光电检测技术-范志刚-第6章 激光干涉测试技术.ppt

光电测试技术  哈尔滨工业大学 概述 由于科学技术的进步，干涉测量技术已经得到相当广泛的应用。一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出了愈来愈高的精度和更大量程的要求，其它方法难以胜任；另一方面因为当代干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适合恶劣环境、光波和米定义联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛。 目前已经有许多著名厂家的成熟的干涉仪产品，覆盖了相当大的应用范围。但是，干涉仪毕竟不是简单的工具，仍有许多新的应用领域有待开发和研究。因此，需要更加深入的学习。 概述 现代干涉技术是物理学理论和当代技术有机结合的产物。激光、光电探测技术和信号处理技术对于干涉技术的发展起着重要的作用。 历史进程： 17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹（后被称作牛顿环），人类从此开始注意到了干涉现象。 1690年，惠更斯出版《论光》，提出“波动”说。 1704年，牛顿出版《光学》，提出了“微粒”说。 1801年，托马斯·杨(Thomas Young)完成了著名的杨氏双缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。 概述 历史进程： 1818年，阿喇果和菲涅尔发现两个正交的偏振光不能干涉，导致杨和菲涅尔得出光是横波的结论。 1860年，麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。 1881年，迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量“以太”漂移，导致“以太”说的破灭和相对论的诞生。他还首次用干涉仪以镉红谱线与国际米原器作比对，导致后来用光波长定义“米”。 1900年，普朗克（Max Planck）提出辐射的量子理论，成为近代物理学的起点。 概述 历史进程： 1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）提出相对论原理。 1924年，Louis de Broglie推导出de Broglie波方程，认为所有的运动粒子都具有相应的波长，为隧道显微镜、原子力显微镜的诞生做了理论准备。 1960年，梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期。 1982年，G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳米分辨率和准确度前进的新时代。 概述 特点： 具有更高的测试灵敏度和准确度； 绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差； 较大的量程范围； 抗干扰能力强； 操作方便； 在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。 概述 分类： §4-1 激光干涉测试技术基础 1.1 干涉原理与干涉条件 1．干涉原理 光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布为： §4-1 激光干涉测试技术基础 1.1 干涉原理与干涉条件 2．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 §4-1 激光干涉测试技术基础 1.2 影响干涉条纹对比度的因素 干涉条纹对比度可定义为 §4-1 激光干涉测试技术基础 1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ①光源的单色性与时间相干性 如图，干涉场中实际见到的条纹是λ到λ＋Δλ 中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。 当λ＋Δ λ 的第m级亮 纹与λ的第m+1级亮纹重 合后，所有亮纹开始重 合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条纹的限度为 §4-1 激光干涉测试技术基础 1.2 影响干涉条纹对比度的因素 ②光源大小与空间相干性 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响: 由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图样都有很好的对比度。 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。 由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间。 §4-1 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 §4-1 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 当n = 1时，有 §4-1 激光干涉测试技术基础 1.2 影响干涉条纹对比度的因素 小结： 对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是： 光源的时间相干性； 光源的空间相干性； 相干光束的光强不等； 杂散光的存在； 各光束的偏振状态差异； 振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。 §4-1 激光干