干涉測量技術(shù)

干涉測量技術(shù)(冶金與能源工程學(xué)院)摘要：干涉測量技術(shù)已經(jīng)得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。一方面因?yàn)槲㈦娮?、微機(jī)械、微光學(xué)和現(xiàn)代工業(yè)提出了愈來愈高的精度和更大的量程，其它方法難以勝任；另一方面因?yàn)楫?dāng)代干涉測量技術(shù)本身具有靈敏度高、量程大、可以適應(yīng)惡劣環(huán)境、光波和米定義聯(lián)系而容易溯源等特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。本論文闡述了干涉測量技術(shù)的光學(xué)原理，測試條件，并以邁克爾遜干涉儀為典型，闡明干涉測量技術(shù)的應(yīng)用，邁克爾遜干涉儀是一種利用分割光波振幅的方法實(shí)現(xiàn)干涉的精密光學(xué)儀器關(guān)鍵詞: 干涉測量 光學(xué)原理 邁克爾遜干涉儀PSInSARSUNYaJuan(Metallurgyandenergyengineeringinstitute,Kunminguniversityofscienceandtechnology)Abstract:Interferencemeasuringtechnologyhasbeenquiteawiderangeofapplications.Ontheonehandformicroelectronics,micromechanical,diffractiveandmodernindustryandputforwardhighprecisionandgreaterrange,othermethodsarehardtodothejob，Ontheotherhandbecausecontemporaryinterferencemeasuringtechnologyitselfhasahighsensitivity,range,andcanadapttobadenvironment,lightandmeterscontactandeasytotracethedefinition,etc,thusinthemodernindustryiswidelyused.Thispaperexpoundstheinterferenceofmeasuringtechnologyofopticalprinciple,testconditions,andwithMichelsoninterferometeristypical,expoundstheapplicationofinterferencemeasuringtechnology,MichelsoninterferometerisauseofsegmentationmethodofrealizationoflightamplitudeprecisionopticalinstrumentinterferenceKeywords: InterferometryPrinciplesofOpticsMichelsoninterferometer0、引言光的干涉現(xiàn)象是光的波動性的一種表現(xiàn)。當(dāng)一束光被分成兩束，經(jīng)過不同路徑再相遇時(shí)，如果光程差小于該束光的相干長度，一般將會在干涉場中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。邁克爾遜干涉儀是一種利用分割光波振幅的方法實(shí)現(xiàn)干涉的精密光學(xué)儀器。自1881年問世以來，邁克爾遜曾用它完成了三個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)：否定“以太”的邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)；光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)和利用光波波長標(biāo)定長度單位。邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、光路直觀、精度高，其調(diào)整和使用具有典型性。根據(jù)邁克爾遜干涉儀的基本原理發(fā)展的各種精密儀器已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和科研領(lǐng)域。1、干涉測量技術(shù)1.1關(guān)于干涉測量技術(shù).干涉測量技術(shù)是以光波干涉為基礎(chǔ)的測量技術(shù)。.干涉測量技術(shù)能精確到微米級，雙波長干涉計(jì)量，還可達(dá)到更高的測量精度。.用干涉方法測量動態(tài)物理量是現(xiàn)代干涉測量技術(shù)的一個(gè)極為重要的方面。1.2測量動態(tài)過程的測試方法必須滿足的條件)能夠嚴(yán)格定量；

）必須對全過程進(jìn)行時(shí)間序列測試，以揭示過程物理量的時(shí)間特性；）能對非對稱流場或三維體進(jìn)行三維測量；）測試方法能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，能抗強(qiáng)震動和高溫干擾。1.3干涉測量的光學(xué)基礎(chǔ)幾何光學(xué)的基本原理以光的直線傳播為基礎(chǔ)討論光的一些基本現(xiàn)象和光通過光學(xué)系統(tǒng)的成像原理1） 、光的反射和折射洛倫茨一勞倫茲公式:才山亡-MPn2+2M可以確定均勻透明介質(zhì)的折射率與密度的關(guān)系2） 、透鏡成像透鏡：兩個(gè)界面都是球面，或者一個(gè)界面是球面，另一個(gè)界面是平面的透明物體。透鏡可分為凸透鏡和凹透鏡凸透鏡有匯聚光線的性能，凹透鏡有發(fā)散光線的功能。光學(xué)系統(tǒng)中常用的是薄透鏡，所謂薄透鏡就是其中央部分的厚度比兩個(gè)球面半徑小得多的透鏡。凸透鏡的焦點(diǎn)是光線真是匯聚的地方，它的焦距規(guī)定為正；凹透鏡的焦點(diǎn)并不是光線真實(shí)匯聚的地方，稱之為虛焦點(diǎn)3）、光闌定義：在光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)元件（如透鏡、平面鏡、棱鏡等）上起著限制光束作用邊框，或一個(gè)有一定形狀的開孔的屏。分為孔徑光闌和視場光闌。孔徑光闌：決定進(jìn)入實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的能量，某些相差的大小及景深。視場光闌：限制成像范圍的光闌。4）、像差定義:所獲得的像與目標(biāo)物之間存在的一定的差異按產(chǎn)生原因，可分為單色像差和色像差。圖1戸；圖2nnnn圖4圖1戸；圖2nnnn圖41.4光的干涉現(xiàn)象和■|1.4光的干涉現(xiàn)象和■|光的干涉現(xiàn)象相干條件蠅兩光束疊加區(qū)或內(nèi)產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，必同的分布的現(xiàn)象。干條件：（1）、頻率相同的兩光波在相遇點(diǎn)有相同的振動方向和固定的相位差；圖5

、兩光波在相遇點(diǎn)所產(chǎn)生的振動的振幅相差不懸殊;、兩光波在相遇點(diǎn)的光程差不能太大。相干光的產(chǎn)生昭親紋中心線楊氏雙孔干涉現(xiàn)象1.5激光光輻射有三種：自發(fā)輻射、受激輻射和超輻射。激光的發(fā)光過程，就是激光工作物質(zhì)在外界能量的激勵(lì)下物質(zhì)被激活躍遷到高能級，產(chǎn)生粒子反分布，處于高能級的大量原子在同一輻射場激勵(lì)下產(chǎn)生受激發(fā)射。激光器一般由激活介質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)源構(gòu)成全反射鏡 半反射鏡工作物質(zhì)2、邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀是一種利用分割光波振幅的方法實(shí)現(xiàn)干涉的精密光學(xué)儀器。其調(diào)整和使用具有典型性。最初的邁克爾遜干涉儀現(xiàn)在的邁克爾遜干涉儀最初的邁克爾遜干涉儀現(xiàn)在的邁克爾遜干涉儀2.1儀器結(jié)構(gòu)原理一一光路示意圖的虛像Ml點(diǎn)發(fā)出的光線射王I」半透明層K的虛像Ml點(diǎn)發(fā)出的光線射王I」半透明層K上被分為兩部分：光線“1”和“2。光線“2”射到M?上被反射回來后，透過G到達(dá)E處。光線“1”透過G?射到M|,被M|反射回來后再透過G射至0K上,再被K反射而到達(dá)E處。這兩條光線是由2同一條光線分出來的，所以漢它們再次相遇時(shí)，會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。如果沒有G，光線“2”到達(dá)E時(shí)通過玻璃片G三次，光線“1”通過G僅一次，這樣兩束光到達(dá)E時(shí)會存在較大的光程差。放上G后，使光線T又通過玻璃片G兩次，這樣就補(bǔ)償了光線“1”到達(dá)E時(shí)光路中所缺少的光程。所以，通常將G稱為2補(bǔ)償片。 22.3干涉討論——干涉圖樣在邁克爾遜干涉儀中，由M「M2反射出來的光是兩束相干光，M］和M2可看作是兩個(gè)相干光源，因此在邁克爾遜干涉儀中可觀察到： 12（1） 點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域干涉條紋。（2） 點(diǎn)、面光源等傾干涉條紋。（3） 面光源等厚干涉條紋2.4干涉討論一一定域等傾干涉采用面光源，當(dāng)邁克爾遜干涉儀的反射WM1與M2‘平行時(shí)可以獲得等傾干涉圖象即一級干涉條紋對應(yīng)于同一觀察傾角的同心圓形圖象。使叫沿光軸移動Ad,將使圓心處相干光束的光程差變化2^do若2Ad=AN入，則將觀察到條條紋的變化（吞或吐），由此可來測定光波波長入=2Ad/AN2.5干涉討論——定域等傾干涉觀察干涉圓環(huán)的環(huán)心，如增大d,k也增大，環(huán)心的級次也增大，環(huán)心不斷吐出環(huán)紋，環(huán)紋增多變密；如減小d,則發(fā)生相反的情景，環(huán)心不斷吞進(jìn)環(huán)紋，條紋減少變疏M2 斗FM2||Lfl41 ——■M2m— M1 MTMiM22.6干涉討論——白光干涉如果面光源是白光，由于等厚條紋的間隔隨波長增加而增加。各種波長，也就是各種顏色的光在離開交線稍遠(yuǎn)處便迭加得根本觀察不到干涉現(xiàn)象，但在交線附近我們可以看到色散后的美麗條紋，稍遠(yuǎn)一些便看不清條紋了。2.7干涉討論一一非定域等傾干涉

一個(gè)點(diǎn)光源s發(fā)出的光束經(jīng)干涉儀叫'和m2反射后，相當(dāng)于由兩個(gè)虛光源S]和S?發(fā)出的相干光束，S|和S?間的距離為M‘和M?間距兩倍，將觀察屏放入光場疊加區(qū)的任何位置處，都可2觀察到干涉條紋，這種條紋稱為非定域干涉條紋。光程差為：s=SA-SA-\\L+2d）2+R2-VL2+R2由于L〉〉d,將上式按級數(shù)展開，并略去高階無窮小項(xiàng)，可得S—'dL二=2dcos6（明紋）（暗紋）（明紋）（暗紋）若改變光程差，使中心仍為明條紋，貝y： S=2d=k九222那么可得：A,,,Ad—d—d21—丄（5—8）—（k—kk—丄Ak九2 2i22i2由此可見，只要測出干涉儀中M]移動的距離Ad,并數(shù)出相應(yīng)的"吞吐”環(huán)數(shù)Ak,就可求出A.參考文獻(xiàn)：殷純永，現(xiàn)代干涉測量技術(shù)[M].天