第六章光外差檢測系統(tǒng)

1、第六章第六章 光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)光光外差檢測與直接檢測系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點：外差檢測與直接檢測系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點： 測量精度高測量精度高7-87-8個數(shù)量級；個數(shù)量級； 靈敏度達到量子噪聲極限，其靈敏度達到量子噪聲極限，其NEPNEP值可達值可達1010-20 -20 W W。 可用于光子計數(shù)?？捎糜诠庾佑嫈?shù)。 激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴重，破壞了激光的相干性，所激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴重，破壞了激光的相干性，所 以外差檢測在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達到實用以外差檢測在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達到實用 階段。階段。 外差檢測在高頻（外差檢測在高頻（10101616Hz

2、Hz）光波時不如直接檢測有）光波時不如直接檢測有 用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技1.1.術(shù)就可實現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。術(shù)就可實現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為平均光功率直接檢測系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為平均光功率P Pcpcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測只能測量其振幅值。顯然光波直接檢測只能測量其振幅值。光外差檢測原理如圖，兩束平光外差檢測原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變

3、行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到檢測器表面進行混光闌入射到檢測器表面進行混頻，形成相干光場，經(jīng)檢測器頻，形成相干光場，經(jīng)檢測器變換后，輸出信號包含差頻信變換后，輸出信號包含差頻信號，故又稱相干檢測。號，故又稱相干檢測。6.1 6.1 光外差檢測原理光外差檢測原理轉(zhuǎn)鏡反射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測實驗裝置圖外差檢測實驗裝置圖如圖如圖:光源經(jīng)過穩(wěn)頻光源經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)反射成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率作為本振光波，頻率為為fL，另一路經(jīng)偏心，另一路經(jīng)偏心

4、輪反射，經(jīng)聚焦到可輪反射，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號光變光闌上作為信號光束。束。偏心輪轉(zhuǎn)動相當于目標沿光波方向并有一運動速度，光的偏心輪轉(zhuǎn)動相當于目標沿光波方向并有一運動速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來限制兩光束?？勺児怅@用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)樯湎蚬怆姍z測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光垂直投射到檢測器上。偏振方向相同的相干光，然后兩束光垂直投射到檢測器上。首先設(shè)入射到檢測器上的信號光場和本機振蕩光場分別為：首先設(shè)入射到檢測器上的信號光場和本機振蕩光場分別為：

5、 sssstAtfcos LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/21/2。第三項。第三項為和頻項，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項為為和頻項，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項為差頻項，頻率低得多，差頻項，頻率低得多，當差頻信號當差頻信號(L L-s s)/2

6、=)/2=C C/2/2低低于光檢測器的上限截止頻率時于光檢測器的上限截止頻率時，檢測器就有頻率為，檢測器就有頻率為C/2的光的光電流輸出。電流輸出。如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當L-s=0，即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測的一種特殊形式，稱為零差探測。6.2

7、光外差檢測特性6.2.1 6.2.1 光外差檢測可獲得全部信息光外差檢測可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測不僅可檢測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。在直接檢測系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測轉(zhuǎn)換增益光外差檢測轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為：LLsCRPPheP22在直接檢測中，檢測器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號下，外差檢測更有用?？芍谖⑷豕庑盘栂?，外差檢測更有用。6.2.4 6.2.4 信噪比損失小信噪比損失小6.2.3 6.2.3 良好的濾波性能

8、良好的濾波性能光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為f=ff=fL L-f-fs s，則只有此頻帶內(nèi)，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標沿光束方向運動速度例：目標沿光束方向運動速度=0-15m/s=0-15m/s，對于，對于COCO2 2激光信號，激光信號， 多普勒頻率多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶ff1 1取為：取為：MHz

9、cccffffLLLs3221而直接檢測加光譜濾光片時，設(shè)濾光片帶寬為而直接檢測加光譜濾光片時，設(shè)濾光片帶寬為1nm1nm，所對應(yīng)的帶寬，所對應(yīng)的帶寬，即通頻帶即通頻帶ff2 2=3000MHz=3000MHz。可見，外差檢測對背景光有強抑制作用?？梢?，外差檢測對背景光有強抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外當不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測器的差檢測器的輸出信輸出信噪噪比等于輸入信噪比比等于輸入信噪比，輸出信噪比沒有損失。，輸出信噪比沒有損失。6

10、.2.5 6.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內(nèi)增益型光電檢測器件內(nèi)增益型光電檢測器件當本征功率當本征功率P PL L足夠大時，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為內(nèi)部增益為M M的光外差檢測器輸出有效信號功率為：的光外差檢測器輸出有效信號功率為：LLsCRPPMheP22檢測系統(tǒng)中檢測器本身的檢測系統(tǒng)中檢測器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大可難以是影響最大可難以消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422

11、功率信噪比為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的極限，一般稱為光外差檢測的量子檢測極限量子檢測極限或或量子噪聲限量子噪聲限。引入引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）最小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在表示，在量子檢測量子檢測極限下，光外差檢測的極限下，光外差檢測的NEP值為：值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：fhNEP2這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光

12、檢測器的這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實際中無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外理想條件下得到，實際中無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，利用差檢測，利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實現(xiàn)的。是容易實現(xiàn)的?？傊?，總之，檢測靈敏度高檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。是光外差檢測的突出優(yōu)點。6.2.5 6.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內(nèi)增益型光電檢測器件內(nèi)增益型光電檢測器件時的信號功率即1SNR為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換增益，增益，增大本振光功率增大本振光功率是

13、有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。fhPSNRsp6.2.6 6.2.6 光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：響應(yīng)頻帶寬響應(yīng)頻帶寬。主要是因為采用多普勒頻

14、移特性進行目標檢。主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達上千兆達上千兆HzHz。均勻性好均勻性好。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列

15、陣檢測器。1.1. 工作溫度高工作溫度高。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時，要求選工作溫度高的檢測器。如果在室外或空間應(yīng)用時，要求選工作溫度高的檢測器。如HgCdTeHgCdTe紅外檢測器件。紅外檢測器件。6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測的空間條件和頻率條件在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測的空間條件和頻率條件對靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。對靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。6.3.1 6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）放大器探測器s

16、f信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號光和本振光的信號光和本振光的波前波前在光檢測器光在光檢測器光敏面上保持敏面上保持相同的相位關(guān)系相同的相位關(guān)系，才得式：，才得式： 實質(zhì)上，由于光的波長比光檢測器面積實質(zhì)上，由于光的波長比光檢測器面積小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產(chǎn)小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。

17、即要求信號光和本振光的頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是說必須保持信號光和本振光在的。即是說必須保持信號光和本振光在空間空間上的上的角準直角準直。 下面就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合下面就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合時對光外差檢測的影響。時對光外差檢測的影響。 設(shè)信號光束和本振光束之間夾角為設(shè)信號光束和本振光束之間夾角為，且信號光束的波陣面，且信號光束的波陣面平行于光敏面時，如圖。平行于光敏面時，如圖。6.3.1 6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）xz信號本振檢測器l設(shè)信號

18、光束和本振光束的光場為：設(shè)信號光束和本振光束的光場為： LLsstjLLtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達光敏面時，在不那么本振光束到達光敏面時，在不同點同點x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認為折射率，并認為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測器上則檢測器上x點的響應(yīng)電流為點的響應(yīng)電流為dxxtAAdiLscLscos則整個光敏面總響應(yīng)電流為則整個光敏面總響應(yīng)電流為6.3.1 6.3.1 光外

19、差檢測的空間條件（空間調(diào)準）光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）22sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當從式中可知，當 時，時，即即 時，中頻電流時，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測的即可得外差檢測的空間相位條件空間相位條件為：為：sin2LlLsin即：即：lLarcsin顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測的要求。差檢測的要求。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差檢測。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差檢測。例：本振光波長為例：本振光波長為1微米

20、，檢測器光敏面長度為微米，檢測器光敏面長度為1mm，則，則0.32mrad（0.018度）。度）。實驗證實，穩(wěn)頻的實驗證實，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測實驗，當激光器做外差檢測實驗，當2.6mrad時，時，才能看到清晰的差頻信號。才能看到清晰的差頻信號。這個角度也被稱為失配角。這個角度也被稱為失配角。放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強的差頻信號，如圖，要形成強的差頻信號，必須使信號光束和本振光束必須使信號光束和本振光束在空間準直得很好。在空間準直得很好。背景雜散光來自各個方向，背景雜散光來自各個方向，絕大部分的背景光不與本振絕大

21、部分的背景光不與本振光準直，即不產(chǎn)生明顯的差光準直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信號。頻信號。因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴格的空間條件也使調(diào)準兩光束比但是嚴格的空間條件也使調(diào)準兩光束比較困難。較困難。 從上面討論中可以看出，要使信號光波和本振光波在光混頻面上有效的空間相干，必須使兩束光盡量平行，因為這個要求是比較嚴格的，所以給光外差的實現(xiàn)帶來一定困難，嚴重妨礙了它的實際應(yīng)用。接近這一問題的方法只有是：愛里斑原理法（用聚焦透鏡降低空間準用聚焦透鏡降低空間準直要求）。直要求）。 降低空間相干條件的方法

22、降低空間相干條件的方法 先來看一下光學(xué)透鏡天線在接收系統(tǒng)中的作用：先來看一下光學(xué)透鏡天線在接收系統(tǒng)中的作用：fvf透鏡面積Ar探測器ADdl面積2f 2Ar光學(xué)透鏡天線光學(xué)透鏡天線 當光波正入射時，由物理光學(xué)可知，經(jīng)過面積為當光波正入射時，由物理光學(xué)可知，經(jīng)過面積為Ar的透的透鏡之后，在焦平面處的探測器上形成衍射光斑。衍射光鏡之后，在焦平面處的探測器上形成衍射光斑。衍射光斑中最大峰值處所包含的面積斑中最大峰值處所包含的面積2f2/Ar稱為稱為愛里斑面積愛里斑面積。這個面積決定了接收系統(tǒng)的衍射極限視場，若用立體角這個面積決定了接收系統(tǒng)的衍射極限視場，若用立體角dl表示，表示， 則有則有 若用平面

23、角表示，若用平面角表示， 則有則有：1dD式中式中Dr是透鏡的直徑尺寸是透鏡的直徑尺寸。 rrdlAfAf22221愛里斑原理示意圖愛里斑原理示意圖: : L1本振光束反射鏡孔徑 Dr焦距 f小孔光闌合束板探測器Dd透鏡s1信號光束 用透鏡將信號光聚焦用透鏡將信號光聚焦到光混頻器表面。光到光混頻器表面。光混頻器的有效面積就混頻器的有效面積就是愛里斑的面積。是愛里斑的面積。 同時使本振光也照射同時使本振光也照射到愛里斑上，即可發(fā)到愛里斑上，即可發(fā)生光混頻。生光混頻。 隨著隨著D/f 比的增加，比的增加，對失配角的要求越來對失配角的要求越來越寬。越寬。6.3.2 6.3.2 光外差檢測的頻率條件光

24、外差檢測的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高度的度的單色性和頻率穩(wěn)定性單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測的物理光學(xué)的本質(zhì)是光外差檢測的物理光學(xué)的本質(zhì)是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果結(jié)果。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用獲得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運轉(zhuǎn)的激光器單縱模運轉(zhuǎn)的激光器作作為光外差檢測光源。為光外差檢測光源。信號光和本振光存在著信號光和本振光存在著頻率漂移頻率漂移，使光外差檢測系統(tǒng)的性能，使

25、光外差檢測系統(tǒng)的性能變壞。是因為頻率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號變壞。是因為頻率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號不能正常放大。因此在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)不能正常放大。因此在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率。定信號光和本振光的頻率。 1、干涉測量技術(shù) 應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。 干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。 優(yōu)點：測量精度高（以波長為單位） 6.4 光外差探測系統(tǒng)舉例光外差探測系統(tǒng)舉例 干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為光強的調(diào)制。測量干涉條紋的變化即

26、可得到被測參量的信息。 干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。 可進行長度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等幾何量和物理量的測量。 1、激光光源：穩(wěn)頻He-Ne氣體激光器，頻寬達103Hz，相干長度可達300km。2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-測量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實現(xiàn)對對測長度或位移的精密瞄準，使干涉儀的干涉信號處理部分和被測量之間實現(xiàn)同步。4、干涉信號處理部分：光電控制、信號放大、判向、細分及可逆計數(shù)和顯示記錄等。6.4.1 6.4.1 激光干涉測長儀激光干涉測長儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe

27、光電計數(shù)器顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動平臺待測物體光電顯微鏡光束光束激光束BS 測量光束2和參考光束1相互疊加干涉形成干涉信號。其明暗變化次數(shù)直接對應(yīng)于測量鏡的位移 M2沿光束2方向上每移動半波長的長度，光束2的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明、暗變化。這個變化由光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變成一個電信號而被光電計數(shù)器計數(shù)，并由顯示和記錄裝置加以顯示和記錄。我們只要記下M2移動時干涉條紋變化的周期數(shù)N就可以得到被測長度(即M2移動的距離)。被測長度L通過運算和顯示電路直接顯示出來2 NLL2M1M光束光束激光器器數(shù)計逆可234567891011121314151611 1、激光器；、

28、激光器；2 2、透鏡；、透鏡；3 3、小孔光闌；、小孔光闌；4 4、透鏡；、透鏡；5 5、反射鏡；、反射鏡；6 6、反射棱鏡；反射棱鏡；7 7、位相板；、位相板；8 8、角錐反射棱鏡；、角錐反射棱鏡；9 9、分束鏡；、分束鏡；1010、角錐反射棱鏡；角錐反射棱鏡；1111、透鏡；、透鏡；1212、光闌；、光闌；1313、光電檢測器；、光電檢測器；1414、透鏡；透鏡；1515、光闌；、光闌；1616、光電檢測器、光電檢測器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測量臂。光學(xué)元件7稱為位相板，使通過光路的部分光束產(chǎn)生附加位相

29、移動，使光電檢測器13和16接收到的干涉信號在位相上相差/2。實用的激光干涉測長儀的簡化光路實用的激光干涉測長儀的簡化光路 該光路中，使用該光路中，使用角錐棱鏡角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對激光器帶來的不利一方面避免了反射光束反饋回激光器而對激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點，使得出射光束與入射影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動均不影響出射光束的方光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動均不影響出射光束的方向，當它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動的角度不大時，它對光程的影響可向，當它繞光

30、學(xué)中心轉(zhuǎn)動的角度不大時，它對光程的影響可以忽略。缺點是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工，而以忽略。缺點是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工，而且加工精度要求高。且加工精度要求高。 角錐棱鏡的形狀相當于立方體切下來的一個角角錐棱鏡的形狀相當于立方體切下來的一個角，它的三個，它的三個內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當光從基面入射，可在內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當光從基面入射，可在三個直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光三個直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。線總保持平行。 反射器反射器 各種反射器如圖所示，有平面反射鏡1、直角棱鏡2、角錐棱鏡3、三種貓

31、眼系統(tǒng)4和固定反射鏡與直角棱鏡的組合5。各種反射器各種反射器 幾種典型的布局幾種典型的布局1使用角錐棱鏡反射器的干涉系統(tǒng) （1）圖（a）結(jié)構(gòu)的主要特點是反射光束不能反饋回激光器。缺點是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工，而且加工精度要求高。 （2）圖（b）結(jié)構(gòu)只用一個角錐棱鏡作可動鏡，鏡M1和M3還能做成一體，如圖（c）所示。 （3）圖（d）的布局只用一個角錐棱鏡作動鏡，已基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。所以也叫做雙光程干涉儀系統(tǒng)。 2整體式布局 這是一種將多個光學(xué)元件結(jié)合在一起，構(gòu)成一堅固組件的布局結(jié)構(gòu)。如圖所示。特點：系統(tǒng)對外界的抗干擾性較好。缺點是調(diào)整不方便。該系統(tǒng)不僅

32、多余自由度消除好，靈敏度也提高一倍。 整體式布局系統(tǒng)整體式布局系統(tǒng) 3光學(xué)倍頻的布局（特倫系統(tǒng)） 為了提高干涉儀的靈敏度，可以用光學(xué)倍頻（也稱光程差放大器）的棱鏡系統(tǒng)，如圖所示。M1每移動/2k就有一個干涉條紋的位移。在這種情況下，當a作為棱鏡斜邊長度時，M2對M1的位移為a/k（k為正整數(shù)）。 特點：能用簡單的脈沖計數(shù)邏輯做精密測量，而無須依靠條紋細分，這種技術(shù)還使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，可使熱、空氣以及機械干擾減小。 光學(xué)倍頻系統(tǒng)光學(xué)倍頻系統(tǒng) 由于動鏡在導(dǎo)軌上沿光軸移動的過程中，存在各種偶然因互的干擾（例如外界振動、導(dǎo)軌的平直度誤差以及機械傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定等），使動鏡產(chǎn)生偶然的反向運動，這種偶然的

33、反向運動使計數(shù)器所顯示的脈沖數(shù)為正反向移動的總數(shù)，而不是真正的被測長度，因此必然存在測長誤差。為了解決這一問題，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大整形后，信號進入一方向判別電路，該電路把計數(shù)脈沖分成加、減二種脈沖，工作臺正向移動時引起的脈沖為加脈沖、反向移動時引起的脈沖為減脈沖、把這兩種脈沖分開后送入可逆計數(shù)器計數(shù)。干涉信號的方向判別與計數(shù)原理干涉信號的方向判別與計數(shù)原理 方向判別電路的原理。先在干涉系統(tǒng)中應(yīng)用移相方法（詳見后述）將干涉條紋分為兩組且彼此位相偏移/2，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出的兩組光電信號也彼此有/2的位移偏移，這兩組光電信號分別經(jīng)放大、整形、倒相，變成四個位相依次差/2的矩形脈沖，再經(jīng)斯密特電路

34、把波形變換成尖脈沖。 當工作臺正向移動時，脈沖的當工作臺正向移動時，脈沖的排列為排列為1、3、2、4 、1 ；反向移；反向移動時，脈沖排列次序為動時，脈沖排列次序為1 、 4、2、3、 1，如圖所示。在邏輯電路上，如圖所示。在邏輯電路上可根據(jù)脈沖可根據(jù)脈沖1的后面是的后面是1或或4來判別來判別正向加脈沖或反向減脈沖，并分正向加脈沖或反向減脈沖，并分別逆入加脈沖的別逆入加脈沖的“門門”或減脈沖或減脈沖的的“門門”中去，從而可得到總的中去，從而可得到總的加脈沖或減脈沖信號。加脈沖或減脈沖信號。辯向電路原理辯向電路原理 判向電路除提高了儀器的抗干擾能力外，還把一個周期的干涉條紋變化（即亮暗變化一次）

35、變成四個脈沖輸出信號。因此在測長時，當條紋變一條時，可逆計數(shù)器顯示4個脈沖數(shù)，這等于把條紋4細分了，常稱四倍頻計數(shù)。此時每一脈沖代表/8的移動量，所測得的長度8LN 為了提高光學(xué)干涉測量的準確度，七十為了提高光學(xué)干涉測量的準確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉測量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù)。干涉技術(shù)。 光外差干涉光外差干涉是指兩相干光束的光波頻率是指兩相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉產(chǎn)生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，條紋的不斷掃描，干涉場中某點處光強以干涉場中

36、某點處光強以低頻低頻隨時間呈余弦變化隨時間呈余弦變化 ，經(jīng)光電探測器經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。激光外差干涉測試技術(shù)激光外差干涉測試技術(shù) 雙頻激光外差干涉儀雙頻激光外差干涉儀光源光源: 雙頻雙頻He-Ne激光器激光器由于塞曼效應(yīng)由于塞曼效應(yīng)和頻率牽引效和頻率牽引效應(yīng)，使該激光應(yīng)，使該激光器輸出一束有器輸出一束有兩個不同頻率兩個不同頻率的左旋和右旋的左旋和右旋圓偏振光圓偏振光 ，它，它們的頻率差們的頻率差V約為約為15MHz 雙頻激光器雙頻激光器1發(fā)出雙頻激光束發(fā)出雙頻激光束 通過通過14波片波片2變成兩束振動方向互相垂直的線偏振變成兩束振動方向互

37、相垂直的線偏振光光(v1垂直于紙面，垂直于紙面，v2平行于紙面平行于紙面) ，一小部分被反一小部分被反射到檢偏器射到檢偏器5上，檢偏器的上，檢偏器的透光軸與紙面透光軸與紙面成成450 一部分光束透過分束一部分光束透過分束鏡鏡4沿原方向射向偏振沿原方向射向偏振分束棱鏡分束棱鏡8。偏振方向。偏振方向互相正交的線偏振光互相正交的線偏振光被偏振分束鏡按偏振被偏振分束鏡按偏振方向分光，方向分光， v1被反射被反射至參考角錐棱鏡至參考角錐棱鏡9， v2則透過則透過8到測量角錐到測量角錐棱鏡棱鏡10 工作原理工作原理經(jīng)光束擴束器經(jīng)光束擴束器3適當擴束準直后，光束被分束鏡適當擴束準直后，光束被分束鏡4分為兩部

38、分分為兩部分根據(jù)馬呂斯定律，根據(jù)馬呂斯定律，兩個互相垂直的兩個互相垂直的線偏振光在線偏振光在450方方向上的投影，形向上的投影，形成新的同向線偏成新的同向線偏振光并產(chǎn)生振光并產(chǎn)生“拍拍”，其拍頻，其拍頻就等于兩個光頻就等于兩個光頻之差，即之差，即vv1v21.5MHz 由光電接收器由光電接收器6接收后接收后進入交流放大器進入交流放大器7，放，放大后的信號作為參考大后的信號作為參考信號送給計算機信號送給計算機 光束返回后重新通過偏振分束鏡光束返回后重新通過偏振分束鏡10與與v1的返回光會合，經(jīng)的返回光會合，經(jīng)反射鏡反射鏡11及透光軸與紙面成及透光軸與紙面成450的檢偏器的檢偏器12后也形成后也形

39、成“拍拍” ，其拍頻信號可表示為，其拍頻信號可表示為若測量鏡以速度若測量鏡以速度V運動運動(移動或振動移動或振動)，則由于多普勒，則由于多普勒效應(yīng)，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移效應(yīng)，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移 正負號由動鏡移動方向決定，當動鏡正負號由動鏡移動方向決定，當動鏡向偏振分束器方向移動時，向偏振分束器方向移動時，v為負為負 拍頻信號被光電拍頻信號被光電13接收后，進入交流前置放大器接收后，進入交流前置放大器14，最后，最后也被送入計算機也被送入計算機 計算機工作計算機工作（1）計算機先將拍頻信號）計算機先將拍頻信號v0 v 與參考信號與參考信號v0進行相進行相減處

40、理后，就得到所需的測量信息減處理后，就得到所需的測量信息v 設(shè)在動鏡設(shè)在動鏡10移動的時間移動的時間t內(nèi)。由內(nèi)。由v引起的條紋亮暗引起的條紋亮暗變化次數(shù)為變化次數(shù)為N，則有，則有于是于是（2）由）由v換算成換算成L的工作由計算機通過軟件自動進行，最的工作由計算機通過軟件自動進行，最后由顯示器顯示被測長度值。后由顯示器顯示被測長度值。NdtdtdtLtttD222000優(yōu)點：優(yōu)點：前置放大器可采用交流放大器，避免了用直前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放大器時所遇到的棘手的直流漂移問題流放大器時所遇到的棘手的直流漂移問題 交流干涉儀抗干擾性能好交流干涉儀抗干擾性能好 測量范圍大測量范圍大(可測大于可測大于60m的距離的距離) 應(yīng)用應(yīng)用 ：測長外，還可用于測角、測直線度及測振等測長外，還可用于測角、測直線度及測振等 光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，由光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。 發(fā)射系統(tǒng)：6.4.2 6.4.2 光外差通信光外差通信濾光片濾光片穩(wěn)頻原理穩(wěn)頻原理: 發(fā)射波長增加，光通量亦增，輸出電壓增大，壓電陶瓷使腔長縮短，發(fā)射頻率提高，波長減短；反之，則波長加長 濾光片的濾光曲線濾光片的濾光曲線 接收系統(tǒng):鑒鑒激光測速的激光測速的原理原理是：是測量通過激光束的示蹤粒子的多是：是測量通過激光束的示蹤