激光干涉衍射测量

38
6.1.3 激光干涉测长应用举例（2）
激光测气体折射率： n m

0
2L
N 1
双频激光干涉仪测量空气折射率
1:偏振分光棱镜；2: 分光器；3: ¼波片；4: 真空室；5: 抽气口；6: 角锥棱镜；7: 检偏器；8: 光电接收器；9: 补偿环 39
6.1.3 激光干涉测长应用举例（3）
膜厚干涉测量系统



10
6
0 .1 1
10
7



上述要求也是对激光频率稳定度的要求。实际上，除频率不稳定引起的 误差外，还有条纹计数误差、对准误差等等一系列的测量误差。因此， 对激光频率的稳定性的要求就更高些。一般环境条件影响引起激光频率 的相对变化约为10-7，所以要获得： 10 7 的频率稳定度，必须采 取一定的稳频措施
第6章 激光在精密测量中的 应用（1）
6.1 激光干涉测量 6.2 激光衍射测量
1
补充知识：迈克尔逊干涉仪
• 迈克尔孙干涉仪原理图( i1= 0，光垂直入射)
M1
M2/
P
G1
G2
S
L1 L2 F A
M2
2
迈克尔孙干涉仪原理图(
M1 M2/
i1≠ 0)
G1（分光板）
G2（补偿板）
L1 S
M2
L2
A
F
3
Leabharlann Baidu
4
• 由M2反射的光束可以当作是从它虚像M2′反射过来的， 这样，发生干涉的光束相当于M1与M2′之间的空气薄 膜反射形成的。
5
迈克耳逊干涉仪的干涉条纹
等 倾 干 涉 条 纹
M2 M1
M2 M1 M2 与 M1 重合
M1
M1
M2
M2
等 厚 干 涉 条 纹
M2
M2
M2
M1
M1
M1
M1 M2
b b 0 kL x x k0 k
单缝衍射测量的分辨力、精度和量程:
t db dx k b
2
衍射测量原理图
2 2
kL
kL kL k b L 2 x k x x x k k k
D2
M5
S2 J—氦氖激光器； M1、M2、M3、M4、M5——平面反射镜； PBS—偏振分光镜； C1—光楔； C2—角锥棱镜； T—准直透镜； B1—分光器； B2—λ/2波片； D1、D2—光电接收器； S1、S2—光栏；
25
可逆计数器
实际应用的激光干涉仪的光路与原理光路的最主要区别是 可逆计数； 如果只有一组干涉条纹信号输入计数器，工作台的微小倒 退信号也会引起计数器增加计数，带来误差，因此需要判 断工作台的运动方向，而且计数器具有减的功能，即需要 “可逆计数器”； 设计方向判别部分，将记数脉冲分为加脉冲和减脉冲两种。
L N

2
被测长度L通过运算和显示电路直接显示出来
11
迈克尔逊干涉仪的基本误差分析
如果我们不考虑计数N的误差，则由于波长的不稳定所造成的测长L的相 对误差为(前者是干涉测长系统的设计问题，后者是波长的相对误差)
L L N N L L


如果我们要求在一米长的范围内由于波长不稳定所引起的测量误差小于 0.1m，则要求激光波长的稳定度为
当测量镜正向移动时产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时 产生的脉冲为负脉冲。
26
判向计数原理框图
干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强 信号，该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个 相位依次相差π/2的脉冲信号。实现干涉条纹的四倍频记数。相 应的测量方程变为
L N

40
41
6.2 激光衍射测量
光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其
传播方向会偏离直线传播，弯入到障 碍物的几何阴影中，并呈现光强的不 均匀分布的现象。
42
两类衍射
43
44
单缝衍射
夫琅禾费单缝衍射基本光路
45
46
47
6.2.1 激光衍射测量原理
光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位 置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。 单缝衍射测量：
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双频激光外差干涉仪
其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2
双频激光干涉仪光路图
测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为 测量镜的位移量可由下式计算
L
νD
2υ c
ν
2υ


t
υdt
0

t

2
0
ν D dt

33
大气修正
（1）Edlen经验公式；
Ln L n n (0 .3 5 7 6 1 3 8 8 8 p 0 .9 2 9 4 8 5 6 1 0 t 0 .0 5 6 0 8 3 4 3 4 f ) 1 0
6
2）空气折射率的实时测量；
( n t , p , f 1) L N
激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路 布局
18
干涉仪的典型光路布局和移相器
移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相 方法有机械移相、翼形板移相、金属膜移相和偏振法移相。 作用：使光电转换器能将条纹强度变化转换成两路相位相 差90°的电信号，以供给仪器辨向细分电路，达到辨别位 移方向、提高仪器的分辨力的目的。
2
t
νdt

2
N
37
0
6.1.3 激光干涉测长应用举例（1）
激光测角的原理与小角度干涉仪类似,都是采用三角正弦原理。如图所 示。被测的转角为：
arcsin
L R arcsin
ν D 1 ν D 2 dt
t 0
2R
激光测角原理示意图
1:偏振分光棱镜组；2: 角锥棱镜组；3, 3‘: 检偏器；4, 4’: 光电接收器； 5,5‘: 放大器；6: 倍频和计数卡；7: 计算机
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1、机械法移相
e/4
0 π/2 π
2π
π
2、移相板移相 （1）翼形板移相
20
d
β
β= 1√ndλ 2d β = 1 √2 n d λ 2d
(2)介质膜移相板移相
21
λ d 8 (n-1) 3、分光器镀膜分幅移相 4、偏振移相
d=
I
B
I’
E
λ/8
B
I0
Ia Ia’ Ib Ib’
22
美国B—B公司生产的一种激光干涉仪的光路系统
B2 S2
D2
考伦凯维奇型激光干涉仪的光路系统
S—氦氖激光器； T—准直透镜； C1—反射棱镜； R1、R2—转向棱镜； C2—角锥棱镜； S1、S2—光栏； B1、B2—分光镜； D1、D2—光电接收器；
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JG-Ⅱ型激光干涉仪的光路系统
M1
M2
J
PBS C1 C2
T
S1 D1
M3
B1 M4
B2
C1
G M S T D1 S1 S2 D2 C B C2
P
C1,C2—角锥棱镜 G—毛玻璃 M—反射镜 C—楔形平板 B—分光器 S—氦氖激光器 T—准直透镜 D1、D2—光电接收器
S1、S2—光栏
该激光干涉仪的量程 ≤1m 最小读数值为0.1μm
P—棱镜
23
R1
R2 T
S
C1 S1 D1
B1 C2
0
64 9 8 9 0 .5 m m
8
34
选定气室长度：L
0
64 10
8
nt , p , f 1 N 1 0
空气室 L
真空室
光电检测器
35
6.1.2 激光外差干涉测长技术
直流干涉仪：前置放大器为直流放大器。动镜从静止→运动→静止； 干涉条纹变化频率从0 →最大值→0；光强转化的直流信号的频率变化 范围也从0开始，需用直流放大器。 缺点：外界环境干扰能力差，只能在恒温防震条件下使用。 外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通 过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝外界环境干扰造 成的直流电平漂移。 载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的两 束光干涉会产生“光学拍”现象，转化为电信号得到差频信号。（光 外差干涉）。
13
干涉仪的分光器件和反射器件
迈克尔逊干涉仪的分光器件、反射器件和总体布局有若干 可能的选择。 干涉仪的分光器件原理：可以分为分波阵面法、分振幅法 和分偏振法。 分振幅平行平板分光器和立方棱镜分光器 偏振分光器以及由晶轴正交的偏光棱镜组成，如沃拉斯顿 棱镜。
14
M1
I3
I1 I M2
I2 I4
I 1′ I 2′ I 3′ I 4′
分光棱镜
平板分光器
n1
n2
分光棱镜
偏振分光器
15
n0 >ne e e
o
渥拉斯顿棱镜
双折射偏振分光棱镜
洛匈棱镜
16
干涉仪的分光器件和反射器件
干涉仪中常用的反射器件：平面反射器、角锥棱镜反射器（图a）、直 角棱镜反射器（图b）、猫眼反射器（图c）
17
干涉仪的典型光路布局和移相器

2
48
圆孔爱里
49
圆孔衍射测量
图表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为
I P I0[ 2 J 1( x ) x ]
2
x
2 a sin

1 .2 2
中心亮斑(即第一暗环)的直径为
d 1 . 22
f '
a
圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图
50
6
M1 M
吐级
7
吞级
8
移级
9
6.1 激光干涉测长
系统主要包括：稳频激光器、干涉仪本体及光电组合体 激光头 稳频器 氦氖激光器 光电组合体 准直透镜 光电转换 鉴向倍频 大气修正 计算机 放大 整形 输出
10
干涉仪本体
迈克尔逊干涉仪的工作原理
原理：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。
d²I/ dt² t
31
2、白光干涉定位
白光光源 准直 （a) (b) D1 D2 激光器 准直
(c ) 量块 (d) 平晶
32
大气修正
1、大气条件的影响 测长公式：L=Nλ/ 2 * λ——标准激光波长（标准大气条件下传播介质中的激光波长） * 标准大气条件——气温20°C，气压760mmHg，湿度 10mmHg; 测长公式：L=N λ0 /2n 式中：λ0——激光的真空波长； n——标准大气折射率（标准大气压下空气的折射率）； （1）被测物体长度随气温变化； （2）测量起始时刻大气条件偏离标准大气条件造成的条纹计数 误差； （3）测量过程中大气条件偏离测量起始时刻大气条件造成的条 纹计数误差；

nl
i 1
N
i i

n
J 1
M
j
lj
因此，M2沿光束2方向上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。
这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计数器计数，并 由显示和记录装置加以显示和记录。我们只要记下M2移动时干涉条纹 变化的周期数N就可以得到被测长度(即M2移动的距离)。
单缝衍射测量的原理：单缝夫琅和费衍射。条纹的光强可表示为：
I I0 sin
2

2
b
b
单缝衍射测量的基本公式:
暗条纹 sin kL
xk
k sin tan x k L
,
当被测物体尺寸改变δ 时，相当于狭缝尺 寸改变δ ，衍射条纹的位置也随之改变, 可得 1 1
12
激光干涉测长仪的主要结构
激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器，输出的是波 长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措 施； 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） 可移动平台：它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； 光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数； 显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移 动的个数或与之对应的长度； 光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号；
8
判向计数原理框图
27
判向原理图
1、2—光电元件；3—干涉条纹
28
细分原理框图
29
非接触式定位
光源
聚光镜 光电倍增管 狭缝
振动反射镜 左偏离 观察目镜 振子线圈
对准时
被测线纹尺
右偏离
30
1、半光强定位
V V” V V’ V/2
D
He-Ne D1 D2
dI/d t
D” D D’ t
被测 工件
He-Ne
间隙测量法
其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图(a)。作工件形状的轮 廓测量，如图(b)。作为应变传感器使用，如图(c)。
间隙测量法的应用
用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b’-b,可采用绝对 法,求出变化前后的两个缝宽b和b’，然后相减。也可以用增量法。后 者所用公式为