激光干涉测量技术(合肥工业大学).ppt
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1、激光测量技术,Laser Measurement Technology,第二章 激光干涉测量技术 2.1 激光干涉测量长度和位移,一、干涉测长的基本原理,激光干涉的条件 1.频率相同 2.相位差初始恒定 3.振动方向相同(非正交) 4.小于波列长度(1/),干涉数学表达式: 设两路激光分别为,E1 = A cos(t + 1 ) E2 = B cos(t + 2 ),则合成有: E = E1 + E2 = A cos(t + 1 ) + B cos(t + 2 ) = A cos(t + 1 ) + B cos(t + 1 ) = A cos(t + 1 ) + B cos(t + 1 ) c
2、os + B sin(t + 1 ) sin = ( A + B cos ) cos(t + 1 ) + B sin sin(t + 1 ) = A cos(t + 1 + 2 ), = 1 - 2,2 = arctan,A + Bcos ABsin,A = A2 + 2 AB cos + B 2 I A2 + 2 AB cos + B 2,2, 2 ,2,2, ,nl ),= 2,光的相位与走过的光程有关: A cos(t + ) = B cos(t + 0 ,2 ,nl ),满足相干条件时有 A cos(t + ) = B cos(t + 0 I A + B + 2 AB cos (n1l
3、1 n2l2 ) 条纹可见度,M =,I max I min 2 AB I max + I min A + B 2,结论 合成干涉光的光强是两路光的光程差的余弦函数 I A2 + B 2 + 2 AB cos ,当,2 ,N N = ni li n j l j i =1 j =1 (n1l1 n2l2 ) = 2k 合成干涉光光强最大, 光越亮,2 当 ,(n1l1 n2l2 ) = (2k + 1) 合成干涉光光强最小, 光越暗,应用,光强调制,Icos,测量臂差,测量明暗变化次数,可测量臂差,测量折射率,L均固定, 只有一处折射率变化,传感器,通过物理量引起n或者L的变化,测出其变化,,再
4、经过处理,反演出物理量的变化,n均固定/已知, 一路光的光程固定, 由下公式可知,即测 量位移和长度 N N = ni li n j l j i =1 j =1 通过测量光强的变化的次数,测量某臂的光程变化: 所以激光干涉测量一般是:,1. 相对测量,2. 增量式测量,3. 中间过程不可忽略,要监视整个测量测量的过程,以Michelson干涉仪为例:,开始测量时,两束光的光程差为 1 = 2n(Lm Lc ) 测量结束时,两束光的光程差为 2 = 2n(Lm + L Lc ) = 2nL + 1 光程差变化量 d = 2 1 = 2nL 移动距离,L = K, 2,二、测量系统组成,1.激光干
5、涉系统,2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统,(一)干涉仪系统,主要包括:光源、分束器、反射器、补偿元器件 1. 激光干涉仪常用光源,He-Ne激光器:激光的功率和频率稳定性高、,连续方式运转、在可见光和红外光区域有谱线,1. 干涉仪常用分束方法,(1)分波阵面法,(2)分振幅法,(3)分偏振法(PBS),3. 常用反射器,(1)平面反射器,(2)角锥棱镜反射器 (3)直角棱镜反射器 (4)猫眼反射器,4.典型的光路布置 布置原则: 1) 共路原则 消除振动、温度、气流等影响 2 )考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性 等因素 3)避免光返回激光器 (1)使用角锥棱镜,双角锥棱镜光路,
6、单角锥棱镜光路,两半反半透镜一体化光路,双光程光路,(2)整体布局,优点:抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力、灵敏度高一倍 缺点:不方便、吸收严重,(3)光学倍频,(4)零光程差的结构布局,(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统 干涉条纹计数的要求: 能够判断方向, 避免反向、大气、环境振动以及导轨的误 差影响,能够细分, 提高分辨率 这样需要相位相差90度的两个电信号输出, 即一个按光程正弦变化,一个余弦变化,常用移相器种类 (1)机械法移相,形成等厚干涉,特点: 简单,条纹间距易变,使 信号不完全正交 属于分波阵面移,相,容易受大气扰 动引起波阵面畸变 的影响。,(2)阶梯板和翼形板移相,属于
7、分波阵面移相,容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响,(3)金属膜移相 原理: 利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差 的原理,在分光器的分光面上镀上金属膜做成金 属膜分幅移相器 优点是两光束受 振动和大气扰动 的影响相同,元 件少,结构紧凑。,两反 两透,均一透一反,缺点是两相干光 束的光强不 同,影响条纹对 比度,(4)分偏振法移相,特点:,结构较复杂,不受大气影响, 可靠,2.干涉条纹的计数及判向原理,当1 3 2 4 定义为正向,当存在反向时1 后边出现的应该是? 所以只须判断第二和第四信号的,脉冲次序即可,由于相差为90度, 一个计数对应的,是0.25个波长,所以L=K/8, 分辨率
8、提高4倍,称,为四倍频计数,如何提高分辨率(细分)?,= 2,三、条纹的对比度,定义: 明暗变化的比值,M =,I max I min 2 AB I max + I min A + B 2,1.明暗变化的强度越大, PD感测出的信号信噪比越好 2. 当两干涉光的光强相等时, 对比度越好 3.影响干涉条纹对比度的因素: 相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素 如振动、热变性等,四、应用举例,1.激光比长仪,2.激光跟踪干涉仪,3.Renishaw新型单频激光干涉仪,4. 激光小角度干涉仪,H = k, 4, = arcsin,H R,H = k, 8, = arcsin,H R,小角度测量仪
9、: 测量范围一般在1以内,最大测 量误差 0.05 ,采用下图,可达95 ,测量精度,0.3,2.2 激光外差干涉测量系统,传统干涉测量系统的特点,1.测量精度高,前置放大器为直流放大器 2.对环境要求高, 不允许光强有较大的变化 3.抗干扰能力差,一般工作在恒温、防震条件下, 在某一光臂中引入一定频率的载波,被测信息通,过载波传递,使前置放大器可采用交流放大器, 可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移,可 在现场稳定工作, 这种利用外差技术的干涉仪,称为外差干涉仪或,者交流(AC)干涉仪, 解决:,1、滤掉了背景噪声,2、 滤掉了直流放大器的噪声,一、Zeeman双频激光干涉仪,B sin(
10、t + ),( t ( 1,E = E1 + E2 = A cos(1t + 1 ) + B cos(2t + 2 ),= A cos(1t + 1 ) + B cos(1t + 1t (1 2 )t (1 2 ) = Acos( 1t +1) + Bcos( 1t +1)cos +) + Bsin(t +1)sin t +) = ( A + B cos(t + ) cos(1t + 1 ) + B sin(t + )sin(1t + 1 ),= A cos(1t + 1 + 3 ), = 1 - 2 = 1 - 2 3 = arctan A + B cos(t + ),A = A2 + 2
11、AB cos(t + ) + B 2 I A2 + 2 AB cos(t + ) + B 2,0,t,2、测量臂 由于M2的运动由Doppler效应知:,f =,2v c, f =,2v ,测量镜移动距离L为,L =,0,t,vdt =,0,t, 2,fdt =, t 2 0,fdt =, 2, N,其中 N =,fdt =,t f 0, t 为记录下来的累计脉冲数,电路静态频率 f1 f 2,动态频率,f1 f 2 f,为不失真,应满足 f1 f 2 3f Zeeman: 频差1.5-1.8MHz 允许测量速度约为150mm/s,测量角度,1,t,0,t,0,0,测量空气折射率,f n =,
12、2v c,f,v = L dn / dt,f n =,2 L 0, dn / dt,0,t,f n dt = ,nm,2L 0, dn,nm 1 =,2 L 0,f n dt =,0 2 L, f t = 2 L N,2.2.2 声光调制双频外差干涉仪,1.声光调制器,2.声光调制双频外差测振仪,2.4 激光全息干涉测量系统 全息的来源: 1948年盖伯(D.Gebar)提出用一个合适的相干照射 全息图,透射光的一部分就能重新模拟出原物的 散射波前,于是重现一个与原物非常逼真的三维 图像。1960年激光的出现促进了全息照相术的发 展,全息术得到了不断完善,为此他荣获1971年 诺贝尔物理学奖,
13、应用:全息测量系统 全息存储 全息防伪,无损检测 全息电影,每毫,一、全息技术的基本原理,其过程分:,1、 全息图的记录 2、物光波再现,1、全息图的记录,普通照相:记录了光的光强和颜色(频率)每毫,米只能记录50100个条纹 记录介质:银化物,全息图: 记录了波前信息:光强及相位,米记录1000个以上条纹 记录介质:卤化银乳胶 和重铬酸盐乳胶,0,设 物光:E0=A0ej0,则干板前的光强和相位分布,应该为x、y的函数,即,E0=A0(x,y)ej (x,y),参考光束: 平面波,E0=Arejr r=2sini/y,所以: E0=Arejr = Arejay,0 r,所以干板上的光强分布:
14、 I(x, y) = (E0 + Er )(E* + E* ),= Ar 2 + A02 (x, y) + Ar A0 (x, y)e j(ay - j(x, y) + Ar A0 (x, y)e-j(ay - j(x, y) = Ar 2 + A02 (x, y) + 2Ar A0 (x, y)cos(ay - j(x, y),Ar 固定和参考光相位ay是已,知规律变化的,所以: 干板记录的信息主要是 记录了物光的光强及相位信息,经过一定时间的照射, 完成曝光,然后把干板 取下,经显影、定影、制成全息底片 以上过程称为全息记录,2.物光波再现,全息底片的透射率是t(x,y)是记录过程时曝光光
15、 强的非线性函数, 取线性部分,则有,重新复位全息底片,并去掉物,体及物体照射光束,2 2,+,2 2,2,2,e,3,Ee (x, y) = t(x, y)Er,= m(Ar + A0 (x, y) + Ar A0 (x, y)e,j(ay -0 (x, y),Ar A0 (x, y)e,-j(ay -0 (x, y),) Ar e,jay,= m(Ar + A0 (x, y)Ar e +mAr 2 A0 (x, y)e j0 (x, y) j2ay -j0 (x, y) +mA0 (x, y)Ar e,jay,1,0,1. 参考光的透射光束 幅度被物光调制,方向不变,m(Ar 2 + A0
16、2 (x, y)Ar e jay,2. 与物光光波相同的透射光波 Ar 2 A0 (x, y)e j0 (x, y) 方向不变, 光强变化mAr2倍,3. 与2共轭的汇聚光波 方向与2共轭,光强变化mAr2,mA0 (x, y)Ar 2 e j2ay e,-j (x, y),倍,相位叠加了一线性值,3.全息干涉条纹的调制度 I(x, y) = Ar 2 + A02 (x, y) + 2Ar A0 (x, y)cos(ay - j(x, y),= Ar 2 + A02 (x, y)1 + 2Ar A0 (x, y) M = Ar 2 + A02 (x, y),2Ar A0 (x, y) Ar 2
17、 + A02 (x, y),cos(ay - j(x, y),物光对参考光的相位和幅值进行了调制 M成为振幅调制度, 0 M 1 当严格按照余弦分布, 也称条纹对比度 4.全息技术对光源的要求 同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出; 具有为满足光束的干涉和衍射所必须的时间相干性和空间相干性,全息照相的特点:,三维立体图(或四维) 彩色图片,永不变颜色 不可撕毁性(冗余度大),一次拍摄,可以得到两个图像(原始像和共轭象),单纯的全息技术应用:,1、全息图像显示:,照片;图片;邮票;书籍、杂志的,封皮与插页等,2、包装、装潢和防伪:,产品的包装、标牌和商标;饰品; 广告;装潢;人民币;银行
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