精密位移量的激光干涉測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)

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1、激光實(shí)驗(yàn)學(xué)生姓名：陳延新學(xué)號(hào)：111050104班級(jí)：應(yīng)用物理1101實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)：激光實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．了解激光干涉測(cè)量的原理2．掌握微米及亞微米量級(jí)位移量的激光干涉測(cè)量方法3．了解激光干涉測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合二、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系統(tǒng)，T－G干涉系統(tǒng)是著名的邁克爾遜白光干涉儀的簡(jiǎn)化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干涉條紋，其原理如圖1所示。激光通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)L1提供入射的平面波（平行光束）。設(shè)光軸方向?yàn)閆軸，則此平面波可用下式表示：(1)式中A??平面波的振幅，為波數(shù)，l??激光波長(zhǎng)此平面波經(jīng)半反射鏡BS分為二束，一束經(jīng)參考

2、鏡M1，反射后成為參考光束，其復(fù)振幅UR用下式表示(2)式中AR??參考光束的振幅，fR（zR）??參考光束的位相，它由參考光程zR決定。另一束為透射光，經(jīng)測(cè)量鏡M2反射，其復(fù)振幅Ut，用下式表示：(3)式中At??測(cè)量光束的振幅，ft（zt）??測(cè)量光束的位相，它由測(cè)量光程Zt決定。此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的光強(qiáng)I(x,y)由下式?jīng)Q定(4)式中，而U*，UR*，Ut*為U，UR，Ut的共軛波。當(dāng)反射鏡M1與M2彼此間有一交角2q，并將式(2)，式(3)代入式(4)，且當(dāng)q較小，即sinq@q時(shí)，經(jīng)簡(jiǎn)化可求得干涉條紋的光強(qiáng)為：(5)式中I0

3、??激光光強(qiáng)，??光程差，。式(5)說(shuō)明干涉條紋由光程差l及q來(lái)調(diào)制。當(dāng)q為一常數(shù)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)如圖2所示。當(dāng)測(cè)量在空氣中進(jìn)行，且干涉臂光程不大，略去大氣的影響，則(6)式中N??干涉條紋數(shù)因此，記錄干涉條紋移動(dòng)數(shù)，已知激光波長(zhǎng)，由式(6)即可測(cè)量反射鏡的位移量，或反射鏡的軸向變動(dòng)量DL。干涉條紋的計(jì)數(shù)，從圖1中知道，定位在BS面上或無(wú)窮遠(yuǎn)上的干涉條紋由成像物鏡L2將條紋成在探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。測(cè)量靈敏為：當(dāng)N＝1，則（He-Ne激光），則如果細(xì)分N，一般以1/10細(xì)分為例，則干涉測(cè)量的最高靈敏度為三、實(shí)驗(yàn)光路激光器1發(fā)出的激光經(jīng)衰減器2（用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度）后由二個(gè)定向小孔3，

4、5引導(dǎo)，經(jīng)反射鏡6，7進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡8，10（即圖1中的L1），由分光鏡14（即圖1中BS）分成二束光，分別由反射鏡16（即圖1中的M1），18（M2）反射形成干涉條紋并經(jīng)成像物鏡20（即圖1中L2）將條紋成于CMOS23上（即D），這樣在計(jì)算機(jī)屏上就可看到干涉條紋，實(shí)現(xiàn)微位移的測(cè)量。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．開(kāi)機(jī)，激光器1迅速起輝，待光強(qiáng)穩(wěn)定；2．打開(kāi)驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)；3．檢查CMOS23上電信號(hào)燈亮否；4．調(diào)整光路時(shí)若移開(kāi)反射鏡4，13，擴(kuò)束激光；移入反射鏡4，13，不擴(kuò)束激光。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，首先要熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用到的儀器和光學(xué)元件，注意不要用手七月觸摸光學(xué)表面，并且要輕拿輕放，本實(shí)驗(yàn)不使用

5、的器件應(yīng)事先移開(kāi)。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，點(diǎn)亮he-Ne激光器預(yù)熱，并等待其光強(qiáng)穩(wěn)定，同時(shí)檢查CCD上電信號(hào)燈是否點(diǎn)亮，打開(kāi)PZT控制電源。1、激光擴(kuò)束。在反射鏡4的中間位置處，能夠看到明亮的激光光斑，觀察通過(guò)擴(kuò)束透鏡5后，出射光斑是否，并經(jīng)透鏡6準(zhǔn)直，調(diào)節(jié)光路時(shí)，可使用螺絲刀配合調(diào)節(jié)反射鏡背后的螺絲，使光斑均勻并能夠正直通過(guò)透鏡6.2、正確安裝分光棱鏡7，并在多功能試件夾8和組合工作臺(tái)9上，分別裝平面反射鏡，使光線通過(guò)分，光棱鏡獲得的反射光和折射光能夠正常到達(dá)成像物鏡10.3、調(diào)節(jié)工作臺(tái)8,9上調(diào)平調(diào)向測(cè)微器，使二路反射光較好重合（在成像物鏡10后焦面上，兩反射光會(huì)聚的光斑重合），由于光線

6、經(jīng)過(guò)多次的反射和折射，聚焦光斑不容易調(diào)節(jié)至完全重合，所以要求實(shí)驗(yàn)者足夠的熟悉調(diào)平向測(cè)微器，以便的到較好的干涉條紋。4、打開(kāi)計(jì)算機(jī)，進(jìn)入Csylaser綜合軟件系統(tǒng)。5、調(diào)整CCD11在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，后鎖定CCD位置，在成像物鏡10前，可以選擇安置可調(diào)光闌，便于濾除分光鏡寄生干涉光，避免雜散光和環(huán)境光的干擾，從而影響圖像的分辨能力。6、實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷組合臺(tái)裝配反光鏡9，隨著壓電陶瓷PZT在壓電下形變，帶動(dòng)反光鏡產(chǎn)生微小位移，引起干涉條紋的移動(dòng)，來(lái)測(cè)量微小微小位移量。采用程序界中的PZT手動(dòng)掃描，逐漸加電壓，可以觀察到條紋的移動(dòng)，界面下方就會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)條紋數(shù)和所對(duì)應(yīng)的反

7、光鏡移動(dòng)距離。7、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出微小位移量，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼`差分析。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、不可以用眼睛直視激光器出口，以免造成視網(wǎng)膜的損傷。2、光學(xué)的光學(xué)表面（如平面反射鏡，分光棱鏡的鏡面）不得玷污或觸摸，若不小心碰觸元件的光學(xué)表面不可擅自處理，應(yīng)報(bào)告實(shí)驗(yàn)室人員按操作規(guī)程妥善處理。3、玻璃器件應(yīng)輕拿輕放，不要將玻璃器件移離桌面，以免落地?fù)p壞。4、調(diào)節(jié)光路之前，先適當(dāng)調(diào)節(jié)衰減器，使光強(qiáng)變大，以利于調(diào)節(jié)光路，當(dāng)光路調(diào)整完成，接入CCD前，應(yīng)再將光強(qiáng)調(diào)節(jié)小，以免損壞CCD