激光干涉测试技术V

激光干涉测试技术V第1页，课件共32页，创作于2023年2月传统的高精度三维形貌测量方法:接触测量采集速率几个坐标/每秒;工件尺寸有限;对非平面形貌测量精度低。三坐标测量机第2页，课件共32页，创作于2023年2月接触测量存在以下问题：标准样板与被测表面必须十分清洁；清洁工作多拿在手中擦试，由于体温的影响，影响测试准确度；样板有一定重量压在被测表面上，必然会产生一定的变形，尤其是对大平面零件;因此高精度曲面，曲率测量都使用激光干涉的非接触测量方法。第3页，课件共32页，创作于2023年2月历史进程17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹，人类从此开始注意到了干涉现象。1801年托马斯·杨(ThomasYoung)完成了著名的杨氏双缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。1860年麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。1881年迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量“以太”漂移。1960年梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期。1982年G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳米分辨率和准确度前进的新时代。第4页，课件共32页，创作于2023年2月§1光的电磁波理论基础第5页，课件共32页，创作于2023年2月光是某一波段的电磁波光波是横波：振向和传向垂直

HE方向：电场波动方向；H方向：磁场波动方向。第6页，课件共32页，创作于2023年2月(1)在电磁波的传播速度:(2)折射率:v：光频率相对介电常数

相对磁导率

第7页，课件共32页，创作于2023年2月

(3)可见光的波长范围350nm-780nm:波长大气透射率第8页，课件共32页，创作于2023年2月光波是电磁波，在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E,我们将电场强度E称为光矢量。光在不同介质中，频率不变，但光速不同，波长不同。真空中介质中第9页，课件共32页，创作于2023年2月

光的电磁波理论基础：简谐振动的旋转矢量表示法t=0t时刻逆时针旋转参考圆振幅矢量O第10页，课件共32页，创作于2023年2月光的电磁波理论基础:

单色光的光矢量公式

—圆频率

—

光频率E0

—

振幅

—

初相位第11页，课件共32页，创作于2023年2月光的电磁波理论基础:指数形式的光矢量公式光强公式：*表示共轭第12页，课件共32页，创作于2023年2月§2激光干涉测试技术基础第13页，课件共32页，创作于2023年2月满足的光程差相同的点，形成的暗线叫暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。其中m是干涉条纹的干涉级次。1．干涉原理：光波的叠加原理两束相干光波在空间某点相遇，产生的干涉条纹光强分布：位相差两光束到达某点的光程差满足的光程差相同的点，形成的亮线叫亮纹。2.1干涉原理与干涉条件第14页，课件共32页，创作于2023年2月2．干涉条件通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：频率相同振动方向相同恒定的位相差

静态稳定干涉场的条件第15页，课件共32页，创作于2023年2月干涉条纹对比度可定义为Imax、Imin

分别为干涉场中光强的最大值和最小值。K＝1，对比度有最大值,Imin=0；K＝0，条纹消失,

Imax=Imin。K＞0.75，对比度优秀；K＞0.5，对比度满意的；K＝0.1，条纹尚可辨认，但是相当困难。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。2.2影响干涉条纹对比度的因素第16页，课件共32页，创作于2023年2月①光源的单色性干涉场中的干涉条纹是[λ,λ＋Δλ]

之间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。当λ＋Δλ的第m级亮纹λ

的第m+1级亮纹重合后，之后所有亮纹开始重合，干涉条纹消失。图3-1

各种波长干涉条纹的叠加λλ+Δλ干涉条纹消失的条件第17页，课件共32页，创作于2023年2月由此得最大干涉级m＝λ/Δλ

，与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为在波动光学中，把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，其实质就是可以产生干涉的波列持续时间，（其对应产生干涉的两列波的光程差）。因此，激光光源的时间相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时间相干性。第18页，课件共32页，创作于2023年2月②相干光束光强不等的影响设两支相干光的光强为I2=nI1，则有对比度K与两支干涉光强比n的关系可见，没有必要追求两支相干光束的光强严格相等。尤其在其中一支光束光强很小的情况下，人为降低另一支光束的光强，甚至是有害的。因为这会导致不适当地降低干涉图样的照度，从而提升了人眼的对比度灵敏阈值，不利于目视观测。第19页，课件共32页，创作于2023年2月2.3干涉系统的分类第20页，课件共32页，创作于2023年2月在普通干涉仪中，由于参考光束和测试光束沿着分开的光路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的影响是不同的。因此，在干涉测量过程中，必须严格限定测量条件，采取适当的保护措施，否则干涉场上的干涉条纹是不稳定的，因而不能进行精确的测量。这类干涉仪，称为非共程干涉仪。若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为共程干涉仪-斐索干涉仪。共程干涉和非共程干涉抗环境干扰；在产生参考光束时，通常不需要尺寸等于或大于被测零件的光学标准件。第21页，课件共32页，创作于2023年2月§2激光干涉测试技术第22页，课件共32页，创作于2023年2月基本原理在一段单模光纤中传输的相干光,因待测能量场的作用,而产生相位调制。目前干涉传感器中采用四种不同的结构:1.迈克尔逊;2.马赫-泽德;3.萨格奈克;4.法布里―珀罗。第23页，课件共32页，创作于2023年2月分束器使激光器输出的一部分光向上反射到固定平面镜。这些光被固定平面镜反射回分束器,于是一部分光透射到光检测器,另一部分光被反射回激光器。激光器输出的另一部分光透过该分束器,被活动平面镜反射回分束器,一部分光被该分束器反射到光检测器。另一部分光透过分束器返回激光器。如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光程差小于激光器的相干长度,那么透射到光检测器的两束光就可能互相发生干涉。每当活动平面镜移动1/2光波长的距离时,检测器的输出就从最大值变到最小值,然后再变回最大值。采用这种技术在He-Ne激光器的红光情况下,它可以检测平面镜小到10-7μm,即0.63×10-13m的位移。AlbertAbrahamMichelson迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝尔物理学奖金。

迈克尔逊(Michelson)干涉仪第24页，课件共32页，创作于2023年2月迈克尔逊干涉仪第25页，课件共32页，创作于2023年2月分束器把激光器的输出光束分成两束。它们经上、下光路的传输之后又重新合路,使它们在光检测器处互相发生干涉。这种结构也可用于检测可动平面镜小到10-13m的位移。与迈克尔逊干涉仪相比,它的优点是:只有少量的或者没有光直接返回激光器,这就避免了反馈光使激光器不稳定和产生噪声。ErnstMach

马赫―泽德(Mach-Zehnder)干涉仪第26页，课件共32页，创作于2023年2月马赫―泽德干涉仪第27页，课件共32页，创作于2023年2月萨格奈克(Sagnac)干涉仪激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光检测器。如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动,那么两个光程的长度必然改变同样的数量,故在光检测器上不会检测到干涉过程中的变化。反之,如果使固定该干涉仪的台子绕着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转,那么沿顺时针方向传输的光束（即沿台子旋转方向传输的光束）必须追赶在同一方向运动的终端,而逆时针传输的光束则迎头撞向反方向运动的终端,因此,顺时针方向传输的光束就必然滞后于逆时针方向传输的光束。因此产生干涉。第28页，课件共32页，创作于2023年2月

萨格奈克干涉仪第29页，课件共32页，创作于2023年2月

由两块平行的部分透射平面镜组成的。这两块平面镜的反射率(反射系数)通常是非常大的,一般大于或等于95%。假定反射率为95%,那么在任何情况下,激光器输出光的