第一章 激光干涉测量技术.ppt

第一章 激光干涉测量技术 §1-1背景知识概述 §1-2全息干涉测量技术 §1-3 干涉测量长度和位移 作业 §1-4激光外差干涉测量系统 §1-5激光散斑干涉测量系统 §2-6 激光光纤干涉测量技术 §2-7 激光多波长干涉测长技术 第一章 总结 如果已知道某一长度的大略范围,例如量块, 用一组已知波长的光,进行测量的话,真值对应的一组已知的mi和εi ,如果能够测出其小数部分则, 容易推导出其真值. 测量和计算的ε组进行比对, 如果相同,则计算的所对应的尺寸,即是真值 测量的次序: 测出每一波长的激光对应的ε 计算已知尺寸范围间,所有波长对应m及ε值 三、合成波长 小数重合法时， 用两个波长进行测量： P76 PD上的光强为： 三、条纹的对比度 定义: 明暗变化的比值 明暗变化的强度越大, PD感测出的信号信噪比越好 当两干涉光的光强相等时, 对比度越好 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 四、应用举例 1、比长仪；2、激光跟踪仪；3、Renishaw干涉仪；4、小角度测量仪 1、比长仪 应用: 对刻尺进行标定或检测 2、激光跟踪仪 应用: 测量已知目标的运动轨迹或者位置 3、Renishaw干涉仪 优点: *去掉直流分量和实现共膜抑制 *三个信号完全共路,去掉外界噪声,保证低频的稳定性 4、小角度测量仪 小角度测量仪， 测量范围一般在±1°以内，最大测量误差± 0.05 ″。 采用下图,可达95 °,测量精度±0.3″ 1、试设计一测量空气折射率的干涉测量系统 2、设计一干涉测量系统，测量机床导轨的某一方向的偏摆角度 ▲若 M2 平移?d 时，干涉条移过 N 条，则有: 迈克耳孙干涉仪 条纹变粗，向中心收缩，稀 条纹变细，从中间冒出，密 d每增或减λ/ 2时，δ 变化λ，位相差变化2π，中心点的光强就有一次亮暗变化。δ0= 2d 薄膜上表面 面上移 移动后条纹位置? 移动前条纹位置 · · · · j j-1 j j+1 传统干涉测量系统的特点 (1)测量精度高,前置放大器为直流放大器 (2)对环境要求高， 不允许光强有较大的变化 (3)抗干扰能力差，一般工作在恒温、防震条件下 激光外差干涉测量系统 (1)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，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（AC）干涉仪 解决：(1) 滤掉了背景噪声 (2) 滤掉了直流放大器的噪声 一、Zeeman双频激光干涉仪 右旋 左旋 多普勒效应?? 1、探测器上的信号 对入射光： 对反射光： 总的变化： 2、测量臂 由于M2的运动由Doppler效应知： N为脉冲的数量 所以:PD1的输出信号频率: PD2的输出信号频率: λ 为测量臂的波长 3、后续电路 其能力： 电路静态频率： ?1- ?2 动态频率： (?1- ?2 ）±Δf 为不失真, Δf ≤ 1/3(?1- ?2) 所以对于一个双频激光干涉仪其最大的测量速度为: ? ≤λ/6(?1- ?2) AOM（Acousto-Optic-Modulator)/ Bragg器件： 产生的一级衍射光束的频率为 ν0±νs ， Vs可达几十兆Hz 二、其他外差干涉仪 Zeeman： 频差1.5-1.8MHz 动镜移动速率小于300mm/s 三、应用 1 、测量角度/偏摆 2、测量空气折射率 3、测量振动 1970 年,Leendez开创了光学粗糙表面的干涉测量方法， 称这种方法为散斑干涉测量 一、 基本的概念 1、散斑：当一束激光照射到物体的粗糙表面上时，其反射的光束中亮斑与暗斑的分布杂乱，顾称为散斑（Speckle） 其实质：经粗糙表面漫反射后的光，空间干涉的结果， 所以是非物体表面的像 其分布与照射的表面有关(小) 2、散斑产生的条件： 1）粗糙表面， hλ产生均匀散斑 2）必须有高相干光 3、散斑测量技术分类 （1）散斑照相 被激光照射的粗糙表在透镜的像面上形成的散斑图 同全息相比, 散斑照相并不能提供测量的一些信息 如果利用全息技术记录某一时刻的散斑信息, 利用变化后的形成的散斑干涉, 可以进行测量工作 （2）散斑干涉技术 在散斑图的基础,外加一相干的参考光,例如，平面波,球面波或者稳定的其他散图均可 应用: 测量位移、应变、振动、粗糙度等 二、散斑干涉测量技术 1、测量纵向位移 当O有位移时，参考光与物光 的相位差为： 根据相干条件，当δφ=2kπ时， 即： 与初始上干涉状态一致 当δφ=(2k+1)π时,即: 图像明暗反转 通过观察散斑的明暗变化