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1、激光专业实验（四）精密位移量的激光干涉测量方法一、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一格林（Twyman-Green）干涉系统，T—G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。干涉条纹激光通过扩束准直系统1。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：f/（Z）=Aelkz（1）式中A——平面波的
2、振幅，为波数，人——激光波长A此平面波经半反射镜BS分为二束，一束经参考镜M,，反射后成为参考光束，其复振幅⑴用下式表示Ur=AK•（2）式中Ar——参考光束的振幅，恥（zR）——参考光束的位相，它由参考光程^决定。另一束为透射光，经测量镜反射，其复振幅Ut，用下式表示：t/,=V砌（3）式中A,——测量光束的振幅，（）），（zt）——测量光束的位相，它由测量光程决定。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T(x，y)由下式决定式中="*+",，(7*=U"R+U
3、；,而U*，UK*,Ut*为U,Uk,Ut的共轭波。当反射镜吣与沁彼此间有一交角20,并将式(2),式(3)代入式(4),且当0较小，即sine^e时，经简化可求得干涉条纹的光强为：/(x,y)=2/0(l+cos々/2的(5)式中Ifl激光光强，/光程差，I=zR-Ztc式(5)说明干涉条纹由光程差i及e来调制。当e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l=N~⑹2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
4、射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量AL。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U将条纹成在探测器上，实现计数。0测量灵敏为：当阿，彻1，图2A=0.63//m（He-Ne激光），则A/=0.3"m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△/=0.03//m1235618三、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L，)，由分光镜14（即图1中BS）分
5、成二束光，分别由反射镜16（即图1中的虬），18（M2）反射形成干涉条纹并经成像物镜20（即图1中U）将条纹成于CMOS23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、实验步骤公共部分：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CM0S23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。注：以下所有实验的开始步骤均同公共部分本实验步骤1、扩束2、在组合工作台16,18上分别装平面反射镜，调节工作台16
6、,18上调平调向测微器，使二路反射光较好重合（在成像物镜20后焦面上，两反射光会聚的焦斑重合）3、打开计算机，然后微调工作台上测微器，在显示屏上看见干涉条纹4、调整CMOS在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23,再调节可调光阑22孔径位置，滤除分光镜寄生干涉光5、测量程序操作参见软件操作说明书数字干涉测量方法实验目的：1、了解激光干涉的近代方法一一数字干涉的原理及方法；2、掌握干涉的试验检测技术；3、了解数字干涉技术的特点及应用场合。实验原理：数字干涉测量技术是一种波面位相的实时检测技术。此方法
7、同时检测被检波面上的多个点的光强后进行傅立叶展开，且在光强变化的周期内对同一坐标上的点进行多次测量，在对多个周期的测量数据求平均值。其原理图如图2所示图2Twyman-Greer^Sj字千涉仪实验系统中参考镜Ml镜由压电陶瓷驱动，产生周期性的轴向振动。设参考镜的瞬时位移为人，被测表面的形貌为/)，则参考光路和测试光路可分别用下式表示：UR=exp[/2々(厶+/,)]UT=exp{/2^[£+w(x,y)]}(7)相干产生干涉条纹的瞬时光强为：/(x,y,/;.)=Aj(+Ay2+2AtArco
8、s2k[w(x,y)-/z](8)由上式可知干涉图像内任一点的瞬时光强总是7,•的余弦函数。若7,•随时间变化，则干涉场的光强受到调制。参考镜每移动半个波长，则干涉条纹明暗变化一个周期。若7/随时间作线性变化时，干涉场中各点光强随时间t作某一固定频率的余弦变化，其频率由厶的变化速率决定。若这个频率已知，就能利用通信理论从噪声中提取出信号，从而反推得到波面的相位信息。式(8)进行傅立叶展开得：Z(x,y,()=+axcos2Z:/z+/?,sin2kl}由正交归一性，可确定系数2即(
