精密位移量的激光干涉测量方法及实验.doc

激光实验学生姓名：陈延新 学号：111050104班级：应用物理1101 实验项目名称：激光实验一、实验目的：1 了解激光干涉测量的原理2 掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法3 了解激光干涉测量方法的优点和应用场合二、实验原理本实验采用泰曼格林（Twyman-Green）干涉系统，TG干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1所示。激光通过扩束准直系统L1提供入射的平面波（平行光束）。设光轴方向为Z轴，则此平面波可用下式表示： (1)式中A平面波的振幅，为波数，l激光波长此平面波经半反射镜BS分为二束，一束经参考镜M1，反射后成为参考光束，其复振幅UR用下式表示 (2)式中AR参考光束的振幅，fR（zR）参考光束的位相，它由参考光程zR决定。另一束为透射光，经测量镜M2反射，其复振幅Ut，用下式表示： (3)式中At 测量光束的振幅，ft（zt）测量光束的位相，它由测量光程Zt决定。此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x,y)由下式决定 (4)式中，而U*，UR*，Ut*为U，UR，Ut的共轭波。当反射镜M1与M2彼此间有一交角2q，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当q较小，即sinqq时，经简化可求得干涉条纹的光强为： (5)式中I0激光光强，光程差，。式(5)说明干涉条纹由光程差l及q来调制。当q为一常数时，干涉条纹的光强如图2所示。当测量在空气中进行，且干涉臂光程不大，略去大气的影响，则 (6) 式中N干涉条纹数因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，由式(6)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量DL。干涉条纹的计数，从图1中知道，定位在BS面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L2将条纹成在探测器上，实现计数。测量灵敏为：当N1，则（He-Ne激光），则如果细分N，一般以1/10细分为例，则干涉测量的最高灵敏度为三、实验光路 激光器1发出的激光经衰减器2（用于调节激光强度）后由二个定向小孔3，5引导，经反射镜6，7进入扩束准直物镜8，10（即图1中的L1），由分光镜14（即图1中BS）分成二束光，分别由反射镜16（即图1中的M1），18（M2）反射形成干涉条纹并经成像物镜20（即图1中L2）将条纹成于CMOS 23上（即D），这样在计算机屏上就可看到干涉条纹，实现微位移的测量。四、实验步骤1 开机，激光器1迅速起辉，待光强稳定；2 打开驱动电源开关；3 检查CMOS23上电信号灯亮否；4 调整光路时若移开反射镜4，13，扩束激光；移入反射镜4，13，不扩束激光。 进入实验室后，首先要熟悉实验台所用到的仪器和光学元件，注意不要用手七月触摸光学表面，并且要轻拿轻放，本实验不使用的器件应事先移开。打开电源开关，点亮he-Ne激光器预热，并等待其光强稳定，同时检查CCD上电信号灯是否点亮，打开PZT控制电源。1、激光扩束。在反射镜4的中间位置处，能够看到明亮的激光光斑，观察通过扩束透镜5 后，出射光斑是否 ，并经透镜6准直，调节光路时，可使用螺丝刀配合调节反射镜 背后的螺丝，使光斑均匀并能够正直通过透镜6.2、正确安装分光棱镜7，并在多功能试件夹8和组合工作台9上，分别装平面反射镜，使 光线通过分，光棱镜获得的反射光和折射光能够正常到达成像物镜10.3、调节工作台8,9上调平调向测微器，使二路反射光较好重合（在成像物镜10后焦面上， 两反射光会聚的光斑重合），由于光线经过多次的反射和折射，聚焦光斑不容易调节至 完全重合，所以要求实验者足够的熟悉调平向测微器，以便的到较好的干涉条纹。4、打开计算机，进入Csylaser综合软件系统。5、调整CCD11在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，后锁定CCD位置，在成像物镜10前， 可以选择安置可调光阑，便于滤除分光镜寄生干涉光，避免杂散光和环境光的干扰， 从而影响图像的分辨能力。6、实验采用压电陶瓷组合台装配反光镜9，随着压电陶瓷PZT在压电下形变，带动反 光镜产生微小位移，引起干涉条纹的移动，来测量微小微小位移量。采用程序界中的 PZT手动扫描，逐渐加电压，可以观察到条纹的移动，界面下方就会出现移动条纹数和 所对应的反光镜移动距离。7、记录实验数据，并计算出微小位移量，进行适当的误差分析。五、实验注意事项1、不可以用眼睛直视激光器出口，以免造成视网膜的损伤。2、光学的光学表面（如平面反射镜，分光棱镜的镜面）不得玷污或触摸，若不小心碰触元件的光学表面不可擅自处理，应报告实验室人员按操作规程妥善处理。3、玻璃器件应轻拿轻放，不要将玻璃器件移离桌面，以免落地损坏。4、调节光路之前，先适当调节衰减器，使光强变大，以利于调节光路，当光路调整完成，接入CCD前，应再将光强调节小，以免损坏CCD。5、注意分光棱镜的放置方向，使分得的两束光尽量能量相同。衍射圆环的 6、光路调整过程中，经准直透镜后，形成的光斑是均匀的圆形光斑，尽量避免衍射圆环的出现，影响成像质量。7、通过CCD接受到的是等间距的等厚干涉条纹，如果观察到的条纹出现弯曲，可以适当调节组合具台的