光电测试技术-激光外差干涉
外差激光干涉仪原理
外差激光干涉仪原理外差激光干涉仪是一种利用激光干涉原理进行测量的仪器。
它通过比较两束激光的相位差来实现测量的精确性和稳定性。
在这篇文章中，我将详细解释外差激光干涉仪的原理，并介绍其在实际应用中的一些特点和优势。
外差激光干涉仪的原理基于激光的干涉现象。
干涉是指两束波的相加形成干涉条纹的现象。
在激光干涉仪中，一束激光通过分束器被分成两束光，分别称为参考光和测量光。
这两束光分别经过参考光路和测量光路，然后再通过干涉仪进行干涉。
干涉的结果就是在干涉屏或探测器上产生干涉条纹。
在外差激光干涉仪中，参考光和测量光的相位差是通过一个延迟线或光纤引入的。
延迟线或光纤的长度可以调节，从而改变两束光的相位差。
当相位差为零时，两束光相干叠加，产生最亮的干涉条纹；当相位差为π时，两束光相消干涉，产生暗纹。
通过改变延迟线或光纤的长度，我们可以得到一系列的干涉条纹。
外差激光干涉仪中使用的激光是单色激光，即波长相同、频率相同的激光。
这样可以确保干涉条纹的稳定性和清晰度。
为了进一步提高精确性，激光光路中通常会使用一些光学元件，如波片、偏振器等来控制光的传输方向和强度。
外差激光干涉仪的一个显著特点是它可以实现非接触式测量。
比如，在机械加工中，我们可以通过测量工件表面的形状变化或振动情况来判断工件的质量。
利用外差激光干涉仪，我们可以将测量光直接照射到工件表面，观察干涉条纹的变化，从而得到表面形状和振动的信息。
这种非接触式测量可以避免与工件之间的物理接触，从而保护工件的表面免受损坏。
外差激光干涉仪的另一个优点是其高精度和高分辨率。
由于激光是单色相干光，它的波长稳定性非常高。
干涉仪中的干涉条纹可以通过探测器转换为电信号，并经过放大和处理后得到数字信号。
这些数字信号可以被计算机进行处理和分析，从而得到非常精确和准确的测量结果。
外差激光干涉仪在工业领域和科学研究中具有广泛的应用，如测量物体长度、表面形貌、振动频率等。
与其他测量方法相比，外差激光干涉仪还具有一些其它的优势。
外差激光干涉仪的测量方法
一、举例描述外差激光干涉仪的测量方法。
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。
原理：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)，另一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处，称之为扫描探测器，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Δt ，便可知道二者的光学位相差)/1/(π2),(),(00v t t y x φy x φ∆∆=∆∆=-ω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。
设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则干涉场的瞬时光强为[]{}[][]{}[][])(cos )()2(cos )(2cos 121)(2cos 121),(cos )cos(),,(222x,y t-φE E x,y φt E E x,y φt E t E y x φt E t E t y x I t r t r t r t r ωωωωωωωωω∆++∆+++++∆++=++∆+=由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频ω，它不能跟随光频变化，所以式中含有2ω的交变项对探测器的输出响应无贡献。
)],(cos[2/2/),,(22y x φt E E E E t y x i t r t r -∆++∝ω干涉场中某点（x ，y ）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化 （1）激光外差干涉测长数据处理双频激光器1/4波片准直系统可动角隅棱镜检偏器v探测器前置放大器f2f1f1±Δff2f1f2f1±Δf图4-33双频激光器外差干涉测长原理图偏振分光镜f2－f1f2－（f1±Δf ）⎰⎰⎰⎰∆±=±=∆tttt t f NL L t v t vt f 000d 222d 2d 2d λλλλλ所以＝＝＝由于（2）激光外差干涉测量微振动方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。
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。
外差干涉测长的原理及应用
外差干涉测长的原理及应用1. 原理介绍外差干涉测长是一种基于干涉原理的测量方法，主要用于测量物体的长度、距离和形状等参数。
它利用光的干涉现象，通过两束光的相干干涉而产生干涉图像，从而可以得到被测物体的参数。
2. 工作原理外差干涉测长的基本原理是将激光光束分成两束，其中一束为参考光束，另一束为测量光束。
这两束光束分别经过分束器和反射镜，然后分别被引入被测物体和参考光程中。
在被测物体上，测量光束经过反射后与参考光束再次叠加，形成干涉图像。
通过干涉图像的变化，可以计算出被测物体的长度、距离和形状等参数。
3. 应用场景外差干涉测长广泛应用于工业制造、科学研究和生物医学等领域。
以下列举了一些常见的应用场景：•工业制造：外差干涉测长可以用于测量精密机械零件的尺寸，如轴承孔的直径、齿轮的模数等。
这种测量方法高精度、非接触，能够满足工业制造对精度要求较高的应用。
•科学研究：外差干涉测长在科学研究中也有很大的应用，例如在材料科学中，可以用于测量材料的膨胀系数、压力应力等参数的变化。
在物理学中，可以用于测量光源的波长稳定性以及光谱的测量等。
•生物医学：外差干涉测长在生物医学领域也有着广泛的应用，例如在眼科领域中，可以用于测量角膜的厚度和形状，以及眼底血管的直径和血流速度等。
在生物材料研究中，可以用于测量细胞、纤维和薄膜的尺寸变化。
4. 优点和挑战外差干涉测长具有以下优点：•高精度：外差干涉测长能够实现纳米级的测量精度，适用于对精度要求较高的应用。
•非接触：外差干涉测长不需要物体与测量仪器直接接触，减少了对被测物体的损伤和干扰。
•宽测量范围：外差干涉测长可根据需要选择不同的波长和光路配置，适用于不同尺寸和形状的物体测量。
然而，外差干涉测长也面临一些挑战：•环境干扰：外差干涉测长对环境的振动、温度、湿度等因素十分敏感，需要在稳定的环境条件下进行测量。
•复杂的仪器设备：外差干涉测长需要精密的光学元件和仪器设备，以及精准的光源和探测器，增加了设备的复杂性和成本。
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
激光干涉测量技术
(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。
20
偏振光学与器件
光是横波，电矢量的振动在垂直于传播方 向的平面内 自然光
没有优势方向 自然光的分解
偏振光的获得是光学应用的基础
21
偏振光学与器件
向 传播方
E
·
面对光的传播方向看
面 振 动
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解
y
Ey E
Ex
x
E x E cos E y E sin
22
圆偏振光,
椭圆偏振光
右旋圆 偏振光
y E 0 传播方向 x y
右旋椭圆 偏振光
x
/2
z
某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化
23
起偏的原理: 利用某种形式的不对称性,如 从自然光获得偏振光 （1）物质的二向色性， （2）散射， • 偏振片 （3）反射和折射， 光轴 非偏振光 线偏振光 （4）双折射….
偏振片的起偏
10
4．典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即 测量光束与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件 变化对两条光路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同 应用需要，要考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等 因素。下面介绍几种从不同角度考虑的典型光路布局。 (1)使用角锥棱镜反射器 这是一种常用的光路布局，如 下图(a)所示，图中角锥棱镜可使入射光和反射光在空间分离 一定距离，所以，这种光路可避免反射光束返回激光器。激光 器是一个光学谐振腔．若有光束返回激光器将引起激光输出频 率和振幅的不稳定。角锥棱镜还具有抗偏摆和俯仰的件能，可 以消除测量镜偏转带来的误差。图(a)所示光路的缺点是这种 成对使用的角锥棱镜要求配对加工，而且加工精度要求高。故 常采用一个作为可动反射镜。参考光路中用平面反射镜B作固 定反射镜。使用一个角锥棱镜作可动反射器还可采用其他几种 光路。图(b)中，镜Ml和M3上都镀有半反半透膜，M1用作分光 器，参考光束经M1反射后在镜M3与测量光束迭加，产生干涉。 M 11l和M3还能做成一体，如图(c)所示。
激光外差干涉技术的应用领域
激光外差干涉技术是一种利用激光干涉原理进行精密测量的技术，其应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：
长基线测量：激光外差干涉技术可用于测量地球的形状、大小、重力场等参数，以及大气折射系数、地球自转速度等。
这些测量对于地球物理、地质学等领域的研究具有重要意义。
光学元件测量：激光外差干涉技术可用于测量光学元件的形状、表面粗糙度、平整度等参数，对于光学元件的制造和检测具有重要意义。
振动测量：激光外差干涉技术可用于测量物体的振动和变形，对于机械工程、航空航天、地震学等领域的研究具有重要意义。
生物医学测量：激光外差干涉技术可用于测量生物组织的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于生物医学研究和医学诊断具有重要意义。
纳米技术测量：激光外差干涉技术可用于测量纳米尺度下的形态、表面粗糙度、厚度等参数，对于纳米技术的研究和应用具有重要意义。
所以，激光外差干涉技术的应用领域非常广泛，涉及到多个学科和领域，具有重要的科学研究和工程应用价值。
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。
光电测试技术-n5
(m 1) m( )
6
K 1 I
x
λ λ+Δλ
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 3
m
λ+Δλ
图4-1 各种波长干涉条纹的叠加
7
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
2 LM
21
W1 a) W2 c) W1 W2 d) b)
W1 W2 W1 W2
条纹 移 动方 向
条纹 移 动方 向
图4-8 被测波面凸凹的判断
减小程差
移动、弯曲同向
凸起（高光圈）
22
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.4 干涉条纹的分析与波面恢复 3）求被测波面轮廓。
若采用图解法求旋转对称波面与倾斜平面波相干涉得到 的干涉图样，只需求出通过干涉图中心与平面波倾斜方 向相同的截面上的波面轮廓就可以了。其步骤如下 ：
h W H n
n 是干涉仪的通道数 （光速通过样品次数）
19
h EPV Emax E RMS H
参考面
a)由条纹偏差表示波面偏差
b)波面偏差指标
图4-6
波面偏差的表示
波面偏差的指标： 1）峰谷偏差EPV 。被测波面相对于参考波面峰值与谷值之差。 2）最大偏差Emax。被测波面与参考波面的最大偏差值。 3）均方根偏差ERMS。被测波面相对于参考波面的各点偏差值 的均方根值，可由下式表示 1 N 2 ERMS Ei N 1 i 1
11
§5-1 激光干涉测试技术基础
1.2 影响干涉条纹对比度的因素 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，则有
双频激光外差干涉的应用技术
双频激光外差干涉的应用技术
微／纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。
具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。
因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。
而激光外差干涉测量是几何量精密测量的主要技术之一，属精密测量技术领域。
通过偏振方向正交的两个波长的激光器，实现双波长外差干涉的外差干涉仪，将外差信号进行光电转换的声光调制器以及外差信号的相位检测电路和数据处理单元。
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。
激光干涉测试技术
干涉条件
通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：
频率相同
振动方向相同
恒定的位相差
在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干涉测量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，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位相差。
为了保证参考平面面形精度
严格控制加工过程；
材料的线膨胀系数较小、残余应力很小；
安装时使之不产生装夹应力；
在高质量平面（如标准参考平面）的面形测量中，可以考虑用液体的表面作为参考平面。
4）标准参考平板的影响——液体的表面作为参考平面
地球的曲率半径约为6370km，当液面口径为1000mm时，液面中心才高出约0.1光圈，当口径为250mm时，液面才高出约0.005光圈。
日本国家计量研究所（NRLM）研制了由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所已开始研究一些基本常数的精密测量加硅晶格间距等问题。
Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0.2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。
④ 干涉条纹计数与判向
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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 )
15.11.2020
9
，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
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10
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
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7
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
平均功率
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8
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.
光场为： E t A s c s t o s s A L c L o t L s
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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
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3
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。
15.11.2020
4
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。
▪ 特点：克服单频干涉仪的漂移问题；
▪
细分变得容易；
▪ 15.11.2020
提高了抗干扰性能。
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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。
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，等于1／2。 ▪ 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
光电测试技术-激 光外差干涉
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)
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
▪ 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。
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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。
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。
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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)
➢ 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 。
15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。
▪ 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。
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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
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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。
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光波的多普勒效应