《激光干涉測(cè)量技術(shù)》PPT課件

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1、激光測(cè)量技術(shù)LaserMeasurementTechnology第二章激光干涉測(cè)量技術(shù)§2.1激光干涉測(cè)量長(zhǎng)度和位移一、干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理激光干涉的條件1.頻率相同2.相位差初始恒定3.振動(dòng)方向相同（非正交）4.小于波列長(zhǎng)度(Δτ≤1/Δυ）干涉數(shù)學(xué)表達(dá)式：設(shè)兩路激光分別為E1=Acos(ωt+?1)E2=Bcos(ωt+?2)則合成有：E=E1+E2=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?2)=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?1?Δ?)=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?1)cosΔ?+Bsin(ωt+?1)sinΔ?=(

2、A+BcosΔ?)cos(ωt+?1)+BsinΔ?sin(ωt+?1)=A'cos(ωt+?1+Δ?2)Δφ=φ1-φ2Δφ2=arctanA+BcosΔφABsinΔφA'=A2+2ABcosΔ?+B2I∝A2+2ABcosΔ?+B22πλ?2π?22?λnl)=2光的相位與走過(guò)的光程有關(guān)：Acos(ωt+?)=Bcos(ωt+?0?2πλnl)滿足相干條件時(shí)有Acos(ωt+?)=Bcos(ωt+?0?I∝A+B+2ABcos?(n1l1?n2l2)??條紋可見(jiàn)度M=Imax?Imin2ABImax+IminA+B2結(jié)論合成干涉光的光強(qiáng)是兩

3、路光的光程差的余弦函數(shù)I∝A2+B2+2ABcosΔ當(dāng)2πλNNΔ=∑nili?∑njlji=1j=1(n1l1?n2l2)=2kπ合成干涉光光強(qiáng)最大,光越亮2π當(dāng)λ(n1l1?n2l2)=(2k+1)π合成干涉光光強(qiáng)最小,光越暗應(yīng)用☆光強(qiáng)調(diào)制I∝cosΔ☆測(cè)量臂差測(cè)量明暗變化次數(shù),可測(cè)量臂差☆測(cè)量折射率L均固定,只有一處折射率變化☆傳感器通過(guò)物理量引起n或者L的變化,測(cè)出其變化，再經(jīng)過(guò)處理，反演出物理量的變化n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即測(cè)量位移和長(zhǎng)度NNΔ=∑nili?∑njlji=1j=1通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化的次數(shù),測(cè)量某

4、臂的光程變化:所以激光干涉測(cè)量一般是:1.相對(duì)測(cè)量2.增量式測(cè)量3.中間過(guò)程不可忽略,要監(jiān)視整個(gè)測(cè)量測(cè)量的過(guò)程以Michelson干涉儀為例:開(kāi)始測(cè)量時(shí)，兩束光的光程差為Δ1=2n(Lm?Lc)測(cè)量結(jié)束時(shí)，兩束光的光程差為Δ2=2n(Lm+L?Lc)=2nL+Δ1光程差變化量dΔ=Δ2?Δ1=2nL移動(dòng)距離L=Kλ2二、測(cè)量系統(tǒng)組成1.激光干涉系統(tǒng)2.條紋計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)和處理結(jié)果的電子機(jī)械系統(tǒng)（一）干涉儀系統(tǒng)主要包括：光源、分束器、反射器、補(bǔ)償元器件1.激光干涉儀常用光源He-Ne激光器：激光的功率和頻率穩(wěn)定性高、連續(xù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)、在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域有譜

5、線1.干涉儀常用分束方法（1）分波陣面法（2）分振幅法（3）分偏振法（PBS）3.常用反射器（1）平面反射器（2）角錐棱鏡反射器（3）直角棱鏡反射器（4）貓眼反射器4.典型的光路布置布置原則:1)共路原則消除振動(dòng)、溫度、氣流等影響2)考慮測(cè)量精度、條紋對(duì)比度、穩(wěn)定性及實(shí)用性等因素3）避免光返回激光器（1）使用角錐棱鏡雙角錐棱鏡光路單角錐棱鏡光路兩半反半透鏡一體化光路雙光程光路（2）整體布局優(yōu)點(diǎn):抗干擾好、抗動(dòng)鏡多自由度變化能力、靈敏度高一倍缺點(diǎn)：不方便、吸收嚴(yán)重（3）光學(xué)倍頻（4）零光程差的結(jié)構(gòu)布局(二)干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理系統(tǒng)干涉條紋計(jì)數(shù)

6、的要求：能夠判斷方向，避免反向、大氣、環(huán)境振動(dòng)以及導(dǎo)軌的誤差影響，能夠細(xì)分，提高分辨率這樣需要相位相差90度的兩個(gè)電信號(hào)輸出，即一個(gè)按光程正弦變化，一個(gè)余弦變化常用移相器種類（1）機(jī)械法移相形成等厚干涉特點(diǎn):簡(jiǎn)單條紋間距易變,使信號(hào)不完全正交屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響。（2）階梯板和翼形板移相屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動(dòng)引起波陣面畸變的影響（3）金屬膜移相原理：利用金屬膜表面反射和透射時(shí)都產(chǎn)生附加位相差的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金屬膜分幅移相器優(yōu)點(diǎn)是兩光束受振動(dòng)和大氣擾動(dòng)的影響相同，元件少，結(jié)構(gòu)緊湊。兩

7、反兩透均一透一反缺點(diǎn)是兩相干光束的光強(qiáng)不同，影響條紋對(duì)比度（4）分偏振法移相特點(diǎn):結(jié)構(gòu)較復(fù)雜不受大氣影響,可靠2.干涉條紋的計(jì)數(shù)及判向原理當(dāng)1324定義為正向當(dāng)存在反向時(shí)1后邊出現(xiàn)的應(yīng)該是?所以只須判斷第二和第四信號(hào)的脈沖次序即可由于相差為90度,一個(gè)計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的是0.25個(gè)波長(zhǎng)所以L=Kλ/8,分辨率提高4倍,稱為四倍頻計(jì)數(shù)如何提高分辨率(細(xì)分)?=2三、條紋的對(duì)比度定義:明暗變化的比值M=Imax?Imin2ABImax+IminA+B21.明暗變化的強(qiáng)度越大,PD感測(cè)出的信號(hào)信噪比越好2.當(dāng)兩干涉光的光強(qiáng)相等時(shí),對(duì)比度越好3.影響干涉條紋對(duì)比

8、度的因素:相干性、偏振態(tài)、光強(qiáng)、背景光、各種環(huán)境因素如振動(dòng)、熱變性等四、應(yīng)用舉例1.激光比長(zhǎng)儀2.激光跟蹤干涉儀3.Renishaw新型