第五讲激光外差干涉测长与测振
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光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频 率f，而与光的波长无关。
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
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