激光干涉測量技術(shù)合肥工業(yè)大學(xué)

激光干涉測量技術(shù)合肥工業(yè)大學(xué)當(dāng)前第1頁\共有94頁\編于星期五\10點第二章激光干涉測量技術(shù)

§2.1激光干涉測量長度和位移一、干涉測長的基本原理激光干涉的條件

1.頻率相同

2.相位差初始恒定

3.振動方向相同（非正交）

4.小于波列長度(Δτ≤1/Δυ）干涉數(shù)學(xué)表達(dá)式： 設(shè)兩路激光分別為

E1=Acos(ωt+?1)E2=Bcos(ωt+?2)當(dāng)前第2頁\共有94頁\編于星期五\10點則合成有：

E=E1+E2=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?2)

=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?1?Δ?)

=Acos(ωt+?1)+Bcos(ωt+?1)cosΔ?+Bsin(ωt+?1)sinΔ?

=(A+BcosΔ?)cos(ωt+?1)+BsinΔ?sin(ωt+?1)

=A'cos(ωt+?1+Δ?2)Δφ=φ1-φ2Δφ2=arctanA+BcosΔφ ABsinΔφA'=A2+2ABcosΔ?+B2

I∝A2+2ABcosΔ?+B2當(dāng)前第3頁\共有94頁\編于星期五\10點2πλ?2π?22?λnl)=2光的相位與走過的光程有關(guān)：

Acos(ωt+?)=Bcos(ωt+?0?2π λnl)滿足相干條件時有

Acos(ωt+?)=Bcos(ωt+?0?

I∝A+B+2ABcos?(n1l1?n2l2)? ?

條紋可見度M=Imax?Imin2ABImax+IminA+B2當(dāng)前第4頁\共有94頁\編于星期五\10點結(jié)論合成干涉光的光強(qiáng)是兩路光的光程差的余弦函數(shù)

I∝A2+B2+2ABcosΔ當(dāng)2π λ

NN

Δ=∑nili?∑njlj i=1j=1(n1l1?n2l2)=2kπ

合成干涉光光強(qiáng)最大,光越亮

2π當(dāng)λ(n1l1?n2l2)=(2k+1)π

合成干涉光光強(qiáng)最小,光越暗當(dāng)前第5頁\共有94頁\編于星期五\10點應(yīng)用☆光強(qiáng)調(diào)制I∝cosΔ☆測量臂差測量明暗變化次數(shù),可測量臂差☆測量折射率L均固定,只有一處折射率變化☆傳感器通過物理量引起n或者L的變化,測出其變化，再經(jīng)過處理，反演出物理量的變化當(dāng)前第6頁\共有94頁\編于星期五\10點n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即測量位移和長度

NN

Δ=∑nili?∑njlj i=1j=1通過測量光強(qiáng)的變化的次數(shù),測量某臂的光程變化:所以激光干涉測量一般是:1.相對測量2.增量式測量3.中間過程不可忽略,要監(jiān)視整個測量測量的過程當(dāng)前第7頁\共有94頁\編于星期五\10點以Michelson干涉儀為例:開始測量時，兩束光的光程差為

Δ1=2n(Lm?Lc)測量結(jié)束時，兩束光的光程差為

Δ2=2n(Lm+L?Lc)=2nL+Δ1

光程差變化量

dΔ=Δ2?Δ1=2nL

移動距離L=Kλ

2當(dāng)前第8頁\共有94頁\編于星期五\10點二、測量系統(tǒng)組成1.激光干涉系統(tǒng)2.條紋計數(shù)計數(shù)和處理結(jié)果的電子機(jī)械系統(tǒng)（一）干涉儀系統(tǒng)主要包括：光源、分束器、反射器、補償元器件1.激光干涉儀常用光源He-Ne激光器：激光的功率和頻率穩(wěn)定性高、連續(xù)方式運轉(zhuǎn)、在可見光和紅外光區(qū)域有譜線當(dāng)前第9頁\共有94頁\編于星期五\10點1.干涉儀常用分束方法（1）分波陣面法（2）分振幅法當(dāng)前第10頁\共有94頁\編于星期五\10點（3）分偏振法（PBS）3.常用反射器（1）平面反射器（2）角錐棱鏡反射器（3）直角棱鏡反射器（4）貓眼反射器當(dāng)前第11頁\共有94頁\編于星期五\10點4.典型的光路布置 布置原則: 1)共路原則消除振動、溫度、氣流等影響

2)考慮測量精度、條紋對比度、穩(wěn)定性及實用性 等因素

3）避免光返回激光器 （1）使用角錐棱鏡雙角錐棱鏡光路單角錐棱鏡光路當(dāng)前第12頁\共有94頁\編于星期五\10點兩半反半透鏡一體化光路雙光程光路當(dāng)前第13頁\共有94頁\編于星期五\10點（2）整體布局優(yōu)點:抗干擾好、抗動鏡多自由度變化能力、靈敏度高一倍缺點：不方便、吸收嚴(yán)重（3）光學(xué)倍頻當(dāng)前第14頁\共有94頁\編于星期五\10點（4）零光程差的結(jié)構(gòu)布局(二)干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理系統(tǒng)

干涉條紋計數(shù)的要求： 能夠判斷方向，避免反向、大氣、環(huán)境振動以及導(dǎo)軌的誤 差影響，能夠細(xì)分，提高分辨率 這樣需要相位相差90度的兩個電信號輸出， 即一個按光程正弦變化，一個余弦變化當(dāng)前第15頁\共有94頁\編于星期五\10點常用移相器種類 （1）機(jī)械法移相形成等厚干涉特點:簡單條紋間距易變,使信號不完全正交屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動引起波陣面畸變的影響。當(dāng)前第16頁\共有94頁\編于星期五\10點（2）階梯板和翼形板移相屬于分波陣面移相，容易受大氣擾動引起波陣面畸變的影響當(dāng)前第17頁\共有94頁\編于星期五\10點（3）金屬膜移相 原理： 利用金屬膜表面反射和透射時都產(chǎn)生附加位相差 的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金 屬膜分幅移相器

優(yōu)點是兩光束受 振動和大氣擾動 的影響相同，元 件少，結(jié)構(gòu)緊湊。兩反兩透均一透一反缺點是兩相干光束的光強(qiáng)不同，影響條紋對比度當(dāng)前第18頁\共有94頁\編于星期五\10點（4）分偏振法移相特點:結(jié)構(gòu)較復(fù)雜不受大氣影響,可靠當(dāng)前第19頁\共有94頁\編于星期五\10點2.干涉條紋的計數(shù)及判向原理當(dāng)1324定義為正向當(dāng)存在反向時1后邊出現(xiàn)的應(yīng)該是?所以只須判斷第二和第四信號的脈沖次序即可由于相差為90度,一個計數(shù)對應(yīng)的是0.25個波長所以L=Kλ/8,分辨率提高4倍,稱為四倍頻計數(shù)如何提高分辨率(細(xì)分)?當(dāng)前第20頁\共有94頁\編于星期五\10點=2三、條紋的對比度定義:明暗變化的比值M=Imax?Imin2ABImax+IminA+B21.明暗變化的強(qiáng)度越大,PD感測出的信號信噪比越好2.當(dāng)兩干涉光的光強(qiáng)相等時,對比度越好3.影響干涉條紋對比度的因素:

相干性、偏振態(tài)、光強(qiáng)、背景光、各種環(huán)境因素 如振動、熱變性等當(dāng)前第21頁\共有94頁\編于星期五\10點四、應(yīng)用舉例1.激光比長儀當(dāng)前第22頁\共有94頁\編于星期五\10點2.激光跟蹤干涉儀3.Renishaw新型單頻激光干涉儀當(dāng)前第23頁\共有94頁\編于星期五\10點4.激光小角度干涉儀H=kλ4∴α=arcsinHRH=kλ

8∴α=arcsinHR當(dāng)前第24頁\共有94頁\編于星期五\10點小角度測量儀:測量范圍一般在±1°以內(nèi)，最大測量誤差±0.05″,采用下圖,可達(dá)95°,測量精度±0.3″當(dāng)前第25頁\共有94頁\編于星期五\10點§2.2激光外差干涉測量系統(tǒng)傳統(tǒng)干涉測量系統(tǒng)的特點1.測量精度高，前置放大器為直流放大器2.對環(huán)境要求高，不允許光強(qiáng)有較大的變化3.抗干擾能力差，一般工作在恒溫、防震條件下當(dāng)前第26頁\共有94頁\編于星期五\10點?在某一光臂中引入一定頻率的載波，被測信息通過載波傳遞，使前置放大器可采用交流放大器，可以隔絕由于外界條件引起的直流電平漂移，可在現(xiàn)場穩(wěn)定工作?這種利用外差技術(shù)的干涉儀，稱為外差干涉儀或者交流（AC）干涉儀?解決：1、濾掉了背景噪聲2、濾掉了直流放大器的噪聲當(dāng)前第27頁\共有94頁\編于星期五\10點一、Zeeman雙頻激光干涉儀當(dāng)前第28頁\共有94頁\編于星期五\10點Bsin(Δωt+Δ?)(t(ωω1E=E1+E2=Acos(ω1t+?1)+Bcos(ω2t+?2)

=Acos(ω1t+?1)+Bcos(ω1t+?1t?(ω1?ω2)t?(?1??2))=Acos(1t+?1)+Bcos(1t+?1)cosΔω+Δ?)+Bsin(ωt+?1)sinΔωt+Δ?)=(A+Bcos(Δωt+Δ?))cos(ω1t+?1)+Bsin(Δωt+Δ?)sin(ω1t+?1)=A'cos(ω1t+?1+?3)Δφ=φ1-φ2Δω=ω1-ω2?3=arctanA+Bcos(Δωt+Δ?)

A'=A2+2ABcos(Δωt+Δ?)+B2I∝A2+2ABcos(Δωt+Δ?)+B2當(dāng)前第29頁\共有94頁\編于星期五\10點∫0t2、測量臂 由于M2的運動由Doppler效應(yīng)知：Δf=2v c?f=2v λ測量鏡移動距離L為L=∫0tvdt=∫0tλ

2Δfdt=λt2∫0Δfdt=λ

2?N其中N=Δfdt=

t∑Δf

0?Δt為記錄下來的累計脈沖數(shù)當(dāng)前第30頁\共有94頁\編于星期五\10點電路靜態(tài)頻率f1?f2動態(tài)頻率f1?f2±Δf為不失真，應(yīng)滿足

f1?f2≥3Δf

Zeeman：頻差

允許測量速度約為150mm/s當(dāng)前第31頁\共有94頁\編于星期五\10點測量角度當(dāng)前第32頁\共有94頁\編于星期五\10點當(dāng)前第33頁\共有94頁\編于星期五\10點1tλ0tλ00測量空氣折射率Δfn=2v cfv=L?dn/dtΔfn=2Lλ0?dn/dt∫0tΔfn?dt=∫nm2Lλ0?dnnm?1=2L∫0Δfn?dt=λ02L∑Δf?Δt=2LN當(dāng)前第34頁\共有94頁\編于星期五\10點2.2.2聲光調(diào)制雙頻外差干涉儀1.聲光調(diào)制器當(dāng)前第35頁\共有94頁\編于星期五\10點2.聲光調(diào)制雙頻外差測振儀當(dāng)前第36頁\共有94頁\編于星期五\10點當(dāng)前第37頁\共有94頁\編于星期五\10點

§2.4激光全息干涉測量系統(tǒng)全息的來源: 1948年蓋伯(D.Gebar)提出用一個合適的相干照射 全息圖，透射光的一部分就能重新模擬出原物的 散射波前，于是重現(xiàn)一個與原物非常逼真的三維 圖像。1960年激光的出現(xiàn)促進(jìn)了全息照相術(shù)的發(fā) 展，全息術(shù)得到了不斷完善，為此他榮獲1971年 諾貝爾物理學(xué)獎應(yīng)用:全息測量系統(tǒng) 全息存儲 全息防偽無損檢測全息電影當(dāng)前第38頁\共有94頁\編于星期五\10點每毫一、全息技術(shù)的基本原理其過程分：1、全息圖的記錄2、物光波再現(xiàn)1、全息圖的記錄普通照相：記錄了光的光強(qiáng)和顏色（頻率）每毫米只能記錄50～100個條紋記錄介質(zhì)：銀化物全息圖：記錄了波前信息：光強(qiáng)及相位米記錄1000個以上條紋記錄介質(zhì)：鹵化銀乳膠和重鉻酸鹽乳膠當(dāng)前第39頁\共有94頁\編于星期五\10點0設(shè)物光：E0=A0ejΦ0則干板前的光強(qiáng)和相位分布應(yīng)該為x、y的函數(shù)即E0=A0（x，y）ejΦ（x，y）參考光束：平面波E0=ArejΦrΦr=2πsini/λy所以:E0=ArejΦr=Arejay當(dāng)前第40頁\共有94頁\編于星期五\10點0r所以干板上的光強(qiáng)分布:

I(x,y)=(E0+Er)(E*+E*)=Ar2+A02(x,y)+ArA0(x,y)ej(ay-j(x,y))+ArA0(x,y)e-j(ay-j(x,y))=Ar2+A02(x,y)+2ArA0(x,y)cos(ay-j(x,y))Ar固定和參考光相位ay是已知規(guī)律變化的所以:干板記錄的信息主要是記錄了物光的光強(qiáng)及相位信息當(dāng)前第41頁\共有94頁\編于星期五\10點經(jīng)過一定時間的照射,完成曝光,然后把干板取下,經(jīng)顯影、定影、制成全息底片以上過程稱為全息記錄當(dāng)前第42頁\共有94頁\編于星期五\10點2.物光波再現(xiàn)全息底片的透射率是t（x，y）是記錄過程時曝光光強(qiáng)的非線性函數(shù)，取線性部分，則有重新復(fù)位全息底片，并去掉物體及物體照射光束當(dāng)前第43頁\共有94頁\編于星期五\10點22+2222e3Ee(x,y)=t(x,y)Er=m(Ar+A0(x,y)+ArA0(x,y)ej(ay-φ0(x,y))ArA0(x,y)e-j(ay-φ0(x,y)))?Arejay=m(Ar+A0(x,y))Are+mAr2A0(x,y)ejφ0(x,y) j2ay-jφ0(x,y)+mA0(x,y)Arejay1當(dāng)前第44頁\共有94頁\編于星期五\10點01.參考光的透射光束 幅度被物光調(diào)制，方向不變m(Ar2+A02(x,y))Arejay2.與物光光波相同的透射光波Ar2A0(x,y)ejφ0(x,y))

方向不變，光強(qiáng)變化mAr2倍3.與2共軛的匯聚光波 方向與2共軛，光強(qiáng)變化mAr2mA0(x,y)Ar2ej2aye-jφ(x,y)倍，相位疊加了一線性值當(dāng)前第45頁\共有94頁\編于星期五\10點當(dāng)前第46頁\共有94頁\編于星期五\10點3.全息干涉條紋的調(diào)制度

I(x,y)=Ar2+A02(x,y)+2ArA0(x,y)cos(ay-j(x,y))=Ar2+A02(x,y)[1+ 2ArA0(x,y) M= Ar2+A02(x,y)

2ArA0(x,y)Ar2+A02(x,y)cos(ay-j(x,y))]

物光對參考光的相位和幅值進(jìn)行了調(diào)制

M成為振幅調(diào)制度，0≤M≤1當(dāng)嚴(yán)格按照余弦分布，也稱條紋對比度

4.全息技術(shù)對光源的要求

同普通照相一樣具有能使底片得以曝光的光能輸出； 具有為滿足光束的干涉和衍射所必須的時間相干性和空間相干性當(dāng)前第47頁\共有94頁\編于星期五\10點????全息照相的特點:三維立體圖（或四維）彩色圖片，永不變顏色不可撕毀性（冗余度大）一次拍攝，可以得到兩個圖像（原始像和共軛象）單純的全息技術(shù)應(yīng)用:1、全息圖像顯示：照片；圖片；郵票；書籍、雜志的封皮與插頁等2、包裝、裝潢和防偽：

產(chǎn)品的包裝、標(biāo)牌和商標(biāo)；飾品；廣告；裝潢；人民幣；銀行卡；居民身份證等當(dāng)前第48頁\共有94頁\編于星期五\10點3、全息元件：光柵；透鏡；波帶片等。4、光學(xué)信息處理技術(shù)：

圖像識別；圖像的消模糊和邊緣增強(qiáng);圖像的假彩色編碼。5、全息存儲：①存儲容量大②記錄速度快③記錄信息不易丟失（冗余好）④便于長期保存⑤便于拷貝Inphase公司的全息存儲器當(dāng)前第49頁\共有94頁\編于星期五\10點二、全息干涉測量技術(shù)單純的全息照相技術(shù),不能提供測量信息,但全息底片記錄了物光的某一狀態(tài)的波前信息,可以與新的物光信息形成干涉,可以利用干涉測量的技術(shù),今行測量分析工作1965年R.Powell和K.Stetsen提出,把干涉測量和全息技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行一些測量工作。常用的測量方法主要有:1.實時法2.二次曝光法3.時間平均法當(dāng)前第50頁\共有94頁\編于星期五\10點1.實時法一次全息圖制作→復(fù)原安裝→再現(xiàn)對準(zhǔn)應(yīng)用:實時觀察不同條件下的變形情況,如溫度\壓力\內(nèi)部情況特點:1.只需一次制作全息底片2.方便,節(jié)省時間,特別適合透明介質(zhì)的一些現(xiàn)象3.復(fù)位精度要求高4.使用時間短,條件要求高,乳膠易收縮變形,產(chǎn)生附加條紋當(dāng)前第51頁\共有94頁\編于星期五\10點2.二次曝光法原位曝光/遮光→物體發(fā)生變化→再次曝光→顯影/定影→顯示觀察應(yīng)用:瞬態(tài)現(xiàn)象研究,如沖擊波、流體、燃燒等特點：

不需要高復(fù)位精度 不需要監(jiān)視變化整個過程 原位完成所有過程，引入誤差小 形成干涉條紋主要有變形和激光頻率 變化引起，應(yīng)盡量激光頻率變化當(dāng)前第52頁\共有94頁\編于星期五\10點3.時間平均法注意:曝光時間遠(yuǎn)大于振動的周期常用于振動模式分析當(dāng)前第53頁\共有94頁\編于星期五\10點全息干涉測量的特點項目優(yōu)點干涉技術(shù)簡單、光滑表面單點或多點測量全息干涉測量任意形狀、對表面幾乎無要求三維表面需要全程檢測過程可僅比較起始和終了兩個時刻 的狀態(tài)缺點

范圍大，小于激光范圍小，僅幾十um

的相干長度全息測量的特點及與傳統(tǒng)干涉測量的比較當(dāng)前第54頁\共有94頁\編于星期五\10點三、全息干涉測量技術(shù)的應(yīng)用1.測量氣缸內(nèi)孔當(dāng)前第55頁\共有94頁\編于星期五\10點2.發(fā)動機(jī)活塞變形當(dāng)前第56頁\共有94頁\編于星期五\10點3.缺陷檢測常用的方法:實時法和時間平均法原理:當(dāng)試件存在缺陷時,在外觀、表面會存在變化，例如：脫膠、脫落、內(nèi)部裂紋等當(dāng)前第57頁\共有94頁\編于星期五\10點4.檢測光學(xué)玻璃的均勻性常用方法：實時法、二次曝光法用途：測量透明介質(zhì)的一些物理場信息如：溫度、力場、流速、均勻性等信息當(dāng)前第58頁\共有94頁\編于星期五\10點

§2.5激光散斑干涉測量系統(tǒng)1970年Leendez開創(chuàng)了光學(xué)粗糙表面的干涉測量方法，稱這種方法為散斑干涉測量一、散斑的概念散斑：當(dāng)一束激光照射到物體的粗糙表面上時，其反射的光束中亮斑與暗斑的分布雜亂，顧稱為散斑（Speckle）其實質(zhì)：經(jīng)粗糙表面漫反射后的光，空間干涉的結(jié)果，所以是非物體表面的像

其分布與照射的表面有關(guān)(小)當(dāng)前第59頁\共有94頁\編于星期五\10點散斑產(chǎn)生的條件：1）粗糙表面，h>λ產(chǎn)生均勻散斑2）必須有高相干光散斑照相:

被激光照射的粗糙表在透鏡的像面上形成的散斑圖同全息相比,散斑照相并不能提供測量的一些信息如果利用全息技術(shù)記錄某一時刻的散斑信息,利用變化后的形成的散斑干涉,可以進(jìn)行測量工作散斑干涉技術(shù):

在散斑圖的基礎(chǔ),外加一相干的參考光,例如

平面波,球面波或者穩(wěn)定的其他散圖均可應(yīng)用:測量位移、應(yīng)變、振動、粗糙度等當(dāng)前第60頁\共有94頁\編于星期五\10點kλ)二、散斑干涉測量技術(shù)

1.測量縱向位移

當(dāng)O有位移時，參考光與物光 的相位差為：δφ=2π

λ2δz根據(jù)相干的條件當(dāng)δφ=2kπ時,即：

δz=

2

與初始上干涉狀態(tài)一致。 當(dāng)δφ=(2k+1)π時,即:δz=(k+1λ22圖像明暗反轉(zhuǎn)當(dāng)前第61頁\共有94頁\編于星期五\10點通過觀察散斑的明暗變化次數(shù),可以測量縱向位移。當(dāng)H為全息干板,

曝光周期大于振動周期時,在節(jié)點處,光強(qiáng)和相位不變化,

其他位置,光強(qiáng)和相位發(fā)生變化,

所以在節(jié)點處,高對比度,其他位置對比度下降,可以測量振幅及振動模態(tài)當(dāng)前第62頁\共有94頁\編于星期五\10點2.測量橫向位移

參考光與物光以相同夾角入射， 方向關(guān)于Z對稱 當(dāng)物面沿Z向變化時，物光與參 考光的相位變化一直，不產(chǎn)生 額外相位差，散斑不變化 當(dāng)物面有X，Y方向變化時 光程變化為：Δ=2dsinθ相位變化為：δφ=2π

λ2dsinθ當(dāng)Δ=2dsinθ=mλ時，恢復(fù)初始狀態(tài)當(dāng)前第63頁\共有94頁\編于星期五\10點三、電子散斑干涉測量技術(shù)（ESPI）ESPI：主要相對于傳統(tǒng)光學(xué)記錄方式而言，主要指CCD采集的

散斑場信息，這樣可以進(jìn)行電子處理或者計算機(jī)處理。ESPI的特點：電子技術(shù)提取信息，可以直接顯示和保存散斑

圖，操作簡單、實用性強(qiáng)，自動化程度高、可以進(jìn)行靜動態(tài)測量，不需要復(fù)雜的顯影、定影及復(fù)定位技術(shù)要求普通散斑技術(shù)的特點：與全息類似，需要干板記錄，條紋的計

數(shù)和判向與傳統(tǒng)干涉類似，但可以測量較粗糙的表面當(dāng)前第64頁\共有94頁\編于星期五\10點基本原理ifA0=a1ejφ1Ar=a2ejφ2CCDlightintensity: I=a12+a22+2a1a2cos(φ1-φ2)ifΑ0=a1ej(φ1+Δφ) I=a12+a22+2a1a2cos(φ1-φ2+Δφ)當(dāng)Δφ=2kπ，光強(qiáng)不變當(dāng)Δφ=(2k+1)π，光強(qiáng)變化 最劇烈其他,變化程度與Δφ有關(guān)CCD感受的光強(qiáng)為參考光的余弦調(diào)制當(dāng)前第65頁\共有94頁\編于星期五\10點

基本原理ESPI處理:一般圖像間相減,其結(jié)果:ΔI=2a1a2[cos(φ1-φ2)-cos(φ1-φ2+Δφ

)]相減后,光強(qiáng)分布仍然是Δφ的余弦分布函數(shù),

即干涉

條紋與Δφ有關(guān),

這種條紋反映出的是兩次散斑干

涉間的光強(qiáng)分布之間的相關(guān)性,稱為相關(guān)條文由于Δφ,與光程有關(guān),

反應(yīng)出的是物面的變形或位移的多少當(dāng)前第66頁\共有94頁\編于星期五\10點四、散斑干涉測量技術(shù)的應(yīng)用1.測量表面粗糙度當(dāng)前第67頁\共有94頁\編于星期五\10點2.測量內(nèi)孔的表面質(zhì)量當(dāng)前第68頁\共有94頁\編于星期五\10點

§2.5激光光纖干涉測量系統(tǒng)一、基本概念

光纖:光導(dǎo)纖維簡稱 材料:玻璃-纖芯及包層為玻璃膠套硅光纖-芯玻璃包層塑料纖包保護(hù)塑料-均為塑料芯層套類型:階越式梯度型光纖特點:1.傳輸頻帶寬、通訊容量大3.不受電磁波/環(huán)境光干擾5.抗化學(xué)腐蝕2.信號損耗低4.線徑細(xì)、重量輕5.可彎曲當(dāng)前第69頁\共有94頁\編于星期五\10點穩(wěn)定對比光學(xué)器件組成的系統(tǒng),光纖測量系統(tǒng)的優(yōu)勢:項目靈敏傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)小,精度低光纖測量系統(tǒng)大,精度高度

一般,易受環(huán)境影響好,不受大氣、電磁影響性操作性體積較差，可調(diào)點多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路復(fù)雜，體積大好，可調(diào)點少，僅調(diào)節(jié)物光束結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，光路簡單，應(yīng)用：航空/航天石油化工/采礦業(yè) 圖像傳輸計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳感器等醫(yī)療通訊當(dāng)前第70頁\共有94頁\編于星期五\10點二、主要常用的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)型式主要型式：1.邁克耳遜（Michelson）光纖干涉儀2.馬赫-澤德（Mach-Zehnder）光纖干涉儀3.薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀4.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀當(dāng)前第71頁\共有94頁\編于星期五\10點1.邁克耳遜（Michelson）光纖干涉儀優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單,抗干擾,體積 小,穩(wěn)定性好,可和激光 集成,光可能返回激光器,

要求激光高度穩(wěn)定應(yīng)用:

點測量 振動,位移,應(yīng)變,溫度等當(dāng)前第72頁\共有94頁\編于星期五\10點2.馬赫-澤德（Mach-Zehnder）光纖干涉儀特點:無返回光,不影響激光 輸出自動正余函數(shù)便于細(xì)分應(yīng)用:測量位移高電壓大電流磁場應(yīng)力等當(dāng)前第73頁\共有94頁\編于星期五\10點3.薩格奈克(Sagnac)光纖干涉儀

光纖陀螺,測量角速度:

由Doppler效應(yīng)知:

V=rω Clockwise:fc=

cλc=c-rω

λ\λc=

cλc-rωPhaseatDetectorΔφc=2π

λc2πrN=4π2rN cλ(c-rω)Anti-clockwise:Δφa=2π

λc2πrN=4π2rN cλ(c+rω)\Δφ=Δφa-Δφc=8π2r2Nω cλ當(dāng)前第74頁\共有94頁\編于星期五\10點4.法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀又稱:F-P干涉儀特點:多光束干涉,高靈敏度用途:波長的精密測量 光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究其間隔固定不變——法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具其間隔可以改變——法布里-珀羅干涉儀當(dāng)前第75頁\共有94頁\編于星期五\10點三、光纖干涉儀應(yīng)用1.F-P干涉儀分析氣體成分當(dāng)前第76頁\共有94頁\編于星期五\10點2.光纖干涉測長準(zhǔn)白光干涉當(dāng)前第77頁\共有94頁\編于星期五\10點3.光纖干涉儀測量溫度、壓力當(dāng)前第78頁\共有94頁\編于星期五\10點4.光纖陀螺特點：靈敏度高可達(dá)0.02o/h質(zhì)量輕,體積小,成本低結(jié)構(gòu)緊湊,可作為制導(dǎo)、導(dǎo)航用。當(dāng)前第79頁\共有94頁\編于星期五\10點§2.5激光多波長干涉測量系統(tǒng)傳統(tǒng)干涉儀:1)

需要導(dǎo)軌,計時從始態(tài)到終態(tài)全部過程,中間不允許掉電.2)

計數(shù)時間長,測量長度較大時耗時時間長,易受環(huán)境因素的影響3)無零位,增量式測量,不能測量絕對位移當(dāng)前第80頁\共有94頁\編于星期五\10點光學(xué)絕對測量簡史1.1892年把國際標(biāo)準(zhǔn)米尺與Cd譜線波長相比較提出了小數(shù)重合法激光出現(xiàn)以后，基于小數(shù)重合法進(jìn)行無導(dǎo)軌測長2.1976年，G.LBourder和AG．Orszag首先報導(dǎo)了使用CO2激光器進(jìn)行多波長干涉測長3.1983年,日本計量研究所的HMatsumoto提出了用He—Ne3.39um

單波長和He-Ne3.37um，3.51um雙譜線組成三級合成波測量長度4.同年，CL．Bourder利用兩支波導(dǎo)CO2激光器，實現(xiàn)了變波長絕對距離測量5.1985年，中國計量院陳元呂等人制成了以Zeeman激光為光源的無導(dǎo)軌測長儀6.1986午，H．Kikuta進(jìn)行了半導(dǎo)體激光外差干涉測長的研究。7.清華大學(xué)的梁晉文教授等人用He-Ne3.39um激光實現(xiàn)了多波長無導(dǎo)軌測長.當(dāng)前第81頁\共有94頁\編于星期五\10點λi2i一、小數(shù)重合（柯氏干涉儀）對于干涉儀其測量的公式:L=λ2N如果能夠測量出條紋間的距離(細(xì)分,相位檢測等)則實際長度:L=(m+εi)如果已知道某一長度的大略范圍,例如量塊,用一組已知波長的光,進(jìn)行測量的話,真值對應(yīng)的一組已知的mi和εi,如果能夠測出其小數(shù)部分則,容易推導(dǎo)出其真值。當(dāng)前第82頁\共有94頁\編于星期五\10點測量的次序:1.測出每一波長的激光對應(yīng)的ε2.計算已知尺寸范圍間,所有波長對應(yīng)m及ε值3.測量和計算的ε組進(jìn)行比對,

如果相同,則計算的所對應(yīng)的尺寸,即是真值當(dāng)前第83頁\共有94頁\編于星期五\10點-2二、合成波長

小數(shù)重合法時，用兩個波長進(jìn)行測量：L=L=λ1

2λ2

2(m1+ε1)(m2+ε2)2L

λ1

2L

λ2=(m1+ε1) =(m2+ε2)2L2L

λ1λ2=m1-m2+ε1-