激光干涉測量技術(shù)

激光干涉測量技術(shù)第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用1、激光比長儀激光比長儀采用激光器作光源，通過光波干涉比長的方法來檢定基準(zhǔn)米尺，即通過激光干涉儀實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)米尺和光波波長比較。由于激光波長具有高度的穩(wěn)定性，其復(fù)現(xiàn)精度可達(dá)±5x10-8以上，所以可用激光波長作長度基準(zhǔn)。同時(shí)，激光干涉儀的輸出信號(hào)易于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣就提供了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)測量的可能性，從根本上解決了檢定基準(zhǔn)米尺的精度與效率的問題。激光比長儀工作原理如下圖所示。第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用1、激光比長儀He-Ne激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)平行光管2后將光束變?yōu)楣獍咧睆竭_(dá)φ50mm的平行光。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用1、激光比長儀經(jīng)反射鏡3和分光鏡4后將光束分為兩路。一路光透過分光鏡經(jīng)反射鏡5射入固定角錐棱鏡6，另一路光由反射器反射至可動(dòng)角錐棱鏡7。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2分光鏡4至固定角錐棱鏡6為一固定的光程，分光器4至可動(dòng)角錐棱鏡7為一隨工作臺(tái)11移動(dòng)而改變的光程，兩者的光程差為激光半波長偶數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)亮條紋，奇數(shù)時(shí)出現(xiàn)暗條紋。所以工作臺(tái)11連續(xù)移動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生亮暗交替變化的條紋。第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2移相板8將干涉條紋分成兩組，此兩組干涉條紋的位相差為90o。分像棱鏡組9將兩組相位為90o的干涉條紋分別引入兩個(gè)光電探測器12，光電探測器將亮暗交替變化的光信號(hào)變?yōu)閮陕废嗖顬?0o的電信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路13實(shí)現(xiàn)倍頻處理傳遞給計(jì)算機(jī)14。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2裝在橫梁上的雙管差動(dòng)式動(dòng)態(tài)光電顯微鏡10作瞄準(zhǔn)被檢測尺上的刻線用。當(dāng)工作臺(tái)11運(yùn)動(dòng)，即基準(zhǔn)尺的刻線通過光電顯微鏡的兩個(gè)狹縫時(shí)，刻線影像被光電探測器15接收，轉(zhuǎn)換成電脈沖，作計(jì)算機(jī)開始計(jì)數(shù)和終止計(jì)數(shù)的指令信號(hào)。計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果送入顯示器和打印機(jī)。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用1、激光跟蹤干涉儀激光比長儀工作原理敘述如下：He-Ne激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)平行光管2后將光束變?yōu)楣獍咧睆竭_(dá)φ50mm的平行光，經(jīng)反射鏡3和分光鏡4后將光束分為兩路。一路光透過分光鏡經(jīng)反射鏡5射入固定角錐棱鏡6，另一路光由反射器反射至可動(dòng)角錐棱鏡7。分光鏡4至固定角錐棱鏡6為一固定的光程，分光器4至可動(dòng)角錐棱鏡7為一隨工作臺(tái)11移動(dòng)而改變的光程，兩者的光程差為激光半波長偶數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)亮條紋，奇數(shù)時(shí)出現(xiàn)暗條紋。所以工作臺(tái)11連續(xù)移動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生亮暗交替變化的條紋。移相板8將干涉條紋分成兩組，此兩組干涉條紋的位相差為90o。分像棱鏡組9將兩組相位為90o的干涉條紋分別引入兩個(gè)光電探測器12，光電探測器將亮暗交替變化的光信號(hào)變?yōu)閮陕废嗖顬?0o的電信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路13實(shí)現(xiàn)倍頻處理傳遞給計(jì)算機(jī)14。裝在橫梁上的雙管差動(dòng)式動(dòng)態(tài)光電顯微鏡10作瞄準(zhǔn)被檢測尺上的刻線用。當(dāng)工作臺(tái)11運(yùn)動(dòng)，即基準(zhǔn)尺的刻線通過光電顯微鏡的兩個(gè)狹縫時(shí)，刻線影像被光電探測器15接收，轉(zhuǎn)換成電脈沖。空氣折射率由折射率干涉儀測出，溫度由鉑電阻測出。第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用2、激光跟蹤干涉儀左圖所示為API公司生產(chǎn)的激光跟蹤干涉儀的光路圖。使用He-Ne激光器作光源，采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)。干涉儀中的測量光束經(jīng)掃描反射鏡射向目標(biāo)鏡，然后沿原路返回，經(jīng)掃描反射鏡后，用一分光鏡把它分成兩部分，一部分直接進(jìn)入干涉儀，和干涉儀中的參考光束干涉，用于測量目標(biāo)鏡的移動(dòng)位移。另一束光用二維位置探測器PSD來接收，PSD的輸出信號(hào)反饋到掃描鏡控制系統(tǒng)中，控制掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，當(dāng)目標(biāo)鏡在空間任意位置移動(dòng)時(shí)，使測量光束始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)鏡，達(dá)到跟蹤測量位移的目的。此干涉儀的水平位移測量半徑為25m,測量傾斜角為±45o，目標(biāo)鏡最大移動(dòng)速度為2m/s，測量分辨力為0.1μm。第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用3、激光小角度干涉儀激光小角度干涉儀是利用激光干涉測位移和三角正弦原理來測量角度的儀器。左圖是激光小角度干涉儀測角原理圖。激光器1發(fā)出的激光光束經(jīng)分光鏡3分成兩路，一路沿光路a射向測量棱鏡2，一路沿光路b射向參考鏡4。當(dāng)棱鏡在位置I時(shí)，沿光路a前進(jìn)的光束經(jīng)角錐棱鏡反向后，沿光路c射向反射鏡5，并沿原路返回至分光鏡，與從b路返回的參考光束會(huì)和而產(chǎn)生干涉。當(dāng)棱鏡移動(dòng)到位置II后，沿光路a前進(jìn)的光束由于棱鏡II及平面反射鏡的作用，使它們?nèi)园丛贩祷?，不產(chǎn)生光點(diǎn)移動(dòng)，從而干涉圖形相對(duì)接收元件的位置保持不變。根據(jù)干涉測位移原理可以測出角錐棱鏡在位置I和位置II的位移H，若已知棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R，便可根據(jù)三角正弦關(guān)系求出被測角α。位移為：H=Kλ/4，α=arcsinH/R，式中，R為棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光干涉測長的應(yīng)用3、激光小角度干涉儀在實(shí)際應(yīng)用中為消除偏心和軸系晃動(dòng)等誤差，并提高靈敏度，可以在對(duì)稱直徑位置上布置兩個(gè)角錐棱鏡，干涉儀測角原理如左圖所示，在這種情況下，干涉儀經(jīng)過兩次光倍頻，使得每一條干涉條紋相應(yīng)的光程差為λ/8。若可逆計(jì)數(shù)器采用四倍頻，則每計(jì)一個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的長度為λ/32，則H=Kλ/32。再根據(jù)上述公式計(jì)算得出α角。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2激光器1發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡12轉(zhuǎn)折90o；經(jīng)平行光管11擴(kuò)束成直徑約5mm的平行光；再經(jīng)反射鏡10射向分光移相鏡9分成兩束；一路反射，射向棱鏡6；另一路經(jīng)反射鏡2反射，射向直角棱鏡4；直角棱鏡6和4與正弦臂7繞軸5同步旋轉(zhuǎn)；兩路光束經(jīng)直角棱鏡6和4反射后又射向直角棱鏡8和3。第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光干涉測量長度和位移2直角棱鏡8和3分別將兩路光等距離向上平移約10mm后反射回來，返回光束在分光移相鏡9上匯合產(chǎn)生干涉條紋。光電探測器13、14將正弦臂7旋轉(zhuǎn)引起的干涉條紋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，兩路信號(hào)因分光移相鏡的移相作用而位相相差90o。信號(hào)經(jīng)整形放大后，送入可逆計(jì)數(shù)器。儀器的測量范圍：±5o，在±1o內(nèi)儀器的最大測量誤差為±0.05’’。第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第2章激光干涉測量技術(shù)13254概要激光干涉測量長度和位移激光外差干涉測量技術(shù)激光移相干涉測量技術(shù)6激光散斑干涉測量技術(shù)7激光光纖干涉測量技術(shù)激光多波長干涉測量技術(shù)第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3為什么要用激光外差干涉？一般單頻激光干涉儀精度較高，但在測量時(shí)對(duì)環(huán)境有較高要求，不允許干涉儀兩臂的光強(qiáng)有較大變化，干涉條紋光強(qiáng)的變化總要以計(jì)數(shù)器平均觸發(fā)電平為中心對(duì)等分布，如圖（a）所示。如果光強(qiáng)由于外界環(huán)境干擾（如在車間測量）引起變動(dòng)，則干涉信號(hào)強(qiáng)度就可能落于觸發(fā)電平之下，如圖（b）所示，從而使儀器停止工作，必須重新調(diào)整觸發(fā)電平值。所以這種干涉儀抗外界干擾因素能力差。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3為什么要用激光外差干涉？為克服以上缺點(diǎn)，在干涉儀的參考光路中引入一定頻率的載波，被測信號(hào)通過這一載波來傳遞。測量鏡靜止時(shí)，光電探測器的輸出信號(hào)為載波頻率的交流信號(hào)；測量鏡運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)的頻率只在某一范圍內(nèi)增加或減少。這樣，前置放大可采用帶通交流放大，就可以隔絕由于外界環(huán)境干擾引起的直流電平漂移，使儀器能在車間現(xiàn)場的環(huán)境下穩(wěn)定工作。利用這種外差技術(shù)設(shè)計(jì)的干涉儀稱為外差干涉儀，或稱為交流（AC）干涉儀。這種外差干涉技術(shù)解決了單頻干涉儀的核心問題，濾掉了干涉背景和各種噪聲。依據(jù)光學(xué)“拍”的原理在參考光路中引入?yún)⒖夹盘?hào)。兩個(gè)振幅相同，振動(dòng)方向相同，且在同一方向傳播，頻率接近的兩單色光疊加也能產(chǎn)生干涉，這種特殊的干涉稱為光學(xué)“拍”。塞曼效應(yīng)和聲光調(diào)制是實(shí)現(xiàn)光學(xué)“拍”的常用方法。第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀外差干涉儀的典型實(shí)例是塞曼雙頻激光干涉儀。當(dāng)原子被置于弱磁場中時(shí)，其能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，其輻射和吸收的譜線也產(chǎn)生相應(yīng)分裂，一條譜線被幾條塞曼譜線替代，這些譜線和原譜線有不大的頻差。將一個(gè)單頻He-Ne激光器置于一軸向磁場中，由于塞曼效應(yīng)使激光的譜線分裂成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的左旋和右旋圓偏振光，它們的振幅相同，頻率相差很小，一般為1~2MHz。第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀外差干涉儀的典型實(shí)例是塞曼雙頻激光干涉儀，如圖2.21所示。設(shè)左旋圓偏振光頻率為f1,右旋圓偏振光的頻率為f2,初始位相為零，這兩個(gè)方向相反的圓偏振光的振動(dòng)方程分別為：這兩個(gè)圓偏振光經(jīng)分光器B1后，反射光在通過放在一個(gè)特定位置的偏振片P1時(shí)，f1和f2的垂直分量y1(t)和y2(t)通過，而水平分量被截止。垂直分量通過P1后，按光波疊加原理將合成為上式。第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀這兩個(gè)圓偏振光經(jīng)分光器B1后，反射光在通過放在一個(gè)特定位置的偏振片P1時(shí)，f1和f2的垂直分量y1(t)和y2(t)通過，而水平分量被截止。垂直分量通過P1后，按光波疊加原理將合成為：,合成波的強(qiáng)度隨時(shí)間t在0~4a2之間作緩慢的周期變化，這種強(qiáng)度時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象稱為：“拍”，拍頻為f1-f2。此拍頻信號(hào)被光電探測器D1接收，經(jīng)濾波放大后送入混頻器作為測量過程中的參考信號(hào)。第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀透過分光鏡B1的另一束光沿原方向通過1/4波片后,變成兩互相垂直的線偏振光（設(shè)f1垂直紙面，f2平行紙面）。第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀射向偏振分束鏡B2，偏振方向互相垂直的線偏振光f1和f2被分開，其中f1反射至參考角錐棱鏡M1,f2透過偏振分束鏡到測量角錐棱鏡M2。第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀若測量鏡M2以速度?運(yùn)動(dòng)，則由于多普勒效應(yīng)，返回光束的頻率將變成f2±?f(正負(fù)號(hào)取決于測量鏡的移動(dòng)方向)。第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀這束光返回后重新通過偏振分光鏡，并與頻率為f1的返回光會(huì)和，然后被直角棱鏡M3反射至檢偏器P2上產(chǎn)生拍頻。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀拍頻信號(hào)頻率為f1-(f2±?f),拍頻信號(hào)被光電探測器D2接收后進(jìn)入前置放大器，經(jīng)過濾波放大后送到混頻器。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀計(jì)算機(jī)接收來自D1和D2這兩路信號(hào)后進(jìn)行同步相減便得Doppler頻移±?f，最后經(jīng)過倍頻和累計(jì)計(jì)數(shù)，求出測量角錐棱鏡M2的移動(dòng)位移。第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀透過分光鏡B1的另一束光沿原方向通過1/4波片后,變成兩互相垂直的線偏振光（設(shè)f1垂直紙面，f2平行紙面），射向偏振分束鏡B2，偏振方向互相垂直的線偏振光f1和f2被分開，其中f1反射至參考角錐棱鏡M1,f2透過偏振分束鏡到測量角錐棱鏡M2。若測量鏡M2以速度?運(yùn)動(dòng)，則由于多普勒效應(yīng)，返回光束的頻率將變成f2±?f(正負(fù)號(hào)取決于測量鏡的移動(dòng)方向)，這束光返回后重新通過偏振分光鏡，并與頻率為f1的返回光會(huì)和，然后被直角棱鏡M3反射至檢偏器P2上產(chǎn)生拍頻。拍頻信號(hào)頻率為f1-(f2±?f),拍頻信號(hào)被光電探測器D2接收后進(jìn)入前置放大器，經(jīng)過濾波放大后也送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)接收來自D1和D2這兩路信號(hào)后進(jìn)行同步相減便得Doppler頻移±?f，最后經(jīng)過倍頻和累計(jì)計(jì)數(shù)，求出測量角錐棱鏡M2的移動(dòng)位移。第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀若測量鏡M2以速度?運(yùn)動(dòng)，則由多普勒效應(yīng)引起的頻移?f為：若測量所用時(shí)間為t，則測量鏡移動(dòng)距離L為：注：對(duì)于塞曼雙頻激光干涉儀，為使被測信號(hào)?f不失真，一般應(yīng)取激光器雙頻頻差f1-f2≥3?f為宜。若激光器雙頻頻差為f1-f2=1.5MHz，則對(duì)應(yīng)的Doppler頻移?f最大為±0.5MHz，允許測量速度約為150mm/s，處理電路的工作頻帶可以設(shè)定在1.0~2.0MHz之間，濾掉小于1.0MHz的全部噪聲。第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀在雙頻激光干涉儀中，“雙頻”起了調(diào)制作用，它在測量鏡靜止時(shí)，仍然保持一個(gè)1.5MHz的交流信號(hào)，被測物體的運(yùn)動(dòng)只是使這個(gè)信號(hào)的頻率增加或減少，因而前置放大可采用較高放大倍數(shù)的交流放大器，采用帶通濾波，濾掉低頻噪聲，避免了直流放大時(shí)所遇到的直流漂移、低頻干擾等問題。第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀利用雙頻激光干涉技術(shù)還可以精確測量空氣折射率，如圖2.24所示。從激光器發(fā)出的正交線偏振光ν1和ν2在分光器2的前后表面上分成兩束，每束中均包含ν1和ν2兩種頻率。其中一束從真空室4通過，另一束在真空室外通過，二者互相平行，經(jīng)角錐棱鏡6返回。兩次從真空室內(nèi)通過的光束在1/4波片3上通過兩次，相當(dāng)于通過一次1/2波片。如果1/4波片的方向合適就可使偏振面轉(zhuǎn)過90o。真空室內(nèi)外兩束光在分光器上重新會(huì)和后，又在偏振分光棱鏡1上分光。同方向的振動(dòng)被分到一個(gè)光電接收器8上形成拍頻。得到兩路測量信號(hào)[(ν1-ν2)+?νn]和[(ν1-ν2)-?νn]，?νn為抽氣造成的Doppler頻移。它們經(jīng)過鎖相倍頻和計(jì)數(shù)卡后，送入計(jì)算機(jī)計(jì)算求出待測空氣折射率。第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀利用雙頻激光干涉技術(shù)還可以精確測量空氣折射率，如圖2.24所示。從激光器發(fā)出的正交線偏振光ν1和ν2在分光器2的前后表面上分成兩束，每束中均包含ν1和ν2兩種頻率。其中一束從真空室4通過，另一束在真空室外通過，二者互相平行，經(jīng)角錐棱鏡6返回。光路原理：第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀兩次從真空室內(nèi)通過的光束在1/4波片3上通過兩次，相當(dāng)于通過一次1/2波片。如果1/4波片的方向合適就可使偏振面轉(zhuǎn)過90o。真空室內(nèi)外兩束光在分光器上重新會(huì)和后，又在偏振分光棱鏡1上分光。ν光路原理：第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀同方向的振動(dòng)被分到一個(gè)光電接收器8上形成拍頻。得到兩路測量信號(hào)[(ν1-ν2)+?νn]和[(ν1-ν2)-?νn]，?νn為抽氣造成的Doppler頻移。它們經(jīng)過鎖相倍頻和計(jì)數(shù)卡后，送入計(jì)算機(jī)計(jì)算求出待測空氣折射率。ν光路原理：第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀測量過程與原理：打開真空泵開關(guān)，測量過程開始，這一瞬間真空室內(nèi)的空氣折射率就是要測量的量值，以nm表示。真空室內(nèi)的空氣被抽空后折射率變?yōu)?。而在這兩個(gè)時(shí)刻之間的任意時(shí)刻真空室內(nèi)的空氣折射率都是介于nm和1之間的數(shù)值，用n表示。ν第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀測量過程與原理：某一中間時(shí)刻，由于抽氣造成的Doppler頻率變化為：第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3塞曼（Zeeman）雙頻激光干涉儀注：當(dāng)真空室內(nèi)抽成真空后，如果真空室外的空氣折射率發(fā)生變化，干涉儀可以立即反映出這種變化，做到“實(shí)時(shí)”測量。這種雙頻激光干涉測量出的空氣折射率不但包含了空氣的溫度、壓力、濕度的影響，而且在空氣中混有其他氣體及有機(jī)溶劑的揮發(fā)物時(shí)，也照樣可以精確測出折射率。第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光外差干涉測量技術(shù)3聲光調(diào)制雙頻外差干涉儀為什么要用聲光