【精品课件】光电测试技术激光外差干涉
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《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。
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。
最新02第二章激光干涉测量技术(上)讲解ppt课件
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。使前置放大器可采用 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
傅立叶变换光谱仪的优点：能同时接收工作波段
范围内的所有光谱，记录全部光谱时间与一般光谱仪 器记录一个光谱分辨单位的时间相同，在不到1秒时 间内完成全部光谱扫描。信噪比高，波长准确度高， 分辨率高，杂散辐射低，以及光谱范围宽（从紫外、 可见、近红外直到中远红外区）
§2.2 激光外差干涉测量技术
单频激光干涉仪的特点：
I0
(v v0 )
I0
cos
2 0
I0
cos 2v0
I0 (v v0 ) cos 2vd I0 cos 2v0
对于复色光谱：
I () I (v) cos 2vd
复色干涉图是单色干涉图的加合。由于零程差时各单色 光的干涉强度都为极大值，其它光程差时各单色光相长 或相消，加合的结果形成一个中心突起并向两边迅速衰 减的对称图形。
处理电路的工作频带可以设定在1~2MHz之间，滤掉 了小于1MHz的全部噪声。
双频激光干涉仪的特点：“双频”起到了调制作用，
它在测量镜静止时，仍然保持一个1.5MHz的交流信号， 被测物体的运动只是这个信号频率的增加或减小，因而 前置放大可采用较高放大倍数的交流放大器，采用带通 滤波，滤掉低频噪声，避免了直流放大所遇到的直流漂 移、低频干扰等问题。
测量镜移动距离L为
N t
t
t
L = 0v d t02 fd t20 fd t2
激光外差干涉
激光外差干涉测位移15测控（3+2）蒋炜2015430340007激光外差干涉：由光学系统接收到的分为两束具有频率差、方向相反的偏振光F1和F2.经过1/4波片后成为两个相互垂直的线偏振光，激光经过分光镜分成两路，其中一束经过透射后射向光电探测器，其频率为fs，成为信号光束；另一个稳频激光器输出的一束激光也经过分光镜分为两束，其中一束经过分光镜反射后射向光电探测器，并称为本机振荡光束。
路经过偏振片1后频率为f1-f2，作为参考光束，另一路经偏振分光镜后又分为两路分别仅含f1和f2的光束。
当可移动反射镜发生位移变化时，仅含f2的光束经过可移动反射镜后成为含有的光束。
为多普勒频移量，包含可移动反射镜的位移信息。
这路含有的光束由固定反射镜的反射回来的仅含f1的光束经过偏振片2汇合频率为f1-（f2），作为测量光束。
当这两书光束满足干涉条件时，在两束光经过各自的传播轨迹后在分光镜下面发生干涉，（在无线电中叫做混频，在这里称为光混频），光电探测器只能响应直流分量和差频（Fs-Fl）分量（也称中频Fif）。
用一个中频放大器选出差频分量，于是输出端得到正比于差频分量的光电流。
在经过信号处理可以测出Fif=Fs-Fl的值。
因为Fl是已知的，所以测出Fif也就等于知道了Fs。
外差探测实质上就是两束相干光干涉的测量。
在干涉仪中，测量光的光程变化量是移动镜位移量的2倍，由光速c。
移动镜的移动速度v，得到多普勒频移量为激光的波长值为,频率的时间积分为周期数N，则移动镜的位移量为光电探测器R与M处接收光的相位差与频移差关系为双频激光干涉仪通过频率的变化测量位移,位移变化量只与频差f1-f2或相位差相关,频差f1-f2为固定值且为交流信号,不会产生直流电平漂移现象,所以抗干扰能力强,常应用于高精度测量系统中。
一：光路图：光频外差探测器光路结构二：光电转换部分光电转换部分的主要器件就是光电检测器。
可以将光强信号转换为相应的电信号。
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。
§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。
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。
激光干涉测量技术(合肥工业大学)ppt课件
1. 相对测量 2. 增量式测量 3. 中间过程不可忽略,要监视整个测量测量的过程
7
以Michelson干涉仪为例: 开始测量时，两束光的光程差为
1 = 2n(Lm Lc )
测量结束时，两束光的光程差为
2 = 2n(Lm + L Lc ) = 2nL + 1
光程差变化量
d = 2 1 = 2nL
双角锥棱镜光路
单角锥棱镜光路
12
两半反半透镜一体化光路 双光程光路
13
（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
（3）光学倍频
14
（4）零光程差的结构布局
(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统
干涉条纹计数的要求： 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，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
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
3.影响干涉条纹对比度的因素:
相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素 如振动、热变性等
21
四、应用举例
1.激光比长仪
22
2.激光跟踪干涉仪 3.Renishaw新型单频激光干涉仪
23
4. 激光小角度干涉仪
移动距离
L=K 2
8
二、测量系统组成
1.激光干涉系统 2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统
（一）干涉仪系统
主要包括：光源、分束器、反射器、补偿元器件 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 9
7
以Michelson干涉仪为例: 开始测量时，两束光的光程差为
1 = 2n(Lm Lc )
测量结束时，两束光的光程差为
2 = 2n(Lm + L Lc ) = 2nL + 1
光程差变化量
d = 2 1 = 2nL
双角锥棱镜光路
单角锥棱镜光路
12
两半反半透镜一体化光路 双光程光路
13
（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
（3）光学倍频
14
（4）零光程差的结构布局
(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统
干涉条纹计数的要求： 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，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
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
3.影响干涉条纹对比度的因素:
相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素 如振动、热变性等
21
四、应用举例
1.激光比长仪
22
2.激光跟踪干涉仪 3.Renishaw新型单频激光干涉仪
23
4. 激光小角度干涉仪
移动距离
L=K 2
8
二、测量系统组成
1.激光干涉系统 2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统
（一）干涉仪系统
主要包括：光源、分束器、反射器、补偿元器件 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 9
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。
chapter 6 深圳大学 光电检测技术 课件PPT
➢惯性导航核心元件：加速度计 + 陀螺仪
最关键的部件 集成技术最高
难度最大！
34
我在哪里？我将往哪里去？
在浩瀚的宇宙之中， 如何确定自己在哪里? 如何保持固定的方向往目的地前进?
35
2019年汉光演习
幻象机云母飞弹的靶被海军标准飞弹误击 AH-1W攻击直升机发射地狱火飞弹脱靶 潜射重型线导鱼雷脱靶
相 干
洛埃镜干涉
光
的 获
等倾干涉
得
等厚干涉
分振幅法 薄膜干涉
增透膜
增反膜
迈克尔逊干涉仪 劈尖干涉 牛顿环
6
分波阵面法与分振幅法
➢ 分波阵面法：在同一波面上两固定点光源，发出的光产生 干涉的方法，如杨氏双缝干涉实验。
分波面法
分振幅法
p
S*
·p
S*
薄膜
➢ 分振幅法：一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两 束光线产生干涉的方法。如薄膜干涉、等厚干涉等。
25
迈克耳孙干涉仪
迈克耳孙逊 莫雷实续验上寻找 “以太” 失败实
玻片 底盘
观察记录
= 例
假根如据存“在以“太以”太观”点，，充满宇宙 的大“小以必太与”传的是播一方切向运有动关的。绝对参
迈地克球耳对孙干以涉太仪
考系光。波靠 “以太” 传播，光
绕对中“心以O太转”动的干绝涉对仪速，度为 。相对速率
镜
“我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大乐趣似 乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，他从来不认 为自己在科学上是个严格的‘专家’，事实上的确不是， 但始终是个艺术家。”许多著名的实验都堪称科学中的艺 术，如：全息照相实验、吴健雄实验等等。
重要的物理思想 ＋ 巧妙的实验构思 ＋ 精湛的实验技术 科学中的艺术
最关键的部件 集成技术最高
难度最大！
34
我在哪里？我将往哪里去？
在浩瀚的宇宙之中， 如何确定自己在哪里? 如何保持固定的方向往目的地前进?
35
2019年汉光演习
幻象机云母飞弹的靶被海军标准飞弹误击 AH-1W攻击直升机发射地狱火飞弹脱靶 潜射重型线导鱼雷脱靶
相 干
洛埃镜干涉
光
的 获
等倾干涉
得
等厚干涉
分振幅法 薄膜干涉
增透膜
增反膜
迈克尔逊干涉仪 劈尖干涉 牛顿环
6
分波阵面法与分振幅法
➢ 分波阵面法：在同一波面上两固定点光源，发出的光产生 干涉的方法，如杨氏双缝干涉实验。
分波面法
分振幅法
p
S*
·p
S*
薄膜
➢ 分振幅法：一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两 束光线产生干涉的方法。如薄膜干涉、等厚干涉等。
25
迈克耳孙干涉仪
迈克耳孙逊 莫雷实续验上寻找 “以太” 失败实
玻片 底盘
观察记录
= 例
假根如据存“在以“太以”太观”点，，充满宇宙 的大“小以必太与”传的是播一方切向运有动关的。绝对参
迈地克球耳对孙干以涉太仪
考系光。波靠 “以太” 传播，光
绕对中“心以O太转”动的干绝涉对仪速，度为 。相对速率
镜
“我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大乐趣似 乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，他从来不认 为自己在科学上是个严格的‘专家’，事实上的确不是， 但始终是个艺术家。”许多著名的实验都堪称科学中的艺 术，如：全息照相实验、吴健雄实验等等。
重要的物理思想 ＋ 巧妙的实验构思 ＋ 精湛的实验技术 科学中的艺术
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而言，频率要低得多。
▪ 当差频Ls/2低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为Ls/2
的光电流输出。
激光外差干涉测试技术 扫描探测器（xi, yi）
▪ 4.1 激光外差干涉测试技术原理i(x, y, t) ▪ ①外差干涉技术原理 ▪ 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(xt 0, y0)
激光外差干涉测试技术
▪ 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。
被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐 索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星 的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测 量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之 处 在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方 向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动， 光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.
平均功率
光外差检测
fs为信号光波，fL为本机振荡(本振)光波，这两束平面平 行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面 进行混频，形成相干光场。经探测器变换后,输出信号中 包含 fc＝ fs –fL 的差频信号．故又称相干探测.
，入射到探测器上的总光场为
由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探 测器的光电流为
▪ 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。
光外差探测系统
▪ 光外差探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面
都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探 测与光直接探测比较，其测量精度要高7~8个数量级。 ▪ 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距 离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通 信联系已达到实用阶段。
▪ 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
▪ 4.1 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
A s A L c L o s t s s L ] A s [ A L c L o s t L s s
▪ Sq/h；: 量子效率；h :光子能量；L :s 差频。
▪ 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1／2。 ▪ 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频
多普勒效应的应用
▪ 美国霍普金斯大学利用多普勒效应 对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪 试验，科学家发现，当卫星在近地 点时信号频率就增加，远地点时信 号频率就降低。因为卫星轨道是已 知的，所以接收卫星信号的接收机 不论处于何方，它的位置都能被测 定。
光波的多普勒效应
光波的多普勒效应 具有波动性的光也会出现这种效应，它又
处，称之为基准探测器，其输出Δt基准信号i(x0, y0, t)，另 一个放在干涉场基某准探探测测器（点x0,(yx0）i, yi)处，1称/Δν之为扫描探测器， 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（Δat），便可知道二者的光学位相（b差）
φ ( x 图,y 4) - 32φ ( 外x 0 差,干y 0 涉) 图 样和 电t 信2 号π t/1 / ( v )
一、光外差探测原理
光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直 接探测中由于光的振动频率高达2×1013~7.5×1014Hz， 振动周期T为5×10-14 ~ 1.3×10 -15 s (可见光到中近红 外)，而探测器响应时间最短10 -10 s, 它只能响应其平 均能量或平均功率。
在直接探测中，设光波动的圆频率为ω， 振幅为A，则光波f(t)写成
基本原理
▪ 设入射到探测器上的 信号光场为：
E st A sco s t ss
▪ 本机振荡光场为：
E L t A L co L t s L
▪ 入射到探测器上的总
光场为： E t A s c s t o s s A L c L o t L s
光探测器输出的光电流
i p t S E 2 t S E s t E L t 2 S A s 2 c 2 s t o s A L 2 c s 2 L t o L
➢ 当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的
反射光将产生的频移为 2v/。
➢ 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 v2f 。
声波的多普勒效应
一辆汽车在我们身旁急驰 而过，车上喇叭的音调有一个 从高到低的突然变化；站在铁 路旁边听列车的汽笛声也能够 发现，列车迅速迎面而来时音 调较静止时为高，而列车迅速 离去时则音调较静止时为低。 此外，若声源静止而观察者运 动，或者声源和观察者都运动， 也会发生收听频率和声源频率 不一致的现象。这种现象称为 多普勒效应。
激光外差干涉测试技术
光电检测系统分类
▪ 主动系统/被动系统(按信息光源分) ▪ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ▪ 直接检测系统/光外差检测系统 (按光波对信号的携带
方式分)
直接检测的基本原理
▪ 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的光强携带信 息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。
▪ 当差频Ls/2低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为Ls/2
的光电流输出。
激光外差干涉测试技术 扫描探测器（xi, yi）
▪ 4.1 激光外差干涉测试技术原理i(x, y, t) ▪ ①外差干涉技术原理 ▪ 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(xt 0, y0)
激光外差干涉测试技术
▪ 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。
被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐 索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星 的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测 量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之 处 在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方 向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动， 光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.
平均功率
光外差检测
fs为信号光波，fL为本机振荡(本振)光波，这两束平面平 行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面 进行混频，形成相干光场。经探测器变换后,输出信号中 包含 fc＝ fs –fL 的差频信号．故又称相干探测.
，入射到探测器上的总光场为
由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探 测器的光电流为
▪ 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。
光外差探测系统
▪ 光外差探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面
都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探 测与光直接探测比较，其测量精度要高7~8个数量级。 ▪ 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距 离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通 信联系已达到实用阶段。
▪ 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
▪ 4.1 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
A s A L c L o s t s s L ] A s [ A L c L o s t L s s
▪ Sq/h；: 量子效率；h :光子能量；L :s 差频。
▪ 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1／2。 ▪ 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频
多普勒效应的应用
▪ 美国霍普金斯大学利用多普勒效应 对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪 试验，科学家发现，当卫星在近地 点时信号频率就增加，远地点时信 号频率就降低。因为卫星轨道是已 知的，所以接收卫星信号的接收机 不论处于何方，它的位置都能被测 定。
光波的多普勒效应
光波的多普勒效应 具有波动性的光也会出现这种效应，它又
处，称之为基准探测器，其输出Δt基准信号i(x0, y0, t)，另 一个放在干涉场基某准探探测测器（点x0,(yx0）i, yi)处，1称/Δν之为扫描探测器， 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（Δat），便可知道二者的光学位相（b差）
φ ( x 图,y 4) - 32φ ( 外x 0 差,干y 0 涉) 图 样和 电t 信2 号π t/1 / ( v )
一、光外差探测原理
光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直 接探测中由于光的振动频率高达2×1013~7.5×1014Hz， 振动周期T为5×10-14 ~ 1.3×10 -15 s (可见光到中近红 外)，而探测器响应时间最短10 -10 s, 它只能响应其平 均能量或平均功率。
在直接探测中，设光波动的圆频率为ω， 振幅为A，则光波f(t)写成
基本原理
▪ 设入射到探测器上的 信号光场为：
E st A sco s t ss
▪ 本机振荡光场为：
E L t A L co L t s L
▪ 入射到探测器上的总
光场为： E t A s c s t o s s A L c L o t L s
光探测器输出的光电流
i p t S E 2 t S E s t E L t 2 S A s 2 c 2 s t o s A L 2 c s 2 L t o L
➢ 当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的
反射光将产生的频移为 2v/。
➢ 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 v2f 。
声波的多普勒效应
一辆汽车在我们身旁急驰 而过，车上喇叭的音调有一个 从高到低的突然变化；站在铁 路旁边听列车的汽笛声也能够 发现，列车迅速迎面而来时音 调较静止时为高，而列车迅速 离去时则音调较静止时为低。 此外，若声源静止而观察者运 动，或者声源和观察者都运动， 也会发生收听频率和声源频率 不一致的现象。这种现象称为 多普勒效应。
激光外差干涉测试技术
光电检测系统分类
▪ 主动系统/被动系统(按信息光源分) ▪ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ▪ 直接检测系统/光外差检测系统 (按光波对信号的携带
方式分)
直接检测的基本原理
▪ 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的光强携带信 息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。