配对 加工，而且加工精度要求高。故常采用一 个作为可动反射镜，参考光路中用平面反 射镜作固定反射镜，使用一个角锥棱镜作 可动反射镜。还可采用其他几种光路，如