第五讲激光外差干涉测长与测振
利用激光多普勒外差原理对振动物体测量及分析
利用激光多普勒外差原理对振动物体测量及分析霍雷;曾晓东;安毓英;冯喆珺;曹长庆【摘要】为了测量低频振动物体频率和振幅,采用激光多普勒测量和外差相干检测方法,建立一个利用激光外差干涉技术测量多普勒效应的实验,进行了理论分析和实验验证,取得了频率标准偏差数据.结果表明,系统检测物体振动频率,并对振源频率500Hz进行测量并且验证有效性,测量标准偏差小于5.6×10-8;系统信号探测强度和物体振幅呈线性关系,证明随压电陶瓷电压降低探测振幅强度减小.这一结果对了解振动目标特性是有帮助的.%Laser Doppler measurement methods and coherent heterodyne detection were adopted to measure the frequency and amplitude of low frequency vibration. An experiment setup was built, based on which the Doppler effect was measured with a heterodyne laser interferometer and the standard frequency deviation was obtained. The results shows that the system can detect the object vibration at less than 500Hz frequency, and the measurement standard deviation is less than 5. 6 x 10 ~8; The strength of the system detection signal is linear with the amplitude of object, demonstrating that the intensity detection amplitude reduces with the drop of the voltage of the piezoelectric ceramic. The result is helpful to know the characteristics of vibration targets.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)005【总页数】4页(P600-602,687)【关键词】激光技术;外差探测;多普勒效应;外差干涉;频移【作者】霍雷;曾晓东;安毓英;冯喆珺;曹长庆【作者单位】西安电子科技大学物理技术学院,西安710071;西安电子科技大学物理技术学院,西安710071;西安电子科技大学物理技术学院,西安710071;西安电子科技大学物理技术学院,西安710071;西安电子科技大学物理技术学院,西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN247引言多普勒效应是指当波源与观察者的相对位置发生变化的时候，观察者接收到波的频率会发生变化的现象。
《激光干涉测量技术》PPT课件
P
线偏振光 I
偏振化方向 (透振方向)
I 1 I 2
我们研发各种偏振片和延迟器件
o光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体
CaCO 3
纸面
当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
纸面
双 折
光光
射
方解石 晶体
晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 方向称为晶体的光轴。
在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信 息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相 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
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
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。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。
干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵 敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、 长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测 量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马 赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年 代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速， 如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉 仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。
(4)“猫眼”反射器 如下图(c)所示，它由一个透镜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(与反射镜的曲率无关)。若反 别镜的曲率中心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。
光电测试技术读书报告-激光外差干涉技术在振动测量
(2)激光散斑干涉技术
激光散斑干涉是指被测物体表面的散射光产生的散斑与另一参考光相干涉,当物体表面发生变化时,如位移或变形等,干涉条纹也发生变化。通过对这些干涉条纹的处理,可以得到物体表面的振动情况。
一.2
激光干涉测振主要的方法有:时间平均全息方法、激光散斑干涉技术、激光多普勒测振技术等。
(1)时间平均全息方法
对于在某一稳定频率下作简谐振动的物体，用连续激光照射,并在比振动周期长得多的时间内在全息干板上曝光,可将物体表面所反射的光与未作位相调制的参考光相叠加,将两束光的干涉图记录在全息干板上。其重现象由反映节线和等振幅线组成的干涉条纹来表示振幅分布。
图2是双频测长的原理图，双频激光经过分光器M1，反射光经检偏器1把两束旋向相反的圆偏振光变成偏振方向相同的两束线偏振光，他们在VD1上发生干涉，其干涉场强度I1。
而透过分光器M1的光到达分光器M2，分光后分别经过1/4波片，产生偏振方向相互垂直的两束光，这两束光分别经各自的角锥棱镜反射后，重新会聚在一起，经过检偏器2变成偏振方向相同的两束线偏振光，他们在VD2上发生干涉，其干涉场强度I2。
光电测试技术读书报告
题目：激光外差干涉技术在振动测量
方面的应用
院（系）
专业
学生
学号
2012年10月
激光外差干涉
一、
一.1
对于振动量值的计量,不仅仅是计量科学中一个非常重要的方面,而且在我们日常的科研和应用方面起着至关重要的作用。在现实中,描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度、振动频率。常用的测振技术是接触式测量，但接触式测量在精度和工作环境方面有一定的局限性，比如测量较小物体的振动,附加的传感器质量往往影响被测物体的振动,从而产生测量误差;而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。
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。
光电测试技术-n5任务.ppt
长的光干涉条纹叠加的结果。 ➢ 当λ＋Δ λ 的第m级亮 纹与λ 的第m+1级亮纹重合后，所有
亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨 干涉条纹的限度为
(m 1) m( )
阿gh，
K 1
I
x
λ
3
λ+Δλ
01
2
3
4
56
m
0
1
2
3
4
5
6
图4-1 各种波长干涉条纹的叠加 λ+Δλ
阿gh，
➢ 由此得最大干涉级m＝λ/Δλ ，与此相应的尚能产生干涉条 纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为
阿gh，
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.5 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 ➢ ②光学相位细分技术 ➢ 提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。
可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了360°。 从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为相位 细分技术。 ➢ 相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形 板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。
源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响: ✓ 由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，
第5章 干涉测量技术
第5章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。
与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。
随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、抗干涉能力、测量精度等方面有了显著的进步。
从光学零件的质量控制到光学系统的象质评价，从经典的光学技术到自适应光学工程，现代干涉测量技术的应用领域不断扩展。
另一方面，现代数字图像处理技术、传感器技术和计算机技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时自动判读，大大提高了干涉测量的精度和灵敏度。
干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹。
根据干涉条纹的形状、方向、疏密以及条纹移动等情况，可获取被测量的有关信息。
按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。
按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。
按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。
分波面是从同一光源等位相面上分两光束产生干涉(如：杨氏双缝干涉)；分振幅是利用分束镜的反射和透射分出两光束产生干涉(等倾干涉和等厚干涉)。
光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
S*分振幅法pS图5-1普通光源获得相干光的途径泰曼干涉仪分光路斐索干涉仪部分共光路§5.1 干涉测量基础干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。
当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为：ϕ12 I =I +I +2其中ϕϕϕ21Δ=-▲ 相长干涉（明）,2πϕk ±=∆2121max 2I I I I I I ++==(k= 0,1,2,3…)▲ 相消干涉（暗） ,)12(πϕ+±=∆k 2121min 2I I I I I I -+==(k = 0,1,2,3…)当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。
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。
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。
激光干涉测试技术_2011_V5
•历史进程
• 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。 • 1801年 托马斯· 杨(Thomas Young)完成了著名的杨氏双缝实验， 人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。 • 1860年 麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚 实的理论基础。 • 1881年 迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量 “以太”漂移。 • 1960年 梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子 技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快 速增长时期。 • 1982年 G.Binning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。
当λ＋Δλ的第m级亮纹λ 的第m+1级亮纹重合后，之 后所有亮纹开始重合，干涉 条纹消失。 干涉条纹消失的条件
m
图3-1 各种波长干涉条纹的叠加
λ+Δ
(m 1) m( )
由此得最大干涉级m＝λ/Δλ ，与此相应的尚能产生干涉条 纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为
大气透射率
波长
光波是电磁波，在光波中，产生感光作用与生理作用的 主要是电场强度E,我们将电场强度E称为光矢量。 光在不同介质中，频率不变，但光速不同，波长不同。
真 空 中
r vt
介 质 中
nr
光的电磁波理论基础：简谐振动的旋转矢量表示法
OM
t =0
逆时针旋转
M
E0
振幅矢量
干涉测试技术 按相干光束 传播路径 共程干涉 非共程干涉
激光干涉测长技术PPT课件
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
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
激光干涉原理在振动测量中的应用讲解
激光干涉原理在振动丈量中的应用激光干涉原理在振动丈量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个特别重要的方面。
在现实中，描绘振动特征的最常用的量值是位移、速度、加速度。
常用的测振技术是接触式丈量。
在丈量物体上安装加快度传感器，利用加快度传感器的电荷输出信号实现加快度- 速度 - 位移的有关丈量。
假如丈量较小物体的振动，附带的传感器质量常常影响被测物体的振动，从而产生丈量误差；并且一些工作场合因被测物体表面影响或是丈量条件的限制常常激光干涉原理在振动丈量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个特别重要的方面。
在现实中，描绘振动特征的最常用的量值是位移、速度、加快度。
常用的测振技术是接触式丈量。
在丈量物体上安装加快度传感器，利用加快度传感器的电荷输出信号实现加快度 - 速度 - 位移的有关丈量。
假如丈量较小物体的振动，附带的传感器质量常常影响被测物体的振动，从而产生丈量偏差；并且一些工作场合因被测物体表面影响或是丈量条件的限制常常不一样意在被测物体表面安装测振传感器。
所以设计和开发新式的非接触式、高精度、及时性的测振技术向来是工程科学和技术领域中的重要任务。
因为激光的方向性、单色性和相关性好等特征，使激光丈量技术宽泛应用于各样军事目标的丈量和精细民用丈量中，特别是在丈量各样轻微振动、目标运动的速度及其细小的变化等方面。
1激光干涉测振原理激光干涉测振技术是以激光干涉原理为根基进行测试的一门技术，测试敏捷度和正确度高，绝全局部都是非接触式的。
激光干涉原理如图 1 所示。
光源 S 处发出的频次为 f 、波长为λ的激光束一局部投射到记录介质H(比方全息干板 ) 上，光波的复振幅记为 E1，另一局部经物体 O表面反射后投射到记录介质 H 上，光波的复振幅记为 E2。
此中：式中： A1和 A2 分别为光波的振幅；σ1 和σ 2 分别是光波的位相；当E1 和 E2知足相关条件时，其光波的合成复振幅 E 为：光强散布 I 为：式(4) 的四项中前三项均为高频重量，只有第四项为低频重量，且与物体表面的状态有关。
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。
光电测试技术-第5章-激光干涉测试技术(1／6)PPT课件
▪ 历史进程：
▪ 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（后被称作牛顿环）， 人类从此开始注意到了干涉现象。
▪ 1690年，惠更斯出版《论光》，提出“波动”说。
▪ 1704年，牛顿出版《光学》，提出了“微粒”说。
▪ 1801年，托马斯·杨(Thomas Young)完成了著名的杨氏双 缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。
➢ 当 Imin = 0时K＝1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K ＝0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。
➢ 对目视干涉仪可以认为：当K＞0.75时，对比度就算是好 的；而当K＞0.5时，可以算是满意的；当K＝0.1时，条 纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。
➢ 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。
为所有的运动粒子都具有相应的波长，为隧道显微镜、原 子力显微镜的诞生做了理论准备。
▪ 1960年，梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以 及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术 的发展进入了快速增长时期。
▪ 1982年，G.Binning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。
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第5章 激光干涉测试技术
概述
▪ 特点： ➢ 具有更高的测试灵敏度和准确度； ➢ 绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件 带来表面损伤和附加误差； ➢ 较大的量程范围； ➢ 抗干扰能力强； ➢ 操作方便； ➢ 在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广 泛应用。
2021/3/3
光电测试技术-第5章 激光干涉测试技术
▪ 如果再纹现，过它程分中布用于另整外个方全向息的图光上束，作因为此照，明如光果波，再现
像会随全之息变图化缺。损一部分，仅减少了干涉条纹所
占的面积，降低了再现象的亮度和分辨力，
实像（共轭而像）对再现y 像的虚位像（置原始和像）形状是毫虚像 无影响的。y
实像
这就是说，全息图对缺损、划伤、油污、 灰尘等没有严格照明要光波求，这照一明光点波 在应用中具 有重要意义。
由于光再波现为时实原际始物物体体并光不波存在在相，位该上像是只共是轭衍的射，光即线的反向延再现物波 长线所构成，从称波之前为来原讲始，物若体原的来虚物像体或光原照波明始光是像波发。散
的话，则该光波将是会聚的。此物处光，波的再现图示
原来物体光波是发散的，所以，这一
Et tx项成,y所原E 表始r 示物m 的体光的xI波一,y在个A 全实re息像jy 图。后边某处形
成为全息图(又E 称o全 息A 干o(板x,)y 。)ejo(x,y)
➢ 全息底片仅对光强起反应，而光强可表示为光波振幅的 平方，即
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全息底片
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2020/6/26
物光波的再现图示
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物光波的再现图示 9
第5章 激光干涉测试技术
§5-4 激光全息干涉测试技术
4.1 全息术及其基本原理 ③全息术对光源的要求
▪ 由全息术的原理知道，全息图的记录和再现依赖于光的 干涉和衍射效应。因此，全息术对所用光源的要求不仅 同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出，而 且应具有为满足光束的干涉和衍射所必须的时间相干性 和空间相干性——一般选择激光器。
激光外差干涉测长与测振PPT共36页
激光外差干涉测长与测振
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
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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
激光外差干涉测试技术
引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出 的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重 要原因，信号处理及细分都比较困难。 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电 通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新 型的光外差干涉技术。 概念：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。
的第n级衍射光产生的 v nVf 频移，此处f 是光栅的空间频率， V是光栅移动速度。
激光外差干涉测试技术
（一） 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 4）声光调制器 利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动
光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动
φ( x, y) φ( x0 , y0 ) t 2πt /(1/ v)
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。
激光外差干涉测试技术
（一）激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差 2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大） 3）光学机械移频
激光外差干涉测试技术
由于光电探测器的频率响 应范围远远低于光频ω， (一) 激光外差干涉测试技术原理 它不能跟随光频变化，所 以式中含有2ω的交变项 ①外差干涉技术原理 对探测器的输出响应无贡 设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则 献。 干涉场的瞬时光强为
2
I ( x, y, t ) Er cos( )t Et cost φ( x, y)
在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如果
固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变 为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生2f的 频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后又恢复为线偏振光，但 v 2 f 频率已发生偏移 。
垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅
2 r 2 t
i( x, y, t ) E / 2 E / 2 Er Et cos[t φ ( x, y)]
3
扫描探测器（xi, yi）
§5-5 激光外差干涉测试技术 i( t ①外差干涉技术原理 Δt 1/Δν 基准探测器（x0, y0） 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 （ a） ） 一个放在干涉场某探测点 (xi,（ yb i)处，称之为扫描探测器， 外差干涉图样和电信号 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
光探测方法
光（强）的探测方法分为直接探测法（非相干探测）和外差探 测法（相干探测）。直接探测简单实用，外差探测灵敏度高， 探测目标时的作用距离远。 直接探测的基本原理： 所谓直接探测是将待测光信号直接射入到光探测器光敏面，光探 测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压，探测系统可 经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端可经过频率 滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）处理。接收到得光信 号入射到光探测器的光敏面上。 光外差探测的基本原理： 外差探测技术是利用光的相干性对光所携带的信息进行探测。它 只有采用相干性好激光器作光源才能实现。从理论上说，它能 准确探测到光波振幅和频率所携带的信息，比直接探测有更大 的信息容量和更低的探测极限。
当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则
v/ 垂直入射的反射光将产生的频移为 2 。
如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将
产生两倍于半波片旋转频率f 的频移，即 v 2 f
。
激光外差干涉测试技术
（一） 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 3）光学机械移频