光电测试技术-第4章 激光干涉测试技术.ppt

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1、光电测试技术哈尔滨工业大学第四章激光干涉测试技术9/17/20211概述历史进程：特点：具有更高的测试灵敏度和准确度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；较大的量程范围；在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。分类：另外还可以利用有关干涉图的接收和数据处理技术计算出点扩散函数、中心点亮度、光学传递函数等综合光学象质评价指标。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

2、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。干涉测试技术按光波分光方式按相干光束传播路径按用途分振幅式分波阵面式共程干涉非共程干涉静

3、态干涉动态干涉9/17/20212§4-1激光干涉测试技术基础1.1干涉原理与干涉条件1．干涉原理光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布为：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。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。9/17/20213§4-1激光干涉测试技术基础1.1干涉原理与干涉条件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在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干涉测

4、量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的位相差。静态稳定干涉场的条件9/17/20214§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹对比度可定义为式中，Imax、Imin分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和最小值。当Imin=0时K＝1，对比度有最大值；而当Imax=Imin时K＝0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。对目视干涉仪可以认为：当K＞0.75时，对比度就算是好的；而当K＞0.5时，

5、可以算是满意的；当K＝0.1时，条纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。9/17/20215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§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素①光源的单色性与时间相干性如图，干涉场中实际见到的条纹是λ到λ＋Δλ中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。当λ＋Δλ的第m级亮纹与λ的第m+1级亮纹重合后，所有亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条纹的限度为图4-1各种波长干涉条纹的叠加λλ+Δλ在波动光学中，把光通

6、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。9/17/20216§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素②光源大小与空间相干性干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响:由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图样都有很好的对比度。杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种

7、情况之间。图4-3光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响a)b)c)如取对比度为0.9，可得光源的许可半径在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然可以提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也随之减弱。当采用激光作为光源时，因为光源上各点所发出的光束之间有固定的相位关系，形成的干涉条纹也有固定的分布，而与光源的尺寸无关。激光光源的大小不受限制，激光的空间相干性比普通光源好得多。9/17/20217§4-1激光干涉测试技术基础1.2影响干涉条纹对比度的因素③相干光束光强不等和杂散光的影响设两支相干光的光强为I2=