激光干涉测试技术.docx

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激光干涉测试技术

光电检测技术

---------第三次作业

班级：

机测控11

姓名：

***

学号：

**********

激光干涉测试技术

技术原理，示意图，影响因素及提高方法

▪特点：

Ø具有更高的测试灵敏度和准确度；

Ø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；

Ø较大的量程范围；

Ø抗干扰能力强；

Ø操作方便；

Ø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。

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：

Ø频率相同

Ø振动方向相同

Ø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。

影响干涉条纹对比度的因素

▪对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是：

Ø光源的时间相干性；

Ø光源的空间相干性；

Ø相干光束的光强不等；

Ø杂散光的存在；

Ø各光束的偏振状态差异；

Ø振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。

提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理

①光学倍频技术

分辨力

②光学相位细分技术

▪提高干涉仪分辨力，还可利用干涉条纹的相位细分技术。

可以把干涉条纹每变化一个级次，看作相位变化了360°。

从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为相位细分技术。

▪相位细分的方法有机械相位细分、阶梯板相位细分、翼形板相位细分、金属膜相位细分和分偏振法相位细分等。

③处理电路细分方法

▪电路细分方法有多种，如四细分辨向、计算机软件细分、鉴相法细分等。

▪综合来看，鉴相法细分的不确定度最小，使用灵活、方便、集成度高，适合于激光干涉信号的细分。

其输出的是模拟信号，分辨率高达2π/1000，但是鉴相范围较小（±2π）。

④干涉条纹计数与判向

激光斐索（Fizeau）干涉测试技术

▪概述：

▪光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统的检验中获得广泛应用。

▪在光学零件面型、平行度、曲率半径等的测量中，斐索型干涉测量法与在光学车间广泛应用的牛顿型干涉测量法（样板法或牛顿型干涉法）相比，属于非接触测量。

▪概述：

▪接触测量存在以下问题：

▪①标准样板与被测表面必须十分清洁；

▪②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；

▪③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。

▪斐索型干涉测量法中由于样板和被测表面间距较大，必须用单色光源，一般采用激光光源

①激光斐索型平面干涉仪的基本光路和原理

算例：

若h＝5mm，λ＝546.1nm，则θ<17‘。

若取f‘＝500mm，则d<5mm。

②影响测试准确度的因素

Ø3）杂散光的影响。

Ø平行光在标准参考平板的上表面和被测件的下表面都会反射一部分光而形成非期望的杂散光。

由于激光的相干性能非常好，这些杂散光叠加到干涉场上会产生寄生条纹和背景光，影响条纹的对比度

Ø消除该杂散光的主要措施是：

✓将标准参考平板做成楔形板，以使标准平板上表面反射回来的光线不能进入干涉场；

✓同样，将被测件做成楔形板或在它的背面涂抹油脂，也能消除或减小被测件下表面产生的杂散光影响；

✓整个系统的所有光学面上均应镀增透膜。

Ø4）标准参考平板的影响。

Ø标准参考平板参考面M1在干涉仪中是作为测量基准用的，主要要求是：

面形误差小；口径必须大于被测件。

Ø当标准平板口径大于200mm时，其加工和检验都很困难。

Ø为了保证参考平面面形精度

✓严格控制加工过程；

✓材料的线膨胀系数较小、残余应力很小；

✓安装时使之不产生装夹应力；

✓在高质量平面（如标准参考平面）的面形测量中，可以考虑用液体的表面作为参考平面。

Ø4）标准参考平板的影响——液体的表面作为参考平面

Ø地球的曲率半径约为6370km，当液面口径为1000mm时，液面中心才高出约0.1光圈，当口径为250mm时，液面才高出约0.005光圈。

Ø主要要求：

使液体处于静止状态（对测量环境要求严格控制，还应该选用粘度较大，本身比较均匀和清洁的液体。

）

Ø常常用作标准参考平面的液体有液态石蜡、扩散泵油、精密仪表油和水银等。

2.1激光斐索型平面干涉测量

③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度

▪1）测量原理

▪设干涉场的口径为D，条纹数

目为m，长度D两端对应的厚

度分别为h1和h2，有

▪

则平板玻璃的平行度为

③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度

▪2）测试范围的讨论

▪容易想象，当干涉场内的干涉条纹数m<1时，该方法就不能测量其平行度。

例如对直径D＝60mm的被测平板玻璃，n=1.5147，λ＝632.8nm，当时就测量不出来了。

▪另一方面，当干涉场中的条纹数目太密时，无法或比较困难分辨条纹，也无法进行测量。

假设用人眼来识别条纹，一般人眼的分辨能力为0.33mm，当n=1.5147，λ＝632.8nm时，容易算出

2.1激光斐索型平面干涉测量

③激光斐索平面干涉仪用于测量平行平板平行度

▪3）测量不确定度

▪根据间接测量不确定度的传递公式，可知

▪

▪由上式可见，在的测量中引起误差的主要因素是：

Ø①宽度D的测量不确定度；

Ø②干涉条纹数m计数的不确定度－影响最大；

Ø③折射率n的测量不确定度。

▪激光斐索型平面干涉仪测量平板玻璃平行度的标准不确

2.2斐索型球面干涉仪

①激光斐索型球面干涉仪基本原理

注意：

为了获得需要的干涉条纹，

必须仔细调整被测球面，

使被测球面的球心C与C0

精确重合。

3.1全息术及其基本原理

▪概念：

全息的概念早在1948年就由英国的Gabor提出。

所谓全息就是在摄影底片上同时记录物光波的振幅和位相的全部信息，通过再现，可以获得物光波的立体像。

▪全息术是一种两步成像技术：

Ø记录，即以干涉条纹的形式在底片上存储被摄物体的光强和位相；

Ø再现，即用光衍射原理来重现被记录物体的三维形状

3.1全息术及其基本原理

▪全息术与普通照相相比具有以下特点：

Ø三维性。

全息术能获得物体的三维信息，成立体像。

Ø抗破坏性。

全息图的一部分就可以再现出物体的全貌，仅成像的亮度降低、分辨力下降，而且全息图不怕油污和擦伤。

Ø信息容量大。

Ø光学系统简单，原则上无须透镜成像。

3.1全息术及其基本原理

①全息图的记录

▪设参考光波为

▪因为参考光波是平面波，

则振幅恒定，位相随y值变，

以O点为参考，任一点

P（x,y）的位相将比入射到

O点光波的位相延迟了

令则有

物光波的再现

▪如果处理过的全息干版的透过率和曝光光强成线性关系，则其透过率为

③全息术对光源的要求

▪由全息术的原理知道，全息图的记录和再现依赖于光的干涉和衍射效应。

因此，全息术对所用光源的要求不仅同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出，而且应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——一般选择激光器

④全息底片的要求

▪全息底片一般采用在玻璃板基片上涂敷一层光敏卤化物膜层（俗称照相乳胶）制成的全息干板。

对全息底片主要要求是分辨力。

一般干涉条纹的密度是800lp/mm。

因此，全息底片的分辨力要求是很高的，普通底片不能满足要求

激光干涉测试技术的应用

4.1激光干涉测试技术在地学中的应用

在地球科学中对地壳应变的测量是其中一个非常重要的环节，它能精确地测量出地壳受太阳或月亮作用而形成的固体潮应变，这样的应变通常都对应着非常小的相对位移量（亚纳米级），伸缩仪就是针对这样的应用。

它主要用于硐体应变固体潮及地震前兆地应变监测，同时也可用于大型精密工程、大型建筑、大坝等的应变测量。

地应变测量是测量地壳表面两点间的基线长度的相对变化量。

英国RENISHAW公司最新推出的XL-80激光干涉仪系统，具有1nm的分辨率、0～80m的线性测量长度范围。

这一系统可以达到

的相对精度，其精度同伸缩仪相当。

并且同伸缩仪相比，激光干涉仪有着可以溯源这样一个巨大的优势。

因此，运用激光干涉仪系统进行地壳应变测量已成为地学科研的重点。

同样，激光干涉仪还被运用到绝对重力仪中。

绝对重力测量就是直接测量其重力加速度。

绝对重力仪利用自由落体原理，采用上抛下落或直接下落的方式，结合迈克尔逊激光干涉条纹的原理，激光记录每个时刻自由落体的位移和速度，通过位移和速度的精确测定计算重力加速度。

仪器的主要部件是激光干涉仪，用于跟踪自由下落的三棱反射镜的运动。

绝对重力测量是以测量加速度的距离和时间这两个基本量作为基础来观测传感器件在重力场中的自由运动。

现在的绝对重力仪分辨率已达到110-9ms

，系统重复性5.010-8ms

，准确度5.010-8ms

。

同时，日本有报道，利用超高灵敏度激光干涉仪实现测量重力波的计划，这将是激光干涉技术在地学中一个重大应用的突破。

应用双频激光干涉仪可以标定数字水准仪的精度。

以往采用的办法是用野外观测的方法，即通过往返闭合差、高差闭合差或与己知高程点的成果进行比较来评定仪器的精度。

这种方法野外工作量大，精度受到外界和观测者以及已知点成果精度等的影响，不能较客观地评定仪器本身的精度，也不适合于对仪器的检测。

而使用双频激光干涉仪与一个标尺，可以达到大于3μm的测量精度：

将条码尺置于竖直导轨上，在其尺底端安置双频激光干涉仪的反射棱镜用45°直角棱镜将激光束转向。

水准尺的上下移动经过转向后，将其位移量直接反映到双频激光干涉仪上，从而实现对数字水准仪的标定。

4.2激光在位移传感器中的应用

利用激光干涉仪对位移传感器检定成为发展趋势，其特点是测量精度高、反应速度快、易于数字化测量。

在测量中设计一个精密导轨，将反射镜同被测传感器放在一起同步检测，从而形成对比。

位移传感器自动检定系统与HP干涉仪（标准）对定长位移进行测试对比，得出往复测试实验结果。

实验环境:

室温18℃；相对湿度：

52％RH；气压：

754mmHg。

给出的位移检定系统的读数与激光干涉仪读数，其差值小于±2.0μm，这一误差完全满足预期的研究指标要求（不大于±2.5μm）。

4.3激光在数控机床检定中的应用

激光干涉仪可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线位置测量、误差修正和控制。

双频激光干涉仪的最大特点是在具有强大的排除干扰能力的情况下还具有非常高的精度，其分辨率可以达到纳米级，从而可以大大提高制造领域的制造精度。

双频激光干涉仪与不同光学附件结合，可以测量距离、直线度、垂直度、平行度、平面度。

由于仪器为模块化结构，安装位置灵活，便于分析机床误差来源；而且测量时可以在工作部件运动过程中自动采集数据，更接近机床的实际使用状态。

与传统的检定方法相比，激光干涉仪具有较高的精度和效率，并能及时处理数据，为机床误差修正提供依据。

位置精度是机床的重要指标，目前各国机床检定标准中都推荐使用激光干涉仪。

因此，用双频激光干涉仪检测机床各项误差是一种用传统测量手段难以实现的技术。

4.4激光在光学检测中的应用

利用干涉仪可检验球面光学元件：

检测时不需要补偿器，需调整干涉仪使会聚透镜的焦点和球面反射镜的球心重合；如果反射镜是完好的，当准直光经过会聚透镜到达反射镜时，光波与被测反射镜面相吻合，这样光线原路返回，在经过会聚透镜后，又是准直光，当它与参考准直光干涉时，就得到无条纹或等间距直条纹的理想干涉图。

利用干涉仪还可测量非球面或非球面顶点曲率半径，都是利用自准直法，但要使参考光波与测试光波相干，并得到所需的干涉条纹，需要通过轴向移动和横向倾斜被测非球面，精确调整出射波面经被测非球面后能原路返回，从干涉条纹的形状来判断。

4.5激光干涉在科研方面的应用

美国NIST研制的分子测量机，被测样板的最大尺寸是50×50×25（mm），垂直测量范围是100um，用AFM或STM作测头，三维量位置精度用在真空中的激光干涉仪保证，它是用于研究和测量原子标尺和微电子尺寸参数标准的基础性仪器。

英国国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器测量范围的理论框架，研制的微形貌纳米测量仪器测量范围为0.01nm~3nm和0.3~100nm。

日本国家计量研究所（NRLM）研制了由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所已开始研究一些基本常数的精密测量加硅晶格间距等问题。

Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0.2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。

清华大学、南昌大学、江西省科学院等采用扫描探针显微镜系列，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。

天津大学刘安伟等在量子隧道效应的基础上，建立了适用于平坦表面的扫描隧道显微镜微轮廓测量的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。

清华大学李达成等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器以稳频半导体激光器作为光源，共光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其纵向和横向分辨率分别为0.39nm和0.73μm。

中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等，提出了一种通过测量双法布里—柏罗干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法，进行纳米测量的理论基础，给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。

中国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了一台使用光学偏转法检测的原子力显微镜，通过对云母、光栅、光盘等样品的观测，证明该仪器达到原子分辨率，最大扫描范围可达7μm×7μm。

浙江大学卓永模等研制成功双焦干涉球面微观轮廓仪，解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题，该系统具有0.1nm的纵向分辨率及小于2um的横向分辨率。

中国计量科学研究院研制了用于研究多种微位移测量方法标准的高精度微位移差拍激光干涉仪。

中国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范围纳米测量的差拍法——珀干涉仪，其分辨率为0.3nm，测量范围士1.1μm，总不确定度优于3.5nm。

5应用前景

这里仅从已经显现出来的趋势加以预测。

１）光源：

除了可见光，今后，微波、红外、紫外、X射线都会得到应用，以适应绝对距离测量、纳米测量的需要。

半导体激光器的性能将得到不断的改善，取代某些气体激光的应用领域，甚至有更新的光学（如光子晶体器件）出现。

２）探测器：

光频在

数量级，为测量信号提供了充足的带宽，这对于通信也是可喜的。

但是，目前探测器的相应频率只达到

Hz量级，光频优点不能被充分发挥。

因此，必然有很大的投入来提高探测器的相应频率。

一旦探测器的频率得到显著提高，用时间和光速直接表达距离将会十分简便，干涉仪的结构和性能必能随之变化。

３）信号处理系统：

在适应环境、消除噪声、误差修正处理、测量数据速度和可靠性等方面有明显提高。

前述的设计原则会被更广泛和自觉地应用。

４）光学系统：

光学系统的集成和小型化将会有明显进展、波导、光纤、二元光学器件、半导体激光器、非线性光学器件等的集成将得到应用

参考文献

1.《光学技术》期刊简介 

2,《光学学报》JinGuofan,LiJingzhen.LaserMetrology.Beijing:

SciencePress,1998.162~165（inChinese）

金国藩，李景镇.激光测量学.北京：

科学出版社,1998.162~165

3.《光学与光电技术》华中光电技术研究所;湖北省光学学会

4.《应用光学》中国兵工学会主办期刊

5《光学精密工程》主编：

曹健林ISSN:

1004-924X;CN:

22-1198/TH出版周期：

月刊