02 第二章激光干涉测量技术(上)

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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
XX
感谢观看
汇报人：XX
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
01
激光干涉测量技术的发展趋势
高精度测量
XX
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。

激光测量技术-第二章激光干涉测量技术

第二章激光干涉测量技术
本章主要内容: 1. 背景知识概述（重点） 2. 第一节干涉测量长度和位移（重点） 3. 第二节小角度测量仪(合并第一节) 4. 第三节外差干涉测量技术（重点） 5. 第四节激光全息干涉测量技术 6. 第五节激光散斑干涉测量技术 7. 第六节激光光纤干涉测量技术 8. 第七节激光多波长干涉测长技木
测控教研室
2006年3月6日星期一
3
一、背景知识概述
I max I min 4AB 2AB 2 光的相位与走过的光程nl有关： M 2 2 I max I min 2A 2B A B2
A cos(t ) A cos(t 0
2

nl )
已知发生相干条件，带入2-1-2式：
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24
§2.1 二、系统的组成
3) 光学倍频 L= Kλ/2k
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§2.1 二、系统的组成
4) 零光程差
Lr 与Lm相等且同向安置, 消除环境的影响,提高精度
测控教研室
2006年3月6日星期一
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§2.1 二、系统的组成
(二)、干涉条纹计数与测量结果干涉条纹计数的要求： a) 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 b) 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
测控教研室
2006年3月6日星期一
2
一、背景知识概述
则合成有：
A1 cos(t 1 ) cos(t 2 ) cos(t 1 ) cos(t 1 (1 2 ))

激光干涉测量

激光干涉测量xxxxxxxxxxxxxxx 摘要：干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。

20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。

本文介绍了激光干涉的基本原理。

关键词：激光干涉测量双频激光干涉仪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的量程，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、可以适应恶劣环境、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。

激光的出现在世界计量史上具有重大的意义。

用稳频的氦氖激光器作为光源，由于它的相干长度很大，干涉仪的测量范围可以大大的扩展；而且由于它的光束发散角小，能量集中，因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收，变为电讯号，并由计数器一个不漏的记录下来，从而提高了测量速度和测量精度，比如说我国自行设计与制造的以氦氖激光器作为光源的光电光波比长仪，可以在20分钟之内把1米线纹尺上1001条刻线依次自动鉴定完毕，精度达到±0.2μm，这就是激光干涉仪的成功例证。

一、激光干涉仪的介绍激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量，有单频的和双频的两种。

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条纹。

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和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。

使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

2、双频激光干涉仪双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪，，双频激光干涉仪可以在恒温，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。

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。

2021激光干涉测试技术完美版PPT

的比大普小通不光受源r限好m 制得多，2 。激光h 的空间相干性
§4-1 激光干预测试技术根底
1.2 影响干预条纹比照度的因素
③相干光束光强不等和杂散光的影响
设两支相干光的光强为I2=nI1，那么有
图4-4 对比度K与两支干涉光强比n的关系
可见，没有必要追求两支
K 2 n相干光束的光强严格相等。
➢于是
照度，从而提升了人眼的 K 2 n 对比度灵敏阈值，不利于
1 n m目视观测。
§4-1 激光干预测试技术根底
1.2 影响干预条纹比照度的因素
③相干光束光强不等和杂散光的影响
当n = 1时，有
K 2 2m
➢折入在射干干，涉涉其场仪中。中非尤各期其光望是学的在零杂用件散激的光光每线作个，光界能源面以的比上多干较都种涉式产可测生能量K光的中的路，n2反径由n射1进于和
n 1尤其在其中一支光束光强
➢ 非期望的杂散光进入干涉场，会严很重小影的响情条况纹下对，比人度为。降低 ➢ 设混入两支干涉光路中杂散光的强另是度一有均支害为光的I束。' 的因mI光为1 ，强这则，会甚导至致
Im ax(1nm 2n)I1Im in 不(1 适当n 地降m 低2 干涉n)图I1 样的
激光干预测试技术
概述 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，人类从此开始注意到了干涉现➢象。历史进程： 18➢01特年点托：马斯·杨(Thomas 干Y涉o测un试g技)术完成了著名的杨氏双缝实验➢，人具们有可更以高有的计测划试、灵有敏目度的和地准控确制度干；涉现象。 1坚8➢实60的绝来年理大外麦按论局表克光基部损斯波础的伤分韦光。干和(方C预附式.M测加ax试误w都差el是；按l)传的相非播干电路接光径磁束触场式理的论，为不干会按涉用对途技被术测奠件定带了 18➢81较年分大振迈幅的克式量尔程逊范(A围.M；ic共h程el干s涉on)设非计共了程干著涉名的干涉实静验态来干涉测量 “ 19➢➢以60分太在应分年波”精用类梅阵漂细。：面曼式移测(M。量ai、m精an细)研加制工成和功实第时一测台控红的宝诸石多激领光域器获动，得态以干广及涉泛微电➢子技另术外和还计可算以机利技用术有的关飞干速预发图展的，接使收光和学数干据涉处技理术技的术发计展算进入了快出速点增扩长散时函期数。、中心点亮度、光学传递函数等综合光学 1982象年质G.评Bi价nn指in标g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。

激光干涉测量技术(共39张PPT)

2 ➢ 激光干预测长的应用
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。
8
2
➢ 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。
12
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
13
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

11
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。
23
3

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。
24
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。
13
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
14
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。

激光干涉测长技术PPT课件

§6-1 激光干涉测长概述
一、激光干涉测长的基准
1975年召开的第十五届国际计量大会“要求国际计量局和各国研究所继续对这些引起辐射（指甲烷和碘稳定的氦氖激光波长）进行研究”。
由于稳频技术的进展，甲烷和碘稳定的氦氖激光波长值的稳定性和再现性都很高，因之有可能取代86Kr的波长而作为长度的自然基准。在1979年6月召开的国际“米”定义咨询委员会第六次会议上，已提出了一个“米”定义的建议草案。建议将“米”定义为“平面电磁波在1/299792458秒的时间间隔内在真空中传播的距离”。
E02 1 k k ei ei
E02 1 k 2 k cos
于是，两支光强不同引起的对比ki为：
若取k=4，则Ki可达0.8。
2k Ki 1 k
四、非期望光的抑制
那些不反映被测量的光就称为非期望光线或杂光。消除非期望的光线。采取的措施大致有以下几种：
（1）设计时尽可能减少干涉体系光学零件的数目，以减少不必要的反射面和产生非期望光线的机会。在不希望反射的界面上镀以增透膜，镜筒、镜框内表面涂黑漆，以减低非期望光线的强度。
当k=0.1时，条纹可分辨，但很难使仪器正常工作。
2．影响对比度的因素：
（式中：Δυ为光源谱线宽，δ为光程差。
又知，光源的相干长度δΔυ为
1
2
于是，只要干涉系统的光程差等于或小于光源相干长度的四分之一，
即以 1 代入对比度便可达 4 4
§6-2 激光干涉仪设计
一、基本测量公式
迈克尔逊双光束干涉仪测长的公式为（在真空中）
L
N
（“增量法”测长）
2
当介质为空气时，上式变为
N 2nL
0 式中L为被测长度，n是空气折射率，λ0是真空中的波长，N

02 第二章激光干涉测量技术(下)

录50～100个条纹；记录介质：银化物。
全息图：记录了波前信息（光强及相位）；每毫米记录
3000个以上条纹；记录介质：卤化银乳胶和重铬酸盐乳胶。
7
2.物光波再现
全息底片的透射率是记录过程时曝光光强的非线性函数，取线性部分，则有 t ( x, y) mI( x, y) 重新复位全息底片，并去掉物体照射光束，透射光波为
4
全息底片上的光强按余弦规律分布，由于参考光是固定不动的，全息底片上的干涉条纹主要由物光束调制，即干涉条纹的亮度和形状主要由物体光波决定，因此物体光波的振幅和相位以光强的形式记录在全息底片上。
基元全息图分析
一个平面光波的空间传播特性可以用空间频率这个特征参量来描述，研究平面光波沿着传播方向的空间周期分布时，每一个空间频率对应一定波长的单色波，当研究垂直于z轴的一个平面上单色光波的复振幅分布时，每一个空间频率值对应一定方向传播的单色平面光波。物光波看作由许多不同方向传播的平面波分量的线性叠加，每一个平面波分量与参考平面波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅，全息图可看做是许多基元全息图的线性组 5 合。

19
3. 时间平均法
多次曝光全息干涉测量技术推广到连续曝光这一极限情况
研究对象：特殊振动的物体原理：对周期振动的物体作一次曝光，当记录曝光时间远大于物体
振动周期时，全息图上记录的是振动物体各个状态在这段时间内的平均干涉条纹；当这些光波又重新再出现来时，它们在空间必然要相干叠加，由于物体不同点振幅不同而引起的再现波相位不同，叠加结果是再现像上必然会呈现和物体的振动状态相对应的干涉条纹，亦即产生和振动的振幅相关的干涉条纹。
激光测量技术
Laser Measurement Technology

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

激光干涉测量技术PPT32页

激光干涉测量技术
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处罚才能使犯罪得到偿还。— —达雷尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护。—— 威·厄尔
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读

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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
特点
装臵简单,但条纹间距易变,使信号不完全正交，属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。
（2）阶梯板和翼形板移相
属于分波阵面移相，容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响
（3）金属膜移相
原理：利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差
2.激光干涉仪常用的分光方法
（1）分波阵面法
菲涅耳双面镜干涉装臵
干涉仪的瞳和窗
成像光学仪器中，入瞳大小决定了进入仪器光能量的多少，而
窗的概念则和视场相联系。
干涉仪中，将光源或光源的像称为干涉仪的入瞳，观测干涉图样
的屏幕称为出窗。
干涉条纹的方向、形状、宽度、对比度、照度和干涉区域的深
度仅取决于像空间的出瞳和出窗之间的相对位臵。
0
0
LK 2
0 / n ——激光光波在空气中的波长
二、干涉仪组成
1.激光干涉仪光路系统 2.干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统 3.机械系统
（一）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
布臵原则:
1) 共路原则消除振动、温度、气流等影响 2 )考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素 3）避免光返回激光器
（1）使用角锥棱镜
双角锥棱镜光路
单角锥棱镜光路
两半反半透镜一体化光路
双光程光路
（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
QWP QWP HWP BS PBS D4
Retro-reflector
PBS D2 D1
D3
优点: 去掉直流分量和实现共模抑制；三个信号完全共路，
有效地去掉了外界振动等噪声，保证了干涉仪低频稳定性
4. 激光小角度干涉仪
原理: 利用激光干涉测位移和三角正弦原理
角锥棱镜 2 与反射镜 5 的作用 :
当1 3 2 4 定义为正向当存在反向时1 后边出现的应该是? 所以只须判断第二和第四信号的脉冲次序即可由于相差为90度, 一个计数对应的是0.25个波长所以L=Kλ/8, 分辨率提高4倍,称为四倍频计数如何提高分辨率(细分)?
三、干涉条纹对比度
定义: 明暗变化的比值
I max I min 2 AB M 2 I max I min A B 2
-1级
0级
1级
光栅衍射分光
3. 激光干涉仪常用的反射器
特点：对偏转将产生附加的光程差
平面反射器
特点：可消除偏转将产生附加的光
程差，抗偏摆和俯仰
角锥棱镜反射器
特点：只对一个方向的偏转敏感
直角棱镜反射器特点：透镜和反射镜一起绕C点旋转，
光程保持不变；容易加工，不影响偏振光的传输
猫眼反射器
4.典型的光路布臵
1.测量精度高，但前臵放大器为直流放大器；原因：输出信号的频率随测量镜的运动速度而改变，当测
量镜静止时，输出直流信号；
2.对环境要求高，不允许干涉仪两臂光强有较大的变化；原因：干涉仪光强的变化总要以计数器的平均触发电平为
中心对等分布，如果光强由于外界环境干扰引起变动，则干涉信号强度就可能落于触发电平之下，从而使仪器停止工作。
( A B cos ) cos(t 1 ) B sin sin( t 1 )
A' cos(t 1 ' )
其中 φ = φ1 - φ2
A + Bcos φ φ' = arctan ABsinφ
A' A2 2 AB cos 1 B 2
菲涅耳双棱镜干涉装臵
梅斯林干涉装臵
特点：存在条纹亮度和条纹对比度之间的矛盾，一
般使用点光源，条纹非定域，实际使用较少。
（2）分振幅法优点：可使用扩展
光源来获得较高的条纹亮度，同时又可获得较清晰的条纹。平行平板分光器立方体分光器
（3）分偏振法（PBS）
偏振分光棱镜
双折射偏振分光
（4）衍射分光法
使测量光束按原路返回，不产生光点的移动，保证干涉图形相对接收元件的位臵保持不变。
角锥棱镜在位臵Ⅰ和位臵Ⅱ的光程差为
L K
位移为则被测角度为
H
1 L K 4 4
α = arcsin H / R
改进:为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵敏度，
在对称直径位臵上布臵两个角锥棱镜
干涉数学表达式
设两路激光分别为
E1 A cos(t 1 )
则合成有
E2 B cos(t 2 )
E E1 E2 A cos(t 1 ) B cos(t 2 )
A cos(t 1 ) B cos(t 1 ) A cos(t 1 ) B cos(t 1 ) cos B sin( t 1 ) sin
以Michelson干涉仪为例: 开始测量时，两束光的光程差为
1 2nLm Lc
测量结束时，两束光的光程差为
2 2nLm L Lc 2nL 1
光程差变化量
d 2 1 2nL
测量过程中干涉条纹变化次数 d 2nL K
移动距离
激光测量技术
Laser Measurement Technology
第二章激光干涉测量技术
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术
优点
非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度
应用范围
可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化、振动等方面的测量
常用干涉仪
迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪
影响干涉条纹对比度的因素:
光源的大小、光源的单色性、两相干光波的振幅比、偏振态、背景光、各种环境因素如振动、热变形等 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
四、激光干涉测长的应用
1.激光比长仪
通过光波干涉比长的方法来检定基准米尺
2.激光跟踪干涉仪
L到P点的光程 ( LP)1 LL1 L1P ( LP) 2 LL2 L2 P 光程差
( LP)1 ( LP)2 ( LL1 LL2 ) ( L1P L2 P) 常数 ( L1P L2 P)
比累对切透镜干涉装臵
瑞利干涉仪
洛埃镜干涉装臵
迈克尔逊测星干涉装臵
测量范围： ±1°以内，
最大测量误差± 0.05 ″ 为扩大量程，采用移动式转向反射镜，测量范围可达95°, 测量精度±0.3″
【补】
傅立叶变换光谱仪
按照分光原理，光谱仪器可分为三类：棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉光谱仪基于干涉原理的典型光谱仪器：法珀干涉仪、傅立叶变换干涉仪色散型光谱仪的缺点：自由光谱范围大，但分辨率较低，为保证光谱分辨率，色散型光谱仪必需使用狭缝，这样导致光谱仪的分光本领减小，光谱仪检测的灵敏度降低。
Radian激光跟踪仪主要参数
线性测量范围（直径）
40米、100米、＞160米三种型号可选角度测量指标
水平方向：640°（±320°）垂直方向：＋79°到－60° 角度分辨力：±0.018角秒角度精度：3.5微米/米空间精度
静态：±5ppm；最佳精度5微米动态：±10ppm（2Sigma）系统分辨力：0.1微米跟踪速度：＞6米/秒最大加速度：＞2g
3.Renishaw新型单频激光干涉仪
D1、 D2、 D3的信号分别为 2 a1 b1 cos( )
2 a2 b2 cos( 90 ) 2 a3 b3 cos( 180 )
经过差分放大后
S1 (a2 a1 ) b1 cos b2 sin S2 (a3 a2 ) b3 cos b2 sin
调节运放消去直流分量，使交流幅值相等
S1 2b sin / 4 S 2 2b cos / 4
在仪器中查表可得到相位值
S1 tan / 4 S2
偏振干涉仪光学细分和移相
Retro-reflector QWP
PBS He-Ne Laser
Measured mirror
（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
法珀干涉仪的缺点：自由光谱范围小，需要与单色仪联合使用，分辨率高
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光谱仪器把被研究的辐射分解为光谱，记录单条谱线的位臵，并测量其强度。干涉仪产生的干涉条纹是光谱相干涉的结果，能否利用干涉条纹的信息去获得相干光谱的信息？也就是从分析干涉条纹得到参与干涉的光谱线的位臵（波长）及其强度呢？
的原理，在分光器的分光面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器。
优点：两光束受振动
和大气扰动的影响相同，元件少，结构紧凑。
两反
两透
缺点：两相干光束的
光强不同，影响条纹对比度
均一透一反
（4）分偏振法移相
特点:结构较复杂，不受大气
影响, 可靠。
2.干涉条纹的计数及判向原理
解决方案：在某一光臂中引入一定频率的载波，被测信
息通过载波传递：测量镜静止时，光电探测器的输出信号为载波频率的交流信号；测量镜运动时，输出信号的频率只在某一范围内增加或减少。使前臵放大器可采用交流放大器，可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移，可在现场稳定工作。这种利用外差技术的干涉仪，称为外差干涉仪或者交流（AC）干涉仪