第三章、激光干涉測(cè)量.

1、第三章、激光干涉測(cè)量干涉測(cè)量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行高精密測(cè)量的一門(mén)技術(shù)。20世紀(jì)60年代激光的出現(xiàn)，才使干涉測(cè)量技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。因?yàn)榧す獬霈F(xiàn)以前，所用以光源單色燈經(jīng) 過(guò)濾光片濾光作為單色光源，其相干長(zhǎng)度只有幾mm,且干涉條紋比較模糊，只能微小變化的測(cè)量。激光的出現(xiàn)，由于激光束的高亮度和很長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度（He-Ne激光器，相干長(zhǎng)度幾十Km），使得干涉測(cè)量的測(cè)量精度、可測(cè)量長(zhǎng)度都有了質(zhì)的提高。激光干涉測(cè)量的應(yīng)用范圍 很廣，可用于長(zhǎng)度、位移、角度、形狀、介質(zhì)折射率（通過(guò)折射率的變化還可以測(cè)量壓力、 溫度等）變化。激光干涉測(cè)量的原理就是將入射激光束分成兩束，一束為參考光束，一束為測(cè)量光束,

2、NM測(cè)量?jī)墒獾墓獬滩钲贪薾丄 八njlj二k = I或n的信息。7j42本章主要介紹激光干涉長(zhǎng)度測(cè)量、激光干涉微小間隙測(cè)量以及光纖干涉?zhèn)鞲衅魉鶚?gòu)成的 溫度、壓力測(cè)量。首先介紹激光干涉長(zhǎng)度測(cè)量。 3.1激光干涉長(zhǎng)度測(cè)量(3-1-1)一、激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理干涉測(cè)長(zhǎng)儀是一種利用 增量法”的測(cè)長(zhǎng)儀器。最基 本的測(cè)長(zhǎng)儀光路采用 Michelson（邁克爾遜）干涉儀，參 考反射鏡Mi固定不動(dòng)，目標(biāo)反射鏡 M2與被測(cè)對(duì)象固 聯(lián)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)，兩路光束的光程 差發(fā)生變化，因?yàn)閮晒馐鴣?lái)自于同一相干光源（同一臺(tái) 激光器），兩光束產(chǎn)生的干涉條紋也將發(fā)生明暗交替的 變化（因?yàn)閮煞瓷溏RMi、M2不

3、可能完全垂直，故應(yīng)為 等厚干涉）。假設(shè)目標(biāo)反射鏡從M2移至M2，則二光束 的光程差變化量為：=2 n(g L-IJ-2 n(lm-lc)=2 nL當(dāng)用光電探測(cè)器接收干涉條紋的明暗變化時(shí)，兩光束的光程差每變化一個(gè)波長(zhǎng)（ 丸），干 涉條紋就明暗變化一次，所測(cè)得的干涉條紋變化次數(shù) 2汨、=2 nL/，n為介質(zhì)折射率，在 空氣中，n1，故L /2。二、激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的組成激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)主要由激光干涉系統(tǒng)和干涉條紋計(jì)數(shù)處理系統(tǒng)組成。（一）、激光干涉儀系統(tǒng)因?yàn)镠e-Ne激光器輸出的激光頻率和功率穩(wěn)定性都較高，且價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，所以， 一般以He-Ne激光器為激光干涉儀光源，在干涉測(cè)量光路中，為了確保

4、出射光路與反射回的 光路平行，大多采用直角棱鏡反射器，典型的干涉儀光路圖如下。對(duì)于雙棱鏡光路a），入射、反射光在空間上完全分離，可以避免反射光束返回激光器，ii其缺點(diǎn)是兩塊棱鏡需配對(duì)加工，且加工精度要求很高，為此改進(jìn)為b）單棱鏡光路。為了提高測(cè)量精度，可以采用如圖c）的雙光程光路，這樣在測(cè)量過(guò)程中，光程差的變化量10=4nL = k，= L / 4，測(cè)量精度比傳統(tǒng)的 Michelson（邁克爾遜）干涉儀提高一倍。在提高 測(cè)量精度的同時(shí)，也給光路調(diào)整帶來(lái)了困難，為了既可以提高測(cè)量精度，又調(diào)整方便，可將 多個(gè)光學(xué)元件組合在一起，這就形成了整體式光路布居d）。一個(gè)立方體分光器，部分表面鍍以全反膜，整

5、個(gè)系統(tǒng)的一體化，提高了抗干擾能力。（二）、干涉條紋計(jì)數(shù)與測(cè)量結(jié)果處理激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀采用電子計(jì)數(shù)時(shí)，為了提高測(cè)量精度，必須判別可移動(dòng)目標(biāo)反射鏡的前 進(jìn)與后退，也就說(shuō)儀器必須可逆計(jì)數(shù)。此外，為了提高儀器的分辨率，還要對(duì)干涉條紋進(jìn)行 細(xì)分。為了達(dá)到這些目的，干涉儀必須具有兩個(gè)相位差為90。的信號(hào)輸出，既兩個(gè)電信號(hào)中,一個(gè)為正弦信號(hào)，另一個(gè)為余弦信號(hào)，這就需要在干涉儀光路中加入一個(gè)90。1、移相器常用的移相方法有：機(jī)械移相法、階梯板移相法、金屬膜移相法、分偏振移相法。下邊 分別介紹。 機(jī)械移相法：產(chǎn)生90。相移信號(hào)的最簡(jiǎn)單的方法就是將參考反射鏡Mi傾斜一定角度，當(dāng)Mi傾斜6時(shí)，條紋間隔大約為10mm，

6、調(diào) 節(jié)兩個(gè)光電接收器D1、D2的距離為條紋間距的1/4 （10/4=2.5mm）,便可得到相位差為90的兩個(gè)電信號(hào)。該方法 的缺點(diǎn)是反射鏡的微小失調(diào)都會(huì)改變條紋間隔，使輸出信號(hào)的 相位差發(fā)生變化，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。 階梯板移相法在參考反射鏡Mi上半邊鍍一層厚度為d的透 明介質(zhì)，產(chǎn)生 入/8的階梯，使光束的左、右兩 部分光波場(chǎng)產(chǎn)生入/4的初始相位差， 金屬膜移相法利用金屬膜表面的反射與透射產(chǎn)生附加相位差的原理，在分束器BS的分光面上，作成金屬膜分幅移相器，如上圖。移相程度取決于鍍層的厚度及膜材料，若將所鍍金屬膜的 厚度對(duì)應(yīng)反射光束與透射光束產(chǎn)生 45。的相位差，對(duì)于光電接收器Di,移相器產(chǎn)生的相

7、位 為45。，而光電接收器D2,移相器的附加相位為0,故Di與D2的相位差為90 分偏振法移相入射光為線偏振光，偏振方向與光線所組成的平 面成45角（保證垂直和平行反射面方向的光矢量 振幅相等，既所分成的兩束光光強(qiáng)近似相等），在 參考光路中加入入/4波片（快軸與線偏振光的偏振 方向成45角），所以出射的參考光束為圓偏振光 （位相差為90,且振動(dòng)方向相互垂直的兩線偏振 光的合成光）。而測(cè)量光束為線偏振光。原偏振光 束與線偏振光束經(jīng)合束器合束，入射屋拉斯棱鏡， 將圓偏振的參考光束和線偏振的測(cè)量光束均分成相互垂直的線偏振光（水平偏振和垂直偏振）， 進(jìn)行干涉產(chǎn)生干涉條紋，而參考光束所分成的兩 相互垂直

8、的偏振光有相位差90，測(cè)量光束所分成 的兩線偏振光相位差為0,故Di、D2接收到的信 號(hào)有90相位差。2、干涉條紋計(jì)數(shù)及運(yùn)動(dòng)方向判別原理干涉測(cè)長(zhǎng)儀在實(shí)際測(cè)量位移量時(shí)， 測(cè)量反射鏡M2可能需要正、反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，或者由 于外界振動(dòng)等因素使測(cè)量反射鏡在正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，偶有反向移動(dòng)出現(xiàn)，所以干涉條紋計(jì)數(shù) 系統(tǒng)還應(yīng)能判別測(cè)量反射鏡 M2的移動(dòng)方向。如果計(jì)數(shù)系統(tǒng)不能判別 M2的移動(dòng)方向，則正方 向產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)（條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)）與反方向產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)想加，總計(jì)數(shù)N不代表真正的位移量。如何實(shí)現(xiàn)M2移動(dòng)方向的判別呢？下面介紹判向計(jì)數(shù)原理。判向計(jì)數(shù)原理方框圖如下圖:可逆計(jì)數(shù)器干涉條紋通過(guò)移相系統(tǒng)，兩路干涉條紋系

9、統(tǒng)產(chǎn)生n /2的位相差，經(jīng)光電接收器（光電二極管）轉(zhuǎn)變?yōu)槲幌嗖顬?0。的兩個(gè)電信號(hào)（余弦信號(hào)和正弦信號(hào)），通過(guò)放大、整形成為正方 波和負(fù)方波，經(jīng)過(guò)分路，其中一路通過(guò)倒相器，這樣兩路信號(hào)變成了四路信號(hào)，經(jīng)過(guò)微分運(yùn) 算，就會(huì)得到具有一定時(shí)序關(guān)系的尖脈沖序列。時(shí)序關(guān)系如下圖。M2 正 向 移 動(dòng) 各 脈 沖 相 位 關(guān) 系時(shí) 序 為14233 t微分M2 反 向 移 動(dòng) 各 脈 沖 相 位關(guān)系時(shí) 序 為1324+sin 3 t微分+sin 3 t-cos 3 t微分可逆計(jì)數(shù)器通過(guò)判別脈沖順序是1, 2, 3, 4;還是1, 2, 4, 3;從而確定M2是正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，正向移動(dòng)+1 ,反向移動(dòng)

10、-1,這樣便可得到真實(shí)的條紋移動(dòng)個(gè)數(shù)N。同時(shí)，該電路使得初始的一個(gè)干涉條紋信號(hào)，變成了相位相差n /2的 4個(gè)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了干涉條紋的4倍頻計(jì)數(shù)，既M2移動(dòng)入/8就得到一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)，也就是說(shuō)，測(cè)量精度可 以從入/2提高到入/8（三）、干涉長(zhǎng)度測(cè)量中折射率的補(bǔ)償在激光干涉測(cè)量中，環(huán)境因素的變化導(dǎo)致空氣折射率的改變，從而直接影響測(cè)量精度， 空氣折射率的補(bǔ)償效果好壞在高精度干涉測(cè)量中起著瓶頸的作用。通過(guò)測(cè)量空氣介電常數(shù)來(lái) 測(cè)定空氣的相對(duì)折射率，所使用的傳感器就是一系列簡(jiǎn)單的平板電容器，平板間的的介電常 數(shù)；r就決定了電容器的電容大小，通過(guò)測(cè)量電容值來(lái)測(cè)量相對(duì)介電常數(shù)，從而也就測(cè)定了相 對(duì)折射率。在

11、綜合修正的補(bǔ)償系統(tǒng)中，一般是在量程中布置有限幾個(gè)電容傳感器，采用計(jì)算 機(jī)控制多點(diǎn)測(cè)量來(lái)擬合折射率在全量程的變化曲線，利用多項(xiàng)式插值可得量程內(nèi)任一點(diǎn)的空 氣折射率值n（IJ，以提高測(cè)量精度。1平板電容法測(cè)量介質(zhì)折射率對(duì)空氣相對(duì)介電常數(shù)&的測(cè)量可采用電容傳感器（如圖3-1平板電容器所示）圖3-1電容器；0 ；rSd(31 )平行極板電容傳感器的電容值 C為:式中 S，d分別為電容器的極板面積和極板間距，K=oS/d為一 常量。可見(jiàn)，在S和d不變的情況下，電容C與空氣相對(duì)介電常 數(shù)$成正比，測(cè)量電容C即可測(cè)量空氣相對(duì)介電常數(shù)由于真空介電常數(shù)$0的數(shù)值非常小，為提高測(cè)量靈敏度，需要采用較大的 極板面積

12、和較小的極板間距.但極板間距不能過(guò)小，否則，其間的 空氣介質(zhì)流動(dòng)性受到影響而不反映測(cè)量環(huán)境的空氣情況.為使S和d在測(cè)量過(guò)程中保持不變，電容器應(yīng)選用零膨脹系數(shù)的材料制作電容C的測(cè)量方法通過(guò)一個(gè)微處理器自動(dòng)跟蹤鎖定 量原理見(jiàn)圖1。LC并聯(lián)回路的諧振頻率，對(duì)電容的變化進(jìn)行測(cè)量，測(cè)圖丨諧振法測(cè)重電容痰理圖被測(cè)電容C和一個(gè)電感L組成LC并聯(lián)諧振回路，位于運(yùn)算放大器A的反饋回路中丄和 C的數(shù)值決定了電路的初始諧振頻率并聯(lián)電阻Rp為電容C的寄生電阻，r為電感線圈L的電 阻。系統(tǒng)的反饋控制裝置包括相位差計(jì)、A/D、微處理器、D/A、壓控振蕩器（VCO）等，通過(guò)總使壓控振蕩器的輸出Vs與放大器A的輸出V。之間的

13、相位差為零，而跟蹤鎖定不同的電容 值時(shí)諧振回路的諧振頻率。VCO的輸出信號(hào)Vs的頻率由微處理器控制下的 D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果確定。模擬相位差計(jì)的輸 出信號(hào)Vf反映出V。與Vs之間的相位差的大小，經(jīng)放大和 A/D轉(zhuǎn)換送入微處理器當(dāng)V。與 Vs之間的相位差為180時(shí)，Vf=0.如果運(yùn)算放大器具有理想的特性，則有j 週CLRPR2(1 rRp) oZrVsR(3 - 2)式中co0 =1/jLC為振蕩回路固有角頻率；3為信號(hào)Vs的角頻率.由于r/Rp 1在=磯時(shí)，阻抗為2(3 - 3)Zr ： (j 0 Lr)CLRp/ j(L CRpr)對(duì)阻抗Zr的分析分為兩種情況：當(dāng)電感 L的品質(zhì)因數(shù)QL=o L/r

14、接近于無(wú)窮大，即r0 時(shí)，Zr=Rp，相當(dāng)于純電阻，并且不受C與L值的影響.Vo與Vs之間的相位差為180;當(dāng)電容 C的品質(zhì)因數(shù)Qc=3 CR接近于無(wú)窮大，即 Rp-刈寸，阻抗Zr二L - P L/C，它不僅不是RC純電阻，而且受C與L值的影響.可見(jiàn)電感L的品質(zhì)因數(shù)對(duì)ZR的影響遠(yuǎn)大于電容C的品質(zhì)因 數(shù)對(duì)Zr的影響，實(shí)際電路中應(yīng)選用r 0的電感線圈.當(dāng)C發(fā)生變化時(shí)諧振回路失諧，使 Vf工（微處理器作為一個(gè)積分運(yùn)算器，通過(guò) VCO調(diào)節(jié) Vs的頻率，直至 Vf=0,使電路重新達(dá)到諧振狀態(tài)，然后微處理器計(jì)算出電容的變化量 C.因?yàn)?=1八LC，所以(3-4)。/ 0 f ；f。/ f。- - C/(2

15、C)即諧振頻率的變化 直接取決于 C經(jīng)標(biāo)定后，微處理器可給出與 成正比的數(shù)字輸 出.從式（5-4 ）可見(jiàn)，通過(guò)增加諧振頻率f。，可以獲得高的40/ 靈敏度.但過(guò)高的f0會(huì)使 VCO的精度降低.因此選擇f0時(shí)，應(yīng)綜合考慮靈敏度和所需要的測(cè)量分辨率， 因此選擇f0時(shí), 應(yīng)綜合考慮靈敏度和所需要的測(cè)量分辨率.三、典型的干涉測(cè)距儀1、械移相測(cè)距儀測(cè)距儀光路圖如下圖。穩(wěn)頻He-Nq激光器輸出的偏振激光束經(jīng)過(guò)主軸方向與偏振方向成45角的入/4波片，變成圓偏振光，這樣反射回來(lái)的圓偏振光再經(jīng)過(guò)入/4波片，又變成線偏振光，且偏振方向旋轉(zhuǎn)90,以防反射光返回激光諧振腔影響激光器的正常工作。經(jīng)過(guò)倒置望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束后的激

16、光束入 射邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)。經(jīng)M、M反射鏡反射的光波再次經(jīng)過(guò)分束鏡 BS,又合成一束光進(jìn)行干涉，兩束光的光程差為：人=2（L2 - L1）。穩(wěn)頻偏振（去耦）入/4 倒置望遠(yuǎn)He-Ne激光器波片鏡擴(kuò)束邏輯電路雙向計(jì)數(shù)器DiD215則兩束出射光的光場(chǎng)為：巳二Eiosint,E2 二E2osin（-i.：）且EgE2E。對(duì)于可見(jiàn)光，1015Hz，任何光電器件都不能對(duì)此時(shí)時(shí)響應(yīng)，所能檢測(cè)到的只能是時(shí)間平均值。兩光束的合成光強(qiáng)為：I= I1I22（I1I2）1/2cos（ / J =2Eo2E（2cos（2：/） =2l01cos（2/ ）移動(dòng)M使其變化丸2=光程差厶發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的條紋變化數(shù)為：厶”

17、=2丄2/-，從而得到 丄2 YN /2。適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫S、S2，使二干涉場(chǎng)的相位差為二/2或90，（因?yàn)閮墒饩鶠槠叫泄馐?，?M、 M不可能完全垂直，故為等厚干涉，干涉圖樣為相互平行的明暗干涉條紋，調(diào)節(jié)狹縫S、S2的位置，例如Si正好對(duì)準(zhǔn)亮條紋，S對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)亮條紋的1/4處，二者相位差則為90），使得 后序的邏輯電路判斷出 M是正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，正向移動(dòng)雙向計(jì)數(shù)器加1,方向移動(dòng)減1, 從而得到真實(shí)的條紋變化數(shù)。若將兩個(gè)電信號(hào)分別輸入示波器的 X、丫軸，L2變化時(shí)，示波器上就會(huì)出現(xiàn)李薩如圖形， L2每變化 /2，示波器上的光點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)圓周，光點(diǎn)軌跡的移動(dòng)方向取決于 M的移動(dòng)方向 測(cè)量分辨率至

18、少可以達(dá)到 /8。2、分偏振法移相測(cè)距儀（45萬(wàn)向）穩(wěn)頻偏振入/4 倒置望遠(yuǎn)邏輯電路雙向計(jì)數(shù)器前面介紹的測(cè)距儀中，隨然加入了 /4波片可以消除反射光對(duì)激光器的影響，但是由于 14，不可能完全的消除反射回諧振腔的光波。這就出現(xiàn)了下面的無(wú)反作用干涉測(cè)距儀。光 路圖如上圖。它有兩個(gè)具有90相移的條紋系統(tǒng)。穩(wěn)頻激光器輸出的線偏振光經(jīng)過(guò)光軸與偏振方向成 45的扎14波片后，變?yōu)閳A偏振光（假設(shè)為右旋偏振光），然后，經(jīng)分束鏡BS分成參考光束和 測(cè)量光束（兩光束光強(qiáng)近似相等）。其中入射BS2的為參考光束（仍為右旋偏振光），另一束入 射逆反器M,經(jīng)過(guò)兩次光密到光疏介質(zhì)的全反射，相互垂直的偏振光產(chǎn)生180的相位差

19、（每經(jīng)過(guò)一次光密到光疏介質(zhì)的全反射，相互垂直的偏振光產(chǎn)生90的相位差），這樣經(jīng)過(guò)逆反器M的光束仍為圓偏振光，只是圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，由原來(lái)的右旋偏振光變?yōu)樽?旋偏振光。左旋的測(cè)量光束和右旋的參考光束經(jīng)合束鏡 BS合束，形成線偏振光，只是線偏振 光的偏振面隨兩光束的光程差的變化（逆反鏡 M的移動(dòng)）而旋轉(zhuǎn)，逆反鏡 M每移動(dòng)九/ 2，偏 振面就旋轉(zhuǎn)360 （一周），偏振面旋轉(zhuǎn)的方向取決于逆反器 M的移動(dòng)方向。調(diào)整光電探測(cè)器 D、D2前的檢偏器的透射光軸，使二者的透光方向（偏振方向）相互垂直，則光電探測(cè)器D、D2所輸出的電信號(hào)位相差為90。將電信號(hào)饋入邏輯電路，依此根據(jù)脈沖順序確定逆反器的移

20、 動(dòng)方向，進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到偏振面旋轉(zhuǎn)的周數(shù)。需要注意的是，逆反器每移動(dòng) /4，光電探測(cè)器D就接收到一個(gè)光脈沖（偏振面旋轉(zhuǎn)180）,若計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N,則逆反器移動(dòng)的距離應(yīng)為： .丄二N /4 （而不是 /2），分辨率比邁克爾遜干涉儀提高一倍。四、光束調(diào)制遙感測(cè)距上面介紹的干涉測(cè)距儀都是通過(guò)測(cè)量移動(dòng)逆反鏡過(guò)程中干涉條紋的變化數(shù)，來(lái)間接得到 逆反鏡的移動(dòng)距離 L的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，但是對(duì)于長(zhǎng)距離測(cè)量，例如 幾Km 幾十Km就不可能通過(guò)移動(dòng)逆反鏡來(lái)進(jìn)行實(shí)際的距離測(cè)量，這就發(fā)展起來(lái)了遙感測(cè)距技術(shù)。 在光束調(diào)制遙感測(cè)距中，所用激光器一般為半導(dǎo)體激光器，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器容易實(shí)現(xiàn)調(diào)制， 利用輸出光強(qiáng)

21、隨注入電流的線性變化，這樣注入一正弦變化的電流，就能得到正弦變化的光 強(qiáng)輸出。在光束調(diào)制遙感測(cè)距中，利用振幅調(diào)制或偏振調(diào)制的輸出光束進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量lT(t)MD設(shè)強(qiáng)度為It （t）的振幅調(diào)制光束從激光光源 S發(fā)射到逆反鏡R,被測(cè)距離為RS=L光電探測(cè)器所接收到的反射TTA WIT(t)IR(t)IR(t)光為厲，光束傳播的時(shí)間為，在一級(jí)近似下，lR（t） =rT（t - ），其中：-恒定衰減常數(shù)。實(shí)際上，在傳播過(guò)程中，衰減常數(shù)：是隨傳播時(shí)間變化的，并會(huì)引起 調(diào)制波形失真，特別是方波，失真最嚴(yán)重，如右圖。若米 用正弦波強(qiáng)度調(diào)制（失真最?。?，發(fā)射的光強(qiáng)為：IT （t - 10（1 ms in 1:

22、t）,其中m -調(diào)制深度；、-調(diào)制角頻率反射回來(lái)的光強(qiáng)為:lR(t) - ： 101 ms in t -比較所發(fā)射的光束與反射回來(lái)的光束的相位，就會(huì)得到二者的相位差門(mén)，根據(jù)的大小可以導(dǎo)出以調(diào)制周期T =2J為單位的渡越時(shí)間，或以調(diào)制波長(zhǎng)u=cT/： ng 所表示 的幾何距離L。,2L： ng /c,其中：:入 一-所用光波波長(zhǎng)沿光路傳 播的群折射率的平均値 典型的下變頻比較相位法測(cè)距裝置如下圖。sin門(mén)t同時(shí)輸入為厲=.T（t - ）八1。1 ms in小-.，調(diào)制信號(hào)sin “t與輔助調(diào)制信號(hào)混頻輸出為：與輔助振蕩信號(hào)混頻器M ,由于混頻器為低通輸出，只輸出門(mén)D-門(mén)-門(mén)的信號(hào)，:sin沁si

23、 ntcosDt;光電倍增管 PM的輸出信號(hào)為:si n（t-）， sin E經(jīng)混頻器 M混頻輸出為：:sin? （t - ） sinMcosDt -門(mén)）。為了便于測(cè)量，一般取30MHzQd 12KHz，將混頻信號(hào)cosit與cosCt）輸入相位比較器，得到Oj至此按理說(shuō)由可以得到測(cè)量值L。但是具有多值性（2n兀）。為了消 除這種多值性，一般使用三個(gè)已知長(zhǎng)度U1、U2、U3作為調(diào)制波長(zhǎng)（第一次調(diào)制波長(zhǎng)為U1，第二次 調(diào)制波長(zhǎng)為比，第三次調(diào)制波長(zhǎng)為U3）。為了求出L值，須求解下列方程組：2L 汕5 h（ 1）2L 二 r2u2 l2（2）2L = 3 丄（3） ri、r3為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的整數(shù)波長(zhǎng)數(shù)，

24、 匚丄為加到整數(shù)波長(zhǎng)上的分?jǐn)?shù)波長(zhǎng)數(shù)，可以從相位比 較器的輸出獲得，： ： 360）= h /360。上述三個(gè)方程中，有四個(gè)未知數(shù) L、ri、2、，必須加入第四個(gè)條件才能求解，這個(gè)條件 就是ri、m r3是相互關(guān)聯(lián)的整數(shù)（都是調(diào)制波長(zhǎng)的整數(shù)倍）。為了方便起見(jiàn)，調(diào)制波長(zhǎng)的選擇為：20U| =21u3 =50m;400U| =401u2 = 1000m；=u1 =2.5m; u3 = 50/21 2.38m;u2 = 1000/401 2.49m對(duì)于3, 0L50m3=1,以后每增加 50m3 的值加 1 （例如 50m 蘭 L100m, r3 =A+1）；對(duì)于 r2,0L ,所以i23 A _ 2

25、Dn ： _ n D ：Si S2 2d/n d，故有:= t1 -t1 亠 n(i 晉)2n D：d(,nDd1)2 22n 2DdRsd2n2D2由此可以看出，v工，即_：i=二，干涉儀可視為平晶楔角a的放大器，放大倍率為假 設(shè) D=1m, d=2.4mm, n=1.55，n2D/d 103，若 a =5*10-6 弧度，這樣F=2D0 =1000*5*10-3=10mm而一般的機(jī)械測(cè)量能測(cè)量到 0.1mm上述測(cè)量裝置就可以測(cè)量到 待測(cè)平晶兩平面的最小夾角到 5*10-8弧度。至于夾角的方向，可根據(jù)干涉條紋圓環(huán)中心O的方位來(lái)確定a的方向。3、棱鏡角度的測(cè)量在前面所介紹的激光干涉測(cè)距儀中，經(jīng)

26、常用到棱鏡，棱鏡的角度是否合乎要求，需要對(duì)讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡MB八入射激光束入射激光束B(niǎo)SAABS4入射激光束讀數(shù)顯微鏡*若溫度從 to上升到t，通過(guò)讀數(shù)0.幾)，每移動(dòng)一個(gè)條紋，空氣層厚其進(jìn)行測(cè)量。我們可以利用等厚干涉對(duì)棱鏡角度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量光路如上圖。選一塊有標(biāo)準(zhǔn)角度的棱鏡 A和一塊光學(xué)平晶B,構(gòu)成一個(gè)與被測(cè)棱鏡相對(duì)應(yīng)的角，在將 被測(cè)棱鏡按上圖放于光學(xué)平晶 B上, He-Ne激光束入射被測(cè)棱鏡，標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡 A的后表面 與待測(cè)棱鏡 W的表面構(gòu)成一空氣楔角，在讀數(shù)顯微鏡里就會(huì)觀測(cè)到等厚干涉條紋，測(cè)出干涉 條紋的條紋間隔e，就可以測(cè)出待測(cè)棱鏡角度與標(biāo)準(zhǔn)角度的角度差a =入/ (2e)。為了提

27、高測(cè)量精度，一般測(cè)量幾個(gè)條紋的間距Ne=(N 1)，/(2Ne)，N-條紋個(gè)數(shù) 4、激光干涉法測(cè)量物體的膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)是材料的一個(gè)很重要的參數(shù)，利用激光干 涉的方法可以很精確的測(cè)量材料的膨脹系數(shù)。 測(cè)量裝置 如右圖。A、B為兩塊光學(xué)平晶平板，中間所放圓環(huán)為 已知低膨脹系數(shù)的石英或銦鋼環(huán)， 環(huán)與A、B光學(xué)接觸， 待測(cè)物體W至于腔內(nèi)，且 W上下表面研磨成光學(xué)表面。 因?yàn)榇郎y(cè)物上表面與平晶A的下表面不可能完全平行， 故二者會(huì)形成一楔型空氣層。當(dāng)用平行激光束照射時(shí)， 在讀數(shù)顯微鏡中就會(huì)觀測(cè)到圖中的等厚干涉條紋。 將測(cè) 量腔體放入一緩慢升溫的環(huán)境中，當(dāng)溫度上升時(shí)，由于 石英環(huán)(或銦環(huán))與被測(cè)物體W的膨

28、脹系數(shù)不同，中間 的空氣層厚度會(huì)發(fā)生變化，干涉條紋就會(huì)向一個(gè)方向移動(dòng), 顯微鏡視場(chǎng)中某一刻線的條紋個(gè)數(shù)為 N(當(dāng)然也可以讀到 度增大入12，對(duì)應(yīng)空氣層的變化量為：4二N，/2 (為環(huán)c的咼度變化量 Lc與W的咼度變化量 S 之差)即L二N /2- J，而Lc可根據(jù)環(huán)c的高度與對(duì)應(yīng)膨脹系數(shù)及溫度茶差出。這樣就可得到W的膨脹系數(shù)。Lw(tto) 3.3玻璃內(nèi)應(yīng)力的激光干涉測(cè)量我們?cè)谌粘Ｉ钪?，處處離不開(kāi)玻璃制品，小到日常使用的玻璃杯、日光燈管、電視機(jī) 顯象管等、大到飛機(jī)、航天飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃等。這些玻璃制品，雖然在熔制過(guò)程中經(jīng)過(guò)了退 火處理，以消除其內(nèi)應(yīng)力，但總會(huì)還有一些殘存應(yīng)力存在，稱之為永久應(yīng)力

29、，這種殘存應(yīng)力 大到一定程度，就會(huì)影響使用性能，例如，光學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的透鏡，殘存應(yīng)力會(huì)使得其產(chǎn)生 慧差，導(dǎo)致焦點(diǎn)增大，飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃殘存應(yīng)力大到一定程度，在飛行過(guò)程中，承受不住外 界空氣的沖力或內(nèi)外壓力差，造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重災(zāi)難。所以在特殊應(yīng)用玻璃應(yīng)進(jìn)行殘存應(yīng) 力的檢測(cè)。一、玻璃內(nèi)應(yīng)力干涉測(cè)量原理檢測(cè)的原理基于殘存應(yīng)力的存在會(huì)產(chǎn)生雙折射，通過(guò)測(cè)量所產(chǎn)生雙折射的大小，測(cè)量玻 璃內(nèi)的殘存應(yīng)力的大小。所謂雙折射，就是光波場(chǎng)在具有雙折射特性的材料中傳播時(shí)，分成振動(dòng)方向相互垂直的 兩束偏振光，一束為 0（Ordinary ）光（尋常光），尋常光線無(wú)論入射方向如何，出射光線總 是在入射面內(nèi)，且折射角的正弦

30、與出射角的正弦之比恒為常數(shù)，即符合折射定律；另一光束正單軸晶體折射率橢球副單軸晶體折射率橢球?yàn)閑（Extraordinary） 光（非常光），一般情況下，即使入射角為 0，折射角也不為0，即不 遵守折射定律。我們以單軸晶體的折射率橢球來(lái)理解雙折射現(xiàn)象。0光不管向哪個(gè)方向傳播，振動(dòng)方向總是垂直于由波矢 K與光軸所組成的主截面，且折 射率恒為no；而e光，入射方向不同，傳播特性不同，當(dāng) e光沿光軸方向入射時(shí)，其折射率 與0光相同，當(dāng)沿其他方向入射時(shí)，貝U不同于 0光，其折射率如圖所示，且e光的電矢量振 動(dòng)方向始終位于由波矢K與光軸所組成的主平面內(nèi)。光學(xué)玻璃的殘存應(yīng)力，同樣使其產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，根據(jù)光

31、應(yīng)力定律：nO -n = g G c2；2 O二光程差 一cd（J -為 （其中c常數(shù)，d厚度）ne -n =C2；1 Cc 2、玻璃內(nèi)應(yīng)力激光干涉測(cè)量技術(shù)玻璃內(nèi)應(yīng)力的激光干涉測(cè)量技術(shù)是集光、電為一體的測(cè)量方法，光程差測(cè)量精度可以達(dá) 到0.3nm以下。測(cè)量原理圖如下。起偏器P的透光振動(dòng)方向?yàn)檠痉较?，檢偏器A的透光振動(dòng)方向?yàn)閄方向，即P丄A,光電 晶體E加電場(chǎng)后的快慢軸方向分別為 X、丫方向，與P、A的透光方向成4角，M為待測(cè)玻 璃板。測(cè)量過(guò)程為：1、未加入待測(cè)玻璃板MXA 僅在電光晶體上加一直流電壓 Vd,經(jīng)過(guò)起偏器P后，激光束變成沿丫方向振動(dòng)的線偏振光，入射電光晶體E后,分解為振動(dòng)方向分別為

32、X、丫的振動(dòng)方向相互垂直的兩束線偏振光，經(jīng)過(guò)電光晶體 E后，兩束光的相位差為d Vd/V二，其中，V：電光晶體的半波電壓，晶體的材料、尺寸大小一旦確定，半波電壓V二就是一個(gè)定值?，F(xiàn)在來(lái)分析檢偏器A的透射光強(qiáng)為何？入射電光晶體的光場(chǎng)為：Ep = E0 cos t，分解為沿X、Y振動(dòng)的光波場(chǎng)Ex、Ey，經(jīng)過(guò)電光晶體E后，二者產(chǎn)生了一相位差 %，貝U出射的二光波場(chǎng)可寫(xiě)成:Ex 二 Epcos45 = .2Ep/2,Ey 二 Epsin45e，D = 2Epei ；D /2能夠透射檢偏器A的光波場(chǎng)應(yīng)該振動(dòng)方向?yàn)閄方向，也就是說(shuō)，將從電光晶體 E出射的 光波場(chǎng)沿X方向合成（投影），合成的光波場(chǎng)為：Ex

33、=ExCOs45 _Ey cos（180。_45）二號(hào)（1 _e，D）Ei透射光強(qiáng)為：J 二 Ex E；二寸（1D）（ld D）二號(hào)（Icos D） 去掉直流電壓（VD=O）,在電光晶體上加一頻率為f的正弦波電壓信號(hào)，Vf -Vo sin2二ft，貝U E；、Ey 的相位差為0sin2二ftVn貝U,透射光強(qiáng)為：I；卩-cos伍/ sin2ift）為了便于分析，將余弦項(xiàng)按級(jí)數(shù)展開(kāi),2 V 一并忽略高次項(xiàng)，得到：I IoI X -2= S| |_丄（兀 Ylsin2%ft）2+_2 I 2! VJT十（晉52利用三角函數(shù)的倍角公式cos2 =I-2sin2，就得到透射光強(qiáng)的表達(dá)公式:I -cos

34、2 二 2 ft2Vo）2 I -cos（2：2ft） IV 二從上式可以看出：當(dāng)電光晶體上只加一正弦波電壓信號(hào)時(shí)，透射光強(qiáng)為一頻率為2f的倍頻信號(hào)，所以在示波器上，可以觀察到一頻率為2f的交變信號(hào)。2. 加入待測(cè)玻璃板M后測(cè)量過(guò)程將待測(cè)玻璃樣品放入測(cè)量光路中，偏振光通過(guò)M時(shí)，同樣會(huì)分解成沿主應(yīng)力方向 Gf2方向的相互垂直的兩偏振光，且兩相互垂直的偏振光間會(huì)產(chǎn)生一相位差 M =光程差?，F(xiàn)在的問(wèn)題是如何求出，為此應(yīng)先確定待測(cè)玻璃樣品的主應(yīng)力方向,二2在電光晶體上加一正弦信號(hào) VoSin2ft，旋轉(zhuǎn)M，觀察示波器上的掃描信號(hào)，當(dāng)JM的兩主應(yīng)力a2的方向分別與起偏器 P和檢偏器A平行時(shí)；示波器上為倍

35、頻正弦 信號(hào)，這是因?yàn)镸的加入只是給透射光引入了一固定相移。Ex = 1 Ep（1 _e）ei./ n的迭加。光入射到F- P腔后，不斷地在F- P腔的2個(gè)端面之間進(jìn)行反射和透射，形 成多光束干涉。當(dāng)F- P腔的腔長(zhǎng)是傳輸光半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)， 反射光強(qiáng) 最大。 通過(guò)對(duì)峰值波長(zhǎng)移動(dòng)量的測(cè)量即可得到待測(cè)溫度的變化情況， 該 傳感器具有靈敏度與傳感器的標(biāo)距成正比的特性，可以通過(guò)改變標(biāo)距的方 法方便地調(diào)整傳感器的靈敏度。6、電場(chǎng)光學(xué)傳感器-干涉禺4電犠壤想取翻集成光路器件可構(gòu)成多種結(jié)構(gòu) 來(lái)進(jìn)行電場(chǎng)測(cè)量，最常見(jiàn)的是在LiNbOs 襯底上制造的Mach - Zehnder干涉儀波導(dǎo)器件， 具有大的電光系數(shù)

36、，因而靈敏度高， 很適合于傳感應(yīng)用。電磁場(chǎng)傳感器 如圖4所示，它具有很好的線性、 微伏級(jí)靈敏度和大于 80dB的動(dòng)態(tài) 范圍，干涉儀兩臂長(zhǎng)度相差丄，產(chǎn)生固有的 900 相位差，以獲得最佳線性。對(duì)稱放置于干涉儀波導(dǎo)臂兩邊的電極與偶極子天線相連接，以調(diào)制與電場(chǎng)成正比的光輸出。LiNbOs波導(dǎo)制成X切、Y向傳輸，以使熱電效應(yīng)引起的溫度不穩(wěn)定性最小，并獲得高的電壓測(cè)量靈敏度。四、 光 纖 布拉 格光 柵傳感 器1、 光纖布拉格光柵 （FBG） 原理及制作方法1）光纖布拉格光柵 （FBG） 原理FBG 是 Fi ber Bragg Grating 的縮 寫(xiě)， 即光纖布 拉格 光柵。 在 纖芯 內(nèi)形 成 的

37、 空間相 位 周期 性分布 的光 柵 ， 其作 用的 實(shí) 質(zhì)就 是在 纖芯內(nèi) 形成 一個(gè) 窄 帶的 （透射 或反射 ）濾 波器或反 射鏡 。 利 用這一特 性可 制 造出 許 多性 能獨(dú) 特 的 光纖 器件 。 這 些器件具 有反 射帶寬范圍大 、 附 加損耗小 、 體 積小 ， 易與 光纖耦 合， 可與 其它光器 件兼 容成 一體， 不 受環(huán) 境塵埃影 響等 一系 列優(yōu)異 性能。 目前 應(yīng)用 主要集中 在光 纖通信領(lǐng)域 （光纖 激光器、 光纖 濾波 器 ）和光 纖傳感 器領(lǐng) 域 （位移、 速 度、 加速度、 溫度 的測(cè) 量 ）。2）光 纖光 柵制 作方 法光纖 光柵制 作 分為 兩 個(gè)步 驟

38、， 光 敏光 纖 制 備 和成 柵 ， 成 柵 過(guò) 程還 涉 及 紫外光源選取。a）光敏光纖的制備采 用適 當(dāng)?shù)?光源和光 纖增 敏 技術(shù) ， 可 以 在幾乎 所有 種類的 光 纖上 不同 程度的 寫(xiě)人 光柵 。 所謂 光纖中的 光折 變是 指 激光 通過(guò)光敏 光纖 時(shí)， 光 纖的 折射 率將隨光 強(qiáng)的 空間分 布發(fā) 生相 應(yīng)的 變化 ， 如這 種折 射率變化 呈現(xiàn) 周 期 性分 布， 并被 保存 下來(lái)， 就成 為光纖光 柵。 光纖 中的 折射 率改 變量與許 多參數(shù) 有關(guān) ， 如 照射波長(zhǎng) 、 光 纖類 型、 摻雜水 平等。 如果不 進(jìn)行 其它 處理， 直接用 紫外 光照 射光纖， 折射 率

39、增加僅為 10-4數(shù)量級(jí)便已 經(jīng)飽 和， 為了 提 高光纖 光敏 性， 目前光纖 增敏 方法主要有以 下幾 種：1） 摻入 光敏 性雜 質(zhì)， 如：鍺 、 錫 、 棚 等。 2）多種摻 雜（主要是 B/Ge 共接）。 3）高壓低溫 氫氣 擴(kuò)散 處 理 。 4） 劇 火 。b）成柵的紫外光源光纖 的光 致折射率 變化 的 光敏 性 主要 表現(xiàn) 在 244nm 紫 外光 的 錯(cuò)吸收 峰 附近， 因 此除駐波 法用 488nm 可 見(jiàn)光外， 成 柵光源 都是紫 外光。 大部分 成 柵方法 是利 用激 光束的 空 間干 涉條紋， 所以 成柵 光源的 空 間相 干性 特別重 要。 目 前， 主要 的 成 柵光 源有 窄線寬準(zhǔn)分子 激光 器、 倍頻 Ar 離子激光 器、 倍頻染 料激 光器 等。 根 據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果， 窄線 寬準(zhǔn)分子 激光 器是目前 用來(lái) 制作 光纖光柵最為適宜的光源。它可同時(shí)提供193nm （ KrF）和244nm兩種有 效的 寫(xiě) 入波 長(zhǎng)并