新型干涉仪学习教案.pptx

会计学1新型新型(xnxng)干涉仪干涉仪第一页，共16页。微分微分(wi fn)干涉仪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(chn wi)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C1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X1(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X2(t)，经延迟相同的时间后得X2(t+)，它与X1(t)在耦合器C2处发生(fshng)干涉。第1页/共16页第二页，共16页。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(y su)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11-22-22-33和逆时针经光路33-22-22-11 的两光束返回到耦合器C1才产生干涉。优点：优点：微分干涉仪具有线性范围广，信号处理微分干涉仪具有线性范围广，信号处理(xn ho ch l)电路简单，对缓变的温度等环境因素不敏感，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。并能使用短相干长度的光源等优点。微分(wi fn)干涉仪第2页/共16页第三页，共16页。原理：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（光纤干涉仪组成，其中一个干涉仪用作传感头（FPPI），放），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，放在远离仪的另一支臂作为参考臂，放在远离(yun l)现场的控制室，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。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。假设图中假设图中A是是O到到A的等光程点，的等光程点，B是是O到到B的等光程点。这的等光程点。这时当反射镜时当反射镜C从左向右通过从左向右通过A位置时，在迈克耳逊干涉仪的位置时，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，当反射镜接收端将出现白光零级干涉条纹；同理，当反射镜C通过通过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的位置AB之间的位移就是之间的位移就是F-P腔的光程。当传感臂受应变腔的光程。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。可推出物体的形变量。白光干涉仪白光干涉仪相位调制型光纤干涉仪的突出优点(yudin)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(cling)，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(cling)的例子。第3页/共16页第四页，共16页。白光干涉仪白光干涉仪特性：特性：1、两反射面为等光程时，出现零级干涉条纹，与外界、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。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、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。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、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。零级的位置。优点：优点：1、可测量绝对光程；、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，、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；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；、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、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。反射镜的确定精度决定。难度：难度：要投入实用，主要需解决低相干度光源的获得和零级要投入实用，主要需解决低相干度光源的获得和零级干涉条纹的检测干涉条纹的检测(jin c)两大问题。两大问题。第4页/共16页第五页，共16页。白光干涉仪白光干涉仪白光光纤干涉仪的研究现状：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。同的检测方法。1、光程扫面的时域检测、光程扫面的时域检测2、菲索干涉仪的时空域检测、菲索干涉仪的时空域检测3、基于谱分析的频域检测、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。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，但是缺点，但是(dnsh)这两种方法对这两种方法对CCD阵列的分辨阵列的分辨率同样有很高的要求。率同样有很高的要求。第5页/共16页第六页，共16页。光纤偏振光纤偏振(pin zhn)干涉仪干涉仪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(y zhn)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。第6页/共16页第七页，共16页。剪切干涉仪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(cu ki)（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(cu ki)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。第7页/共16页第八页，共16页。剪切干涉仪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，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面重叠(chngdi)区域形成一组干涉条纹。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。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。开形成干涉的称反向剪切干涉仪。第8页/共16页第九页，共16页。剪切干涉仪剪切干涉仪特点特点1)1)所有干涉仪都是以光波长的倍数或分数为度旦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。单位，精度高，灵敏度高。2)2)剪切干涉仪也能进行定量检验，获得定量结果。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。涉仪那样方便。这是剪切干涉仪的主要缺点。3)3)大部分剪切干涉仪，不受口径大小的限制，大部分剪切干涉仪，不受口径大小的限制，4)4)对于某些剪切于沙仪，由于相干的两束光之间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，因而对光源无特殊程差很小，接近于等程干涉，因而对光源无特殊要求。要求。5)5)剪切干涉仪属于等程干涉，对外界干扰不甚灵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敏，无防振条件下也能清晰(qngx)(qngx)、稳定地观、稳定地观测干涉条纹。测干涉条纹。6)6)成本费用极低，体积小，便与携带。成本费用极低，体积小，便与携带。应用应用剪切干涉仪主要用作测定光学零件的面型、光学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。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。用的干涉形式。第9页/共16页第十页，共16页。全息全息(qunx)径向剪切干涉仪径向剪切干涉仪 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(pnl)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第10页/共16页第十一页，共16页。全息全息(qunx)径向剪切干涉仪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(y)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(gungxu)元件的F#必须大于波带板的F#第11页/共16页第十二页，共16页。激光激光(jgung)干涉仪干涉仪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 mirrors 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.第12页/共16页第十三页，共16页。激光激光(jgung)干涉仪干涉仪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 beams polarization direction needs to be at 45 deg relative to the retarders 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 mirrors travel,detector 1 leads or lags（落后(lu hu)）detector 2.This phase information can then be used to deduce（推断）direction and therefore the position of the mirror.第13页/共16页第十四页，共16页。激光激光(jgung)干涉仪干涉仪Figure shows a simple schematic（原理(yunl)）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）ofwhere 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 f1 f2(the beat frequency corresponds to zero velocity).A phase detector is then used to measure the phase between the reference and the measured signals.第14页/共16页第十五页，共16页。第15页/共16页第十六页，共16页。