激光干涉测长
激光干涉测长的基本原理
激光干涉测长的基本原理
激光干涉测长是一种非接触式测量方法，其基本原理如下：
1. 使用激光器产生一束单色、相干、窄束的激光。
2. 将激光分为两束，分别称为参考光和测量光。
参考光经过一个反射镜反射，与测量光相向而行。
3. 测量光照射到被测对象上，经过反射后再次与参考光相遇。
4. 参考光和测量光在相遇的地方形成干涉条纹。
这是因为两束光波相干叠加时，会出现干涉现象。
5. 干涉条纹的形态和幅度受到测量光程的影响。
测量光程是测量光从激光器出射到被测对象反射回来的总路程，包括参考光程和被测对象的光程。
6. 通过观察干涉条纹的形态和移动的情况，可以确定测量光程变化的大小，从而计算出被测对象的长度或距离。
激光干涉测长具有高精度、高分辨率、快速响应等特点，广泛应用于工业制造、科学研究、精密测量等领域。
激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
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我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
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6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源、可移 动平台、光电显微镜、光电计数器、显示记录装置
7.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（图6-5）。
图6-2 反射器
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6.1.2 激光干涉测长系统的组成
5.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，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
6. 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（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
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基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
激光干涉测量技术
式中，λ0为激光光波中心波长
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测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被测 长度L。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开始 时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测长 度L相对应的条纹数K。可把上式改写为
式中， λ=λ0／n， λ是激光光波在空气中的波长。
激光干涉测长仪的主要结构
18光强接近一致以提高对比度。
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金属膜移相光路图
机械法移相原理图
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(4)分偏振法移相 右图是分 偏振法移相的光路图。输入光 束是与垂直入射面成45◦角的 平面偏振光，由分光器和活动 反射器反射后，信号光束的输 出还是45◦的平面偏振光，因 此，它的垂直和水平分量位相 相同。在参考光路中加入1/4 波片后使参考光变成圆偏振光， 它的垂直和水平分量位相差为 90◦光束会合后用一个渥拉斯 顿棱镜使垂直分量和水平分量 分开，给出两个干涉条纹，它 们的位相差为90◦
• 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；
1.立方体分光器;2.移动反射镜
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(3)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，如下图所示。角锥棱镜Ml每移 动kλ/2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。
激光测长的原理及应用
激光测长的原理及应用1. 引言激光测长是一种非接触式测量方法，通过利用激光束与测量对象之间的相互作用，实现测量目标的长度、距离或位移。
本文将介绍激光测长的原理以及其在各个领域的应用。
2. 原理激光测长的原理基于光的干涉和散射效应。
当一束激光照射在目标上时，部分光会被目标表面散射，并返回到激光发射器。
利用光的干涉原理，我们可以测量出光束在发射和接收之间的相位差，从而得出目标的长度、距离或位移。
3. 应用激光测长在许多领域都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用场景：3.1 工业自动化激光测长在工业自动化中被广泛应用于长度、宽度和位置的测量。
例如，在生产线上，激光测长可以用于测量产品的尺寸，确保产品符合规定的标准。
此外，在机器人操作中，激光测长也可以用于测量机器人末端执行器的位移，以实现精准的操作。
3.2 航天航空激光测长在航天航空领域具有重要的应用价值。
例如，在航天器的发射过程中，激光测长可以用于测量航天器与发射台之间的间距。
此外，在飞行器的导航和定位过程中，激光测长也可以用于测量与地面或其他物体的距离，提供精确的定位信息。
3.3 医学影像激光测长在医学影像领域有着广泛的应用。
例如，在眼科手术中，激光测长可以用于测量患者眼球的曲率半径，帮助医生选择合适的人工晶体。
此外，激光测长还可以用于检测体内器官的大小和形状，提供重要的医学诊断依据。
3.4 地质勘探激光测长在地质勘探领域也有广泛的应用。
例如，在地震勘探中，激光测长可以用于测量地震波传播的时间和距离，帮助科学家确定地下地质结构。
此外，在矿山勘探中，激光测长还可以用于测量矿石的厚度和位置，提供宝贵的矿藏信息。
3.5 建筑测量激光测长在建筑测量领域被广泛应用于定位、测量和绘制。
例如，在建筑施工中，激光测长可以用于测量地面的高度差，帮助工程师进行精确的设计和施工。
此外，在建筑勘测中，激光测长还可以用于测量建筑物的墙面、屋顶和地基等尺寸，提供准确的测量数据。
第三章、激光干涉测量
第三章、激光干涉测量干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行高精密测量的一门技术。
20世纪60年代激光的出现，才使干涉测量技术得到了长足的发展。
因为激光出现以前，所用以光源单色灯经过滤光片滤光作为单色光源，其相干长度只有几mm ，且干涉条纹比较模糊，只能微小变化的测量。
激光的出现，由于激光束的高亮度和很长的相干长度（He-Ne 激光器，相干长度几十Km ），使得干涉测量的测量精度、可测量长度都有了质的提高。
激光干涉测量的应用范围很广，可用于长度、位移、角度、形状、介质折射率（通过折射率的变化还可以测量压力、温度等）变化。
激光干涉测量的原理就是将入射激光束分成两束，一束为参考光束，一束为测量光束，测量两束光的光程差的信息或n l kl n l n M j j j N i i i ⇒=-=∆∑∑==211λ。
本章主要介绍激光干涉长度测量、激光干涉微小间隙测量以及光纤干涉传感器所构成的温度、压力测量。
首先介绍激光干涉长度测量。
§3.1 激光干涉长度测量一、 激光干涉测长的基本原理干涉测长仪是一种利用“增量法”的测长仪器。
最基本的测长仪光路采用Michelson(迈克尔逊)干涉仪，参考反射镜M 1固定不动，目标反射镜M 2与被测对象固联，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，因为两光束来自于同一相干光源（同一台激光器），两光束产生的干涉条纹也将发生明暗交替的变化（因为两反射镜M 1、M 2不可能完全垂直，故应为等厚干涉）。
假设目标反射镜从M 2移至'2M ，则二光束的光程差变化量为：nL l l n l L l n c m c m 2)(2)(2=---+=∆ （3-1-1） 当用光电探测器接收干涉条纹的明暗变化时，两光束的光程差每变化一个波长（λ），干涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数λλ/2/nL k =∆=，n 为介质折射率，在空气中，n~1，故2/λk L =。
激光在长度计量中的应用
激光在长度计量中的应用摘要：随着时代的发展与科学技术水平的提高，激光技术取得了很大程度的发展，在各个领域都有了较为广泛的应用，长度计量便是激光技术应用的重要表现之一。
近年来，电子技术与计算机技术的发展，又将激光技术在长度计量中的应用提升到一个新的层次。
相比于传统的测量方法，激光测量具有高灵敏度、高精度、现代化的特点，优势明显，为我国工业水平的提升做出一定贡献。
本文就针对激光在长度计量中的应用进行研究与分析。
关键词：激光技术；长度计量；干涉测长；位移测量；应用1.激光干涉测长的原理对于激光干涉测长技术而言，它是通过干涉条纹来对被测信息进行一定程度的反映。
以迈克尔逊干涉仪为例，干涉条纹指的是一条轨迹，这一轨迹是仪器接收面上光程差相同的点相连而成。
激光器发出光束，在到达半透半反射镜之后，原先的光束被一分为二。
在行进过程之中，如果两道光束的光程相差激光半波长的偶数倍，它们之间会构成一个互相加强的关系，条纹为亮条纹；而如果是奇数倍时，它们只见的关系又会变成相互抵消，进而形成暗条纹。
两条光束的光程差可用如下公式表示：在上述公式中，n指的是光路介质折射率；l指的是光路的几何路程。
运用干涉仪测量物体时，把对象物体与其中一支光路相连，然后移动反光镜，时期保持与光束移动方向一致。
在这一过程中，反光镜每移动半波长，相应光束的光程便改变了一个波长，这样一来，干涉条纹会随之发生明暗变化，且变化过程是周期性的。
上述操作完成之后，就可以对干涉条纹的变化进行测量，进而得到所需的长度参数。
测量基本方程为：在这一基本方程中，L指的是被测长度；N指的是干涉条纹变化次数；指的是光源波长。
获得长度参数后，还需要进行进行误差分析。
公式为这一公式又可以被记作：这一公式中，为被测长度的相对误差；为干涉条纹变化计数的相对误差；为波长相对误差。
也就是说，被测长度的相对误差主要是由干涉条纹计数与波长的相对误差两部分组成。
对于干涉条纹计数相对误差而言，它一般来自于系统设计方面的问题；而造成波长相对误差的原因有很多，一方面来自于激光稳频技术，另一方面则会受到湿度、温度、气压等外部环境的控制情况影响。
使用激光干涉仪进行长度测量的技巧与注意事项
使用激光干涉仪进行长度测量的技巧与注意事项激光干涉仪是一种常用的精密测量设备，广泛应用于科技研究、工程测量和制造领域。
它通过使用激光干涉原理，可以实现高精度的长度测量。
然而，使用激光干涉仪进行测量并非易事，需要掌握一些技巧和注意事项。
本文将介绍一些常用的技巧与注意事项，以帮助读者正确地使用激光干涉仪进行长度测量。
首先，在使用激光干涉仪进行测量前，要确保仪器处于良好的工作状态。
检查激光源是否正常工作，激光束是否稳定，以及干涉信号是否清晰。
如果有异常情况，需要及时修复或更换设备。
此外，应在使用过程中避免仪器受到撞击和振动，以免影响测量结果的精确性。
其次，在进行测量时，要注意调节测量系统的各项参数。
首先，要调整光源的功率和聚焦距离，使激光束能够精确照射到被测物体上。
然后，根据被测物体的特点选择合适的测量范围和放大倍数，以确保干涉信号的清晰可见。
此外，还需要调整干涉仪的分束板和叠加板，使干涉图样对称清晰，以便准确地读取测量结果。
在进行测量时，还需要注意环境因素对测量结果的影响。
激光干涉仪对温度和空气流动比较敏感，因此应尽量在稳定的温度条件下进行测量，并避免有风的地方。
此外，需要注意避免干扰源的存在，如强光和电磁场等，因为这些干扰源可能会导致干涉信号的变化，从而影响测量的准确性。
另外，为了获得更准确的测量结果，可以采取一些提高精度的措施。
首先，测量前应对被测物体进行清洁，以避免因灰尘或污渍对测量结果产生误差。
其次，可以采用多点测量的方法，将多个测量值取平均，以降低随机误差的影响。
此外，可以通过对比和校准的方式，确定测量系统的零点，从而提高测量的绝对精度。
最后，使用激光干涉仪进行测量时，要注意数据的处理和分析。
首先，要合理选择数据采集的频率和时间间隔，以充分反映被测物体的变化情况。
其次，对于连续变化的信号，可以进行插值或拟合处理，以获得更精确的测量结果。
最后，要注意对测量结果进行误差分析，评估测量的精确性和可靠性，并及时修正和改进测量的方法和装置。
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。
多波长半导体激光干涉仪长度测量和应用
多波长半导体激光干涉仪长度测量和应用多波长半导体激光干涉仪（Multiple Wavelength Semiconductor Laser Interferometer, MWL-IF）是一种基于激光干涉原理的长度测量工具，广泛应用于科研、制造业等领域。
本文将探讨多波长半导体激光干涉仪的原理、测量方法以及其在实际应用中的优势。
多波长半导体激光干涉仪利用不同波长的激光进行干涉测量，通过测量干涉光的相位差，从而确定被测物体的长度。
与传统的单波长激光干涉仪相比，多波长半导体激光干涉仪具有更高的测量精度和更宽的测量范围。
多波长半导体激光干涉仪的工作原理是利用不同波长的激光在空间中产生干涉，形成一系列的干涉条纹。
通过测量干涉条纹的位移，可以计算出被测物体的长度。
多波长激光源可以通过改变电流或温度来实现波长的切换，从而得到不同波长的激光。
在测量过程中，多波长半导体激光干涉仪需要进行相位差的测量。
常用的方法有相位移法、相位计数法等。
相位移法是通过改变干涉光程的长度，使干涉条纹发生位移，从而测量出相位差。
相位计数法则是通过计算干涉光的相位变化来确定相位差的大小。
多波长半导体激光干涉仪在实际应用中具有许多优势。
首先，多波长激光源可以提供更高的测量精度，因为不同波长的激光在空间中具有不同的干涉条纹密度，可以提高测量的分辨率。
其次，多波长激光干涉仪具有更宽的测量范围，可以测量大范围内的长度变化。
此外，多波长激光干涉仪还可以实现非接触式测量，减少了对被测物体的损伤。
多波长半导体激光干涉仪在制造业中有着广泛的应用。
例如，在半导体芯片制造过程中，多波长激光干涉仪可以用于测量芯片的厚度和平整度，保证芯片的质量。
在微纳加工领域，多波长激光干涉仪可以用于测量微小结构的尺寸，提高加工的精度。
此外，多波长激光干涉仪还可以应用于光学元件的制造和检测、光纤通信的测量等领域。
多波长半导体激光干涉仪是一种高精度、宽范围的长度测量工具，具有广泛的应用前景。
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
激光干涉测长技术
contents
目录
• 激光干涉测长技术概述 • 激光干涉测长的应用领域 • 激光干涉测长的技术优势与局限性 • 激光干涉测长的实验技术与操作流程 • 激光干涉测长的实际应用案例 • 结论
01 激光干涉测长技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测长技术是一种基于光 的干涉原理的高精度长度测量方 法。
总之，激光干涉测长技术在未来仍将 发挥重要作用，为各领域的长度测量 提供更加准确、高效、可靠的技术支 持。
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精密测量案例
总结词
非接触、高效率
详细描述
在精密测量领域，激光干涉测长技术常用于测量各种运动机构的位移和速度。由于其非接触的测量方 式和高效率的特性，能够实现快速、准确的测量，为运动控制系统的优化提供了有力支持。
科学研究案例
总结词
高灵敏度、高分辨率
详细描述
在科学研究中，激光干涉测长技术常用于测量微观尺度的变化，如生物样品的生长、化 学反应的进程等。由于其具有高灵敏度和高分辨率的特性，能够捕捉到细微的变化，为
输标02入题
该技术基于光的干涉原理，通过测量激光干涉条纹的 数量来获取长度信息，具有非接触、无损、快速、高 精度的优点。
01
03
随着激光技术和数字信号处理技术的不断发展，激光 干涉测长技术的精度和稳定性得到了显著提高，为各
领域的长度测量提供了有力支持。
04
激光干涉测长技术的精度和稳定性主要取决于激光光 源的相干性、光学系统的稳定性和干涉条纹的计数精 度等方面。
03 激光干涉测长的技术优势 与局限性
技术优势
高精度测量
远程测量
激光干涉测长技术具有高精度的测量能力 ，能够实现纳米级甚至更高精度的长度测 量。
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。
迈克尔逊激光干涉仪测量原理
在实际测量中，都采用干涉条纹计数法。测量开始时使计数器置零（使N1 = 0），对应于被测长度，计数器计得的干涉条纹数为N = N2 。
需要指出的是，当测量是在严格的标准状态下进行，即n、λ0、Lm、Lc和被测长度或定位长度L在整个测量过程中完全保持不变时，可用公式（9-14）作为测量的基本公式。然而，在一切实际的测量中很难做到，为此，必须全面地计入在测量时间间隔（t2-t1）内。由于上述参数变化对测量结果所造成的影响，所以式（9-12）仅作为测量的基本公式。
对应的干涉条纹数为
（9-12）
显然N=N2+N1 （9-13）
其中
（9-14）
在要求进行高精度测量的场合，则需要全面地考虑测量时环境条件对标准状态偏离的影响，和在（t2-t1）测量时间内环境条件的变化（包括温度、湿度、气压、结构件的变形等）引起n、λ0、Lm、Lc 和L等参数变化对测量结果的影响。
则两束激光相互抵消，在观察屏P中心处出现暗条纹。
若将动反射镜M2 移动距离L到M 2 ，由于光束b光程的变化，观察屏P中心处的干涉条纹将出现明暗交替变化。显然，当M2移动λ/2距离时，干涉条纹就明暗交替变化一次。若在观察屏中心处记录下明暗交替变化的次数N，那么，就可测量出M2 移动到M 2 所经过的距离L，即
（9-11）
式中 Lm——测量臂长度（μ
在时刻t2 ,测量结束。动镜M2移过被测长度L（或定位距离）后处于 位置。此时光程差为
在精密长度计量或电子精密机械设备定位技术中，迈克尔逊激光干涉仪是常用的一种型式，其原理如图9-34所示。
由氦氖激光器发出的激光，经过准直透镜变为一束平行光，投射到半透明半反射镜B上，光束被分成两路。一路反射光a被反射到固定反射镜M1 ，另一路反射光b射向可动反射镜M2 。M1和M2 又分别把两束光反射回半透明半反射镜B表面会合，由于B到M1 和M2 的距离不相等，两束光a和b的传播就产生了光程差，如果在P处设置一观察屏，两束光就在观察屏P上叠加产生干涉，可以看到明暗相间的干涉条纹。
激光尺原理
激光尺原理
激光尺原理是利用激光干涉测量的一种高精度长度测量仪器。
激光尺主要由激光发射器、角反射镜和探测器三个部分组成。
激光尺的原理基于激光干涉测量技术，其中激光发射器发射出一束激光经过角反射镜反射后被探测器接收。
激光发射器产生的激光是单色、单向且相干的光线，因此可以形成干涉条纹。
角反射镜是一个具有高度精密表面的镜子，可以将激光完全反射，并且不改变激光的波长和束流方向。
探测器用于接收反射回来的激光，并将其转换为电信号。
在激光尺工作时，激光发射器将激光束射向角反射镜，在角反射镜表面产生一个干涉点，即反射点。
当目标表面距离角反射镜不同时，反射点位置也会发生改变。
干涉点的位置变化会引起激光信号的相位差发生变化。
探测器接收到反射激光信号后，通过光电转换将其转换为电信号，并经过一系列信号处理后得到测量结果。
激光尺的测量原理可以通过下面的公式表示：
L = λ(N + φ/2π)
其中，L是目标表面到角反射镜的距离，λ是激光的波长，N
是完整的周期数，φ是激光信号的相位误差。
由于N是整数，因此可以通过测量平均周期数和相位误差来得到目标表面到角反射镜的距离。
激光尺具有高分辨率、高精度和高可靠性的特点，可以应用于
许多需要精确测量长度的场合。
激光尺在机械制造、精密加工、三坐标测量、光学器件校准等领域有着广泛的应用。
综上所述，激光尺利用激光干涉测量原理进行长度测量，通过测量激光信号的相位差以及平均周期数来计算目标表面到角反射镜的距离。
激光尺具有高精度、高分辨率和高可靠性的特点，在许多应用领域有着广泛的应用。
第五讲激光外差干涉测长与测振
提出问题 解决问题
双频激光直线度测量仪，在长距离上测量直 线度，具有很高的精度和可靠性，但是这种 仪器能否用于长距离同轴度的精密测量呢？
同轴度测量仪器应具有以下的特点 (1)能够进行间断测量 (2)测量系统对激光束的平漂和角漂具有自适应能力， 光束漂移应不影响测量结果。
(3)光学系统对大气扰动应具有较强的抵抗力。
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
一小部分被反 射到检偏器5 上，检偏器的 透光轴与纸面 成450
由光电接收器6接收后 进入交流放大器7，放 大后的信号作为参考信 号送给计算机
v1光的光程较原来的减少了2AC；与此相反，v2光的光程 却增加了2BD。两者总差值等于2（AC+BD），根据这一 数值，即可以算出下落量
以线量表示 的导轨直线 性偏差
精度 测直线度的精度可达土1．5μm，其分辨率为lμm，最大检 测距离可达3m，最大下落量可测到1．5mm
(三)双频激光干涉用于同轴度的精密测量
一部分光束透过分束 镜4沿原方向射向偏振 分束棱镜8。偏振方向 互相正交的线偏振光 被偏振分束镜按偏振 方向分光， v1被反射 至参考角锥棱镜9， v2则透过8到测量角锥
棱镜10
若测量镜以速度V运动(移动或振动)，则由于多普勒 效应，从测量镜返回光束的光频发生变化，其频移
光束返回后重新通过偏振分束镜10与v1的返回光会合，经 反射镜11及透光轴与纸面成450的检偏器12后也形成 “拍” ，其拍频信号可表示为
激光外差干涉测试技术
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。
双频激光干涉仪测量
激光干涉仪测长原理典型的激光干涉仪由激光器L、偏振分光镜PBS、测量反射镜M、参考反射镜R、光电检测器D、检偏器P和三个λ/4波片Q1、Q2和Q3组成。
激光为线偏振光，经偏振分光镜分为E1和E2两线偏振光。
当两干涉臂中λ/4波片快轴(或慢轴)与X轴夹角相等且为45度时，两束光通过λ/4波片后均成为圆偏振光，反射后再次通过λ/4波片，又转换为线偏振光，但其振动方向相对原振动方向旋转了90度，且由于两干涉臂光程产生了相位差φ，根据公式：φ=2θ=φ=4πL/λ式中：λ为激光波长，干涉光路的作用是把位移L转变为合成光振动方向的旋转角θ，进而转换成光电信号的相位φ，信号处理器的作用就是测量出φ，从而计算出位移L。
垂直度的测量工具在一台机器施工实例：多轴系统双频激光干涉仪的工作原理双频激光干涉仪其双频激光测量系统由氦氖双频遥置激光干涉仪和电子实时分解系统所组成。
它具有以下优点：稳定性好，抗干扰能力强，可在较快的位移速度下测量较大的距离，使用范围广，使用方便，测量精度高。
基本原理：如图11-2所示，激光双频干涉仪的氦氖激光管，在外加直流轴向磁场的作用下，产生塞曼效应，将激光分成频率为f1和f2，旋向相反的两圆偏振光，经λ/4波片变为线偏振光。
调整λ/4玻片的旋转角度，使f l和f2的振动平面相互垂直，以互垂直，以作激光干涉图11-2 双频激光干涉仪的工作原理图1.激光管2.λ/4波片3. 参考分光镜4. 偏振分光棱境5. 基准锥体棱镜6.移动测量棱体7.10.12.检偏振镜8.9.11.光电管13.光电调制器仪的光源。
当两个线偏振光经过参考分光镜3时(见图11-2)，大部分则由偏振分光棱境4分成两束。
偏振面垂直入射面的f2全反射到与分光镜固定在一起的基准锥体棱镜上；偏振面在入射面内的f l则全部通过而射到移动测量棱体6上。
由这两个锥体棱镜反射回来的光束在偏振分光镜上合并，并在检偏振镜上混频。
当移动锥体棱镜时，由于多普勒效应，f1变成f1+△f，因而光电元件8所得到的信号是(f1+△f)-f2。
激光干涉测量技术
干涉条纹的形成
分波面干涉
通过分波面干涉，将一束激光分成两束或多束相 干光波，使它们在空间中相遇。
固定பைடு நூலகம்程差
为了形成稳定的干涉条纹，需要保证两束光的光 程差保持恒定。
干涉图样的形成
当两束相干光波相遇时，它们的光程差会导致光 波的相位差，从而形成明暗交替的干涉图样。
激光干涉测量技术
contents
目录
• 激光干涉测量技术概述 • 激光干涉测量技术的基本原理 • 激光干涉测量技术的分类 • 激光干涉测量技术的应用实例 • 激光干涉测量技术的发展趋势与挑战
01 激光干涉测量技术概述
定义与特点
定义
激光干涉测量技术是一种基于光 的干涉现象进行长度、角度等物 理量测量的高精度测量技术。
相位等参数。
通过将激光束反射到被测物体上， 并观察干涉条纹的变化，可以精
确测量物体的振动情况。
这种技术广泛应用于机械、航空 航天、汽车和能源等领域，用于 监测设备的运行状态和评估结构
的稳定性。
光学元件检测
激光干涉技术可以用于检测光 学元件的质量和性能，如透镜、 反射镜和光栅等。
通过测量干涉条纹的数量和分 布，可以评估光学元件的表面 质量和光学性能。
该技术具有更高的测量精度和更大的 测量范围，适用于大型结构、长距离 和高精度测量。
光学多普勒激光干涉测量技术
光学多普勒激光干涉测量技术是利用多普勒效应和干涉现象 相结合的原理，通过测量激光束在运动物体表面反射后产生 的多普勒频移来测量物体的速度、位移和振动等参数。
该技术具有高精度、高灵敏度和实时性的优点，广泛应用于 流速测量、振动分析、表面形貌测量等领域。
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迈克尔逊干涉仪
在干涉过程中，如果两束光的光程差是光波长的整数倍（0，1，2……），在光检测器上得到的是相长的干涉信号；如果光程差是半波长的奇数倍（0.5，1.5，2.5……），在光检测器上得到的是相消的干涉信号。
当两面平面镜严格垂直时为等倾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收为圆环形的等倾条纹；而当两面平面镜不严格垂直时是等厚干涉，可以得到以等厚交线为中心对称的直等厚条纹。
在光波的干涉中能量被重新分布，相消干涉位置的光能量被转移到相长干涉的位置，而总能量总保持守恒。
19世纪末人们通过使用气体放电管、滤色镜、狭缝或针孔成功得到了迈克耳孙干涉仪的干涉条纹，而在一个版本的迈克耳孙-莫雷实验中采用的光源是星光。
星光不具有时间相干性，但由于其从同一个点光源发出而具有足够好的空间相干性，从而可以作为迈克耳孙干涉仪的有效光源。
激光切割
激光笔
双频激光干涉仪
马赫-曾德尔干涉仪
索菲干涉仪
1．仪器构造简介
实验室中最常用的迈克耳逊干涉仪，其原理图和结构图如图1和图2所示。
M1和M2是在
相互垂直的
图1
图2
两臂上放置的两个平面反射镜，其背面各有三个调节螺旋，用来调节镜面的方位；M2是固定的，M1由精密丝杆控制，可沿臂轴前后移动，其移动距离由转盘读出。
仪器前方粗动手轮分度值为10-2mm，右侧微动手轮的分度值为10-4mm，可估读至10-5mm，两个读数手轮属于蜗轮蜗杆传动系统。
在两臂轴相交处，有一与两臂轴各成45º的平行平面玻璃板P1，且在P1的第二平面上镀以半透（半反射）膜，以便将入射光分成振幅近乎相等的反射光1和透射光2，故P1板又称为分光板。
P2也是一平行平面玻璃板，与P1平行放置，厚度和折射率均与P1相同。
由于它补偿了1与2之间附加的光程差，故称为补偿板。
从扩展光源S射来的光，到达分光板P1后被分成两部分。
反射光1在P1处反射后向着M1前进；透射光2透过P1后向着M2前进。
这两列光波分别在M1、M2上反射后沿着各自的入射方向返回，最后都到达E处。
既然这两列光波来自光源上同一点O，因而是相干光，在E 处的观察者能看到干涉图样。
由于从M2返回的光线在分光板P1的第二面上反射，使M2在M1附近形成一平行于M1的虚像M΄2，因而光在迈克耳逊干涉仪中自M1和M2的反射，相当于自M1和M΄2的反射。
由此
可见，在迈克耳逊干涉仪中所产生的干涉与厚度为d的空气膜所产生的干涉是等效的。
2．实验原理
当M1和M΄2严格平行时，所得的干涉为等倾干涉。
所有倾角为i的入射光束，由M1和M΄2反射光线的光程差Δ均为
（1）
式中i为光线在M1镜面的入射角，d为空气薄膜的厚度，它们将处于同一级干涉条纹，并定位于无限远。
这时，在图1中的E处，放一会聚透镜，在其焦平面上（或用眼在E处正对P1观察），便可观察到一组明暗相间的同心圆纹。
这些条纹的特点是：
干涉条纹的级次以中心为最高。
在干涉纹中心，因i=0，由圆纹中心出现亮点的条件
（2）
得圆心处干涉条纹的级次
（3）
当M1和M′2的间距d逐渐增大时，对于任一级干涉条纹，例如第k级，必定以以其
的值来满足，故该干涉条纹向变大（变小）的方向移动，即向外扩展。
这时，观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”，且每当间距d增加时，就有一个条纹涌出。
反之，当间距由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，间距的改变亦为。
因此，只要数出涌出或陷入的条纹数，即可得到平面镜M1以波长λ为单位的移动距离。
显然，若有N个条纹从中心涌出时，则表明M1相对于M′2移远了
（4）
反之，若有N个条纹陷入时，则表明M1和M΄2移近了同样的距离。
根据（4）式，如果已知光波的波长λ，便可由条纹变动的数目，计算出M1移动的距离和干涉条纹变动的数目，便可算出光波的波长。
本次实验每组测量N取50个条纹的“涌出”或“陷入”，并在迈氏干涉仪上读出，便可知的值，则mm nm
迈克尔孙干涉仪。