激光干涉测量.doc

激光干涉测量技术的发展及现状调研报告

一、激光干涉基本原理
激光输出可被视为正弦光波
波长

从激光头射出的光波有三个关键特性：
• 波长精确已知，能够实现精确测量
• 波长很短，能够实现精密测量或高分辨率测量
• 所有光波均为同相，能够实现干涉条纹

干涉测量是基于光波叠加原理在干涉场中产生亮暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹来获取被测量的有关信息。 当两束光满足频率相同、振动方向相同以及初相位差恒定的条件时，两支光会发生干涉现象。在干涉场中任一点的合成光强为：

式中，∆为两束光到达某点的光程差；、分别为两束光的光强；λ为光波长。
干涉条纹是光程差相同点的轨迹，以下两式分别为亮纹和暗纹方程
∆ =mλ
∆=(m+1/2)λ
式中，m为干涉条纹的干涉级
干涉仪中两支光路的光程差∆可表示为
∆=
式中，、分别为干涉仪两支光路的介质折射率；、分别为干涉仪两支光路的几何路程。
当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化，干涉条纹也随之变化。通过测量干涉条纹的变化量，可以获得与介质折射率n和几何路程l有关的各种物理量和几何量。
二、 发展历史、现状及趋势
早在十九世纪八十年代，人们第一次证实了光干涉原理可以作为测量工具使用。尽管该技术多年来不断发展，但是使用极小、稳定、准确定义的光波长作为测量单位的基本原理仍然没有改变。
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到长足发展。
干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。
激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。
三、 主要应用
1、 激光干涉在长度测量中的应用
高精度7m万能测长机是一种由激光干涉系统、光学高精度系统、精密机械、电气驱动、微机控制和计量管理相结合的大型长度计量仪器，其结构如图2-10所示。光学测量原理在前面已经论述，测量原理图所示。如图

2、 激光干涉在位移测量中的应用

布朗布维尔干涉仪的工作原理如图2-14所示。从激扩光器1发出的平行光束，经望远镜系统2束分，被镀有半透反射膜的分光镜3成两路，分别投射到可动角锥棱镜9和固定角锥棱镜10上。再经分光镜3会合的两支光束投射到棱镜6上，棱镜6按波阵面把光束分成两部分。在光电接收器4与8前，安装两个光阑5与7把干涉条纹分成两部分，相互间错开0.25条条纹宽度。为了使干涉光束之间形成某个楔角，从而达到所要求的条纹宽度和方向，采用楔形板11。反射镜13和毛玻璃12构成目视窗，用于调整仪器时观察干涉条纹。这种激光器望远镜系统分光镜一光电接收器干涉仪的特点是：
l 从干涉仪出来的光束，不会返回到激光1中，从而保证了激光器的稳定工作。
l 由于激光具有高单色性，因此在干涉仪的光路中，不需要一般迈克尔逊干涉仪都有的
用于补偿两支光路中玻璃厚度不相等的补偿板。
l 由于激光具有很小的发散性，在干涉仪的两支光路不相同的情况下，干涉图样对比度
还是很好的。在该干涉仪中，可动角锥棱镜9的位移量可通过数字读数0.1μm，最小读数值测量范围为1m。

3、 激光干涉在角度测量中的应用
小角度测量系统的结构如图3-13所示，图中玻片3用于调整0光与e光强度平衡，透
镜的数值孔径根据测量灵敏度由式选择。反射面由两块反射镜组成，其中与压电陶瓷连为一体，可作高频振动。反射光经原路返回，在透镜焦面会合，成为椭圆偏振光，经波片变为线偏振光。其偏振方向为（推导从略）

式中，则。即光程差变化一个波长，相位变化，线偏振光方位角转过，条纹变化一个周期。
当反射面有一个角位移θ时，合成偏振光光程差变化，经检偏器可观察到干涉条纹的变化，检出条纹变化量即可得知角位移量。

4、 光线基准双频激光干涉法
测量原理如图所示。两束偏振面相互正交、频率为和的激光束经分光组件1射向渥拉斯顿棱镜2，渥拉斯顿棱2将和两束光分开成夹角射向双面反射镜3，双面反射镜的夹角为补角，即光束和垂直射向双面反射镜的两个面，然后光束从双面反射镜返回到渥拉斯顿棱镜上会合，再由分光组件返回进行拍频、接收、计算机处理等。当渥拉斯顿棱镜固定不动，双面反射镜沿被测表面x向移动时（或反之，双面反射镜固定不动，渥拉斯顿棱镜沿被测表面移动时），如果双面反射镜在y向无位移，仪器显示值不变；如果被测表面不平，则当双面反射镜沿x向移动时，将同时有 y的位移，则此时和两路光光程不等，仪器显示值便有变化。

5、 共模抑制干涉仪
He-Ne激光器发出的线偏振光经扩束、 准直，透过半波片和分光棱镜BS进入测量头。该测量头由两部分组成，一部分为双焦透镜分束器L，它由一块束器石英凹透镜和两块玻璃凸透镜胶合而成，石英晶体光轴设计成与透镜轴垂直，通过合理选择三透镜参数，使分束器对O光（寻常光）光焦度为正，对e光（非寻常光构）的光焦度为零；测量头的另一部分为
、成的开普勒望远镜系统。平行线偏振光（旋转半波片可改变偏振方向）进入该测量头后，被分成两束（彼此同轴的o光和e光），其中e光成平行光垂直照射到被测表面，o光被会聚于被测表面上某一点。两束光在被测表面反射后沿原路返回，经双焦透镜分束器后合成为一椭圆偏振光，它经BS反射后，被分光棱镜BS分成两部分，各自经过检偏器P、
7

P后相干涉。

四、 存在的问题
1、 稳定激光的工作环境。保证系统有一个好的工作环境，特别是从保证激光频率稳定角度出发，要保证系统的工作环境相对稳定。
2、 比较国内外开展激光检测研究与应用的现状：
（1）技术上—— 在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距。国内开展的工作面不如国外广泛，但所做工作也不少，而且技术上尚比较先进，有些方面还是可比的。
（2）应用上—— 周内应用类别不少。但由于产品化程度不高，影响使用面。
3、研究新的测量方法，研究多种技术的综合应用，降低成本，实现仪器化系统，开拓新的应用领域。

参考文献：

《激光干涉测量技术及应用》 作者：张琢 1998年10月第一版