光电测试技术-第5章激光干涉测试技术(5／6).ppt

第5章 激光干涉测试技术 光电测试技术  哈尔滨工业大学 第5章 激光干涉测试技术 §5-5 激光外差干涉测试技术 * * §5-5 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。 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.1 激光外差干涉测试技术原理 ①外差干涉技术原理 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 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。 干涉场中某点（x，y）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.1 激光外差干涉测试技术原理 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(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 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。 扫描探测器（xi, yi） 基准探测器（x0, y0） （a） Δt 1/Δν t i(x, y, t) （b） 外差干涉图样和电信号 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.1 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 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 。 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 。 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.1 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 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的第n级衍射光产生的 频移，此处f 是光栅的空间频率，V是光栅移动速度。 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.1 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。 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.2 激光外差干涉测试技术应用 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 f2 f1 f1±Δf f2 f1 f2 f1±Δf 双频激光器外差干涉测长原理图 偏振分光镜 f2－f1 f2－（f1±Δf） * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.2 激光外差干涉测试技术应用 ②激光外差干涉测量微振动 f0 f0＋fs 1 2 3 4 1/2波片 5 10 6 7 1/4波片 9 振动体 双频激光测量振动光路示意图 8 f0±fD 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。通过o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光学定向耦合”作用，使发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。 频率fs信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把多普勒频移fD解调出来。 * * §5-5 激光外差干涉测试技术 5.2 激光外差干涉测试技术应用 ③激光外差干涉在精密定位中的应用 平面