新型干涉仪.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,之前提到的,M-Z,，迈克尔逊，,Sagnac,，,F-P,干涉仪是四种普通的干涉仪，它们都有几个共同的缺点：温度敏感，需要长相干长度的光源，信号处理复杂；由于它们的干涉项是两束或多束干涉光相位差的余弦函数，这就限制了它们的线性输出的范围。,微分干涉仪,如果把输入相位信号限定在干涉仪的线性范围内，那么传感器的系统将大大地简化，它可以不采用复杂的电路进行信号处理及相位补偿技术。而我们接下来介绍的干涉仪，它所采用的相位压缩原理恰好能实现这种功能，这种基于相位压缩原理的干涉仪称为微分干涉仪。,相位压缩原理,是指干涉仪测量的相位为干涉光束相位差的变化量，不是普通干涉仪的相位差。,微分干涉仪的基本思想,是让干涉仪两臂中的光在不同时刻都通过相位调制器，得到某一时间间隔,T,内的相位差的变化量。通过积分，即可测得该相位差信号。当相位差值很大时，在较短的时间间隔,T,内的相位差的变化量仍然很小，干涉仪仍然能工作在线性范围区内。这就相当于进行了相位压缩，扩大了干涉仪的线性范围。其基本原理如图所示。,半导体激光器,S,发出的激光，经耦合器分,C,1,为相等的两束光,光经光纤延迟线延时和相位调制器,(t),后得,X,1,(t),。为达到正交检测，另一束光先通过偏振控制器移项,/2,后再经相位调制器,(t),得,X,2,(t),，经延迟相同的时间,后得,X,2,(t+),，它与,X,1,(t),在耦合器,C,2,处发生干涉。,上图构建的干涉仪并不一定是实用的微分干涉仪，实践中，人们设计了一种仅用一个延迟线圈和调制器就能达到相位压缩的目的，如图。,图中激光二极管,s,作为光源，为防止光的反射，光隔离器,ISO,被放在光源和光纤之间光纤耦合器,C1,和,C2,之间为非平衡,M-Z,干涉仪，两臂不平衡光路长约为,16cm,，远大于光源的相干长度，故在耦合器,C2,中没有干涉现象只有顺时针经光路,11,-22,-2,2-3,3,和逆时针经光路,33,-22,-2,2-1,1,的两光束返回到耦合器,C1,才产生干涉。,优点：,微分干涉仪具有线性范围广，信号处理电路简单，对缓变的温度等环境因素不敏感，并能使用短相干长度的光源等优点。,微分干涉仪,原理：,如图一种光纤白光干涉型光纤传感器的原理图。它是由两个光纤干涉仪组成，其中一个干涉仪用作传感头（,FPPI,），放在被测量点，同时作为第二个干涉仪的传感臂；第二个干涉仪的另一支臂作为参考臂，放在远离现场的控制室，提供相位补偿。每个干涉仪的光程差都大于光源的相干长度。假设图中,A,是,O,到,A,的等光程点，,B,是,O,到,B,的等光程点。这时当反射镜,C,从左向右通过,A,位置时，在迈克耳逊干涉仪的接收端将出现白光零级干涉条纹；同理，当反射镜,C,通过,B,时会再次出现白光零级干涉条纹。两次零级干涉条纹所对应的位置,A,B,之间的位移就是,F-P,腔的光程。当传感臂受应变作用导致光纤长度发生变化时，相应的反射镜就要移动，这样干涉条纹才会再次出现，两次的变化量就是光程差，由此可推出物体的形变量。,白光干涉仪,相位调制型光纤干涉仪的突出优点是灵敏度高。缺点之一是只能进行相对测量，即只能用做变化量的测量，而不能用于状态量的测量。,近年来发展起来的用白光做光源的干涉仪，则可用作绝对测量，因而越来越受各国专家的重视。目前已有它对位移、压力、振动、应力、应变、温度等多种参量进行绝对测量的例子。,白光干涉仪,特性：,1,、两反射面为等光程时，出现零级干涉条纹，与外界干扰因素无关。,2,、干涉信号幅度与光源的输出功率，光纤等的传输损耗，各镜面的反射率等因素有关。,3,、外界扰动会影响干涉条纹的幅度，但不会改变干涉零级的位置。,优点：,1,、可测量绝对光程；,2,、系统抗干扰能力强，系统分辨率与光源波长稳定性，光源功率波动，光纤的扰动等因素无关；,3,、结构简单，成本低廉；,4,、测量精度仅由干涉条纹中心位置的确定精度和参考反射镜的确定精度决定。,难度：,要投入实用，主要需解决低相干度光源的获得和零级干涉条纹的检测两大问题。,白光干涉仪,白光光纤干涉仪的研究现状：,目前白光光纤干涉仪主要用于距离的绝对测量，以及可以转化为距离量的其他物理量，如位移，温度，应力等。白光干涉实现距离的绝对测量，关键技术是在于等光程点的检测。从近年的研究情况看，有三种不同的检测方法。,1,、光程扫面的时域检测,2,、菲索干涉仪的时空域检测,3,、基于谱分析的频域检测,以上三种检测方式，有它们各自不同的特点。光程扫描方式结构上能够全光纤化，最有可能进入实用阶段。菲索干涉仪检测方式与谱分析方法克服了机械扫描的缺点，但是这两种方法对,CCD,阵列的分辨率同样有很高的要求。,光纤偏振干涉仪,M-Z,光纤干涉仪的一个重要缺点是利用双臂干涉，外界因素对参考的扰动常常会引起很大的干扰，甚至破坏仪器的正常工作。为了克服这一缺点，可以利用单根高双折射单模光纤中两正交偏振模式在外界因素影响下相移的不同进行传感，如图就是一种光纤偏振干涉仪。,激光束经起偏器和,/4,波片后变为圆偏振光，对传感用高折射单模光纤的两个正交偏振态均匀激励。由于其相移不同，输出光的合成偏振态可在左旋圆偏振光，,45,度纤偏振光，右旋偏振光，,135,度线偏振光之间变化。,虽然它比,M-Z,双臂干涉仪的灵敏度要低很多，但其装置要简单得多，且压力灵敏度为,M-Z,干涉仪的,1/7300,，所以有很好的压力去敏作用。,剪切干涉仪,剪切干涉仪是把通过被测件的波面用适当的光学系统分裂成两个，并使两波面彼此相互错开（剪切），在两波面重叠部分产生干涉图形的仪器。,以常见的横向剪切干涉仪为例。如图,剪切干涉仪原理图,所示,激光束被聚光镜,1,会聚到空间滤波器,2,上,滤波器置于被测物镜,3,的焦点上,从物镜出射的波面通过一稍有楔角的平板,4,前后表面的反射，形成两个彼此横向错开的波面，在两波面重叠处形成干涉图形，通过判读条纹可评价被测物镜的传递函数。,剪切干涉仪,径向剪切干涉,是一种波前错位干涉，它是用一定的装置将一个具有空间相干性的波前分裂成两个完全相同或相似的波前，让这两个波前彼此产生一定量的相位错位，在错位后的两波面重叠区域形成一组干涉条纹。,同横向剪切干涉的原理相似，径向剪切干涉是将待测波面放大或者缩小来实现波面的剪切干涉，获得所需要的相位分布。,其他剪切干涉仪,除横向和径向剪切干涉仪外，如使两波面绕中心小量旋转而相互错开形成干涉的称旋转剪切干涉仪；如使两波面反向错开形成干涉的称反向剪切干涉仪。,剪切干涉仪,特点,1),所有干涉仪都是以光波长的倍数或分数为度旦单位，精度高，灵敏度高。,2),剪切干涉仪也能进行定量检验，获得定量结果。,只是由于没有标准波面，被测被面变化与干涉条纹弯曲的对应关系，不如普通干涉仪条纹那样明显、直观。分析被面变形比较麻烦，不象普通干涉仪那样方便。这是剪切干涉仪的主要缺点。,3),大部分剪切干涉仪，不受口径大小的限制，,4),对于某些剪切于沙仪，由于相干的两束光之间程差很小，接近于等程干涉，因而对光源无特殊要求。,5),剪切干涉仪属于等程干涉，对外界干扰不甚灵敏，无防振条件下也能清晰、稳定地观测干涉条纹。,6),成本费用极低，体积小，便与携带。,应用,剪切干涉仪主要用作测定光学零件的面型、光学系统的像差和光学传递函数、流场的均匀性等。对激光束的波面测量而言，剪切干涉仪是唯一可用的干涉形式。,全息径向剪切干涉仪,在普通光学中，剪切干涉仪通常是应用透镜的放大性质或者折射定律。随着全息光学元件的出现，开始研制以全息光学元件成像性质为特征的新型径向剪切干涉仪，也出现了一些新的全息剪切干涉仪方案，如，在径向微商记录法智能光使用两个圆形全息光学元件；双频率全息径向剪切干涉仪，以及径向剪切干涉仪中使用,Gabor,波带片和全息光学元件等。,全息径向剪切干涉仪中有一个,Gabor,波带片和一个全息光学元件。如图,a,显示了全息光学元件的记录。基本原理：轴上,Gabor,波带片将一束汇聚相干光束衍射成三束光，一束,0,级光和两束,1,级光。,Gabor,波带片在汇聚光中有下面性质：如果照射波带片的光束会聚点与波带片焦点精确重合，那么其中的一束衍射光束，例如,+1,级衍射将以平行光的形式出射。将全息底版放置在波带板后面，并进行曝光显影，就可以得到一个全息光学元件。根据全息干涉图的记录原理，可以把上述的汇聚光束看作是参考光束，衍射后的平行光束看作是物体记录光束,全息径向剪切干涉仪,如图,b,，全息光学元件精确地放置在前者记录的位置。如果汇聚光波,W,来自待测物镜，那么，由于光学元件本身的像差会使波前出现缺陷，且出现在,0,级会聚光束中。很清楚，可以得到（,0,，,1,）级的平行出射光。,Gabor,波带片,+1,级衍射光通过全息光学元件，形成平行光束（,1,，,0,），由于,Gabor,波带板本身的缺陷，会给该平行光束带来额外的波前缺陷。两束平行光束有不同的放大倍率。因此，实现了一个径向剪切干涉仪的功能,全息径向剪切干涉仪的主要有点是成本低，制造容易，局限性在于待测光学元件的,F#,必须大于波带板的,F#,激光干涉仪,Most commercial FT spectrometers today use HeNe-laser interferometers as position sensors.There are two types of laser interferometers:homodyne and heterodyne.A homodyne interferometer uses a single-frequency laser source,whereas a heterodyne interferometer uses a laser source with two close frequencies.,The homodyne interferometer using a HeNe laser as its source is a commonly used position sensor in FT spectrometers.It is known that with a simple Michelson setup,the moving mirror,s relative displacement can be determined by counting the sinusoidal pulses.The speed information can thus be obtained by measuring its frequency.However,in order to determine the direction of the travel(hence the position and the velocity),additional optics is needed.A typical optical layout to accomplish such tasks is shown in Fig.,激光干涉仪,A linearly polarized laser beam passes through a/4 retarder(a quarter-wave plate)and it becomes circularly polarized.,In order for this to occur,the incoming beam,s polarization direction needs to be at 45 deg relative to the retarder,s principal axis.,Circularly polarized light has orthogonal,（正交）,fields that are 90 deg apart in phase,for example,the,x,-component leading the,y,-component by/4.A polarizing beamsplitter then splits the output beam into two orthogonal fields,each sensed by a detector.As a result,depending on the direction of the mirror,s travel,detector 1 leads or lags,（落后）,detector 2.This phase information can then be used to deduce,（推断）,direction and therefore the position of the mirror.,激光干涉仪,Figure shows a simple schematic,（原理）,of a heterodyne interferometer configuration.The two frequency components have linear polarization,（线偏振）,orthogonal to each other,which are then separated at the polarizing beamsplitter.The recombined radiation has a beat frequency,（差频）,of,where the,f,term is due to the Doppler shift,（多普勒频移）,.Its polarity,（正负号）,is dependent on the direction of the motion.This signal is then electronically,“,compared,”,with the reference signal,f,1,f,2(the beat frequency corresponds to zero velocity).A phase detector is then used to measure the phase between the reference and the measured signals.,结束,谢谢！,