光电测试技术-第5章 激光干涉测试技术(5／6)

光电测试技术课件,哈工大,使用教材《光电测试技术》电子工业出版(2008)

光电测试技术第5章 激光干涉测试技术哈尔滨工业大学

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§5-5 激光外差干涉测试技术

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第5章 激光干涉测试技术

§5-5 激光外差干涉测试技术引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出 引言： 的电信号都是直流量， 的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重 要原因，信号处理及细分都比较困难。 要原因，信号处理及细分都比较困难。 为了提高光学干涉测量的准确度， 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电 通讯的外差技术移植到光干涉测量领域， 通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新 型的光外差干涉技术。 型的光外差干涉技术。 概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一 概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一 个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描， 个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经 光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号， 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相位差。 和计算机检出干涉场的相位差。 特点：克服单频干涉仪的漂移问题； 特点：克服单频干涉仪的漂移问题； 细分变得容易； 细分变得容易； 提高了抗干扰性能。 提高了抗干扰性能。 2010-11-24

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第5章 激光干涉测试技术

由于光电探测器的频率响 5-5 激光外差干涉测试技术 ω, § 应范围远远低于光频ω 应范围远远低于光频 它不能跟随光频变化，所 它不能跟随光频变化， 5.1 激光外差干涉测试技术原理 以式中含有2 以式中含有2ω的交变项 ①外差干涉技术原理 对探测器的输出响应无贡 对探测器的输出响应无贡 设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω + ω 设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+ ω,则 献。 干涉场的瞬时光强为

I ( x, y, t ) = {Er cos(ω + ω )t + Et cos[ωt + φ( x, y )]}

2

1 2 干涉场中某点(x,y) 干涉场中某点(+ 1 Et 2 { + cos 2[ωt + φ( x,y )]} = Er [1 + cos 2(ω + ω )t ] 1 2 处光强以低频 2 处光强以低频 ω随 + Er Et cos[(时间呈余弦变化 )] 2ω + ω )t + φ( x,y + Er Et cos[ ωt-φ( x,y )]

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i ( x, y , t ) ∝ Er2 / 2 + Et2 / 2 + Er Et cos[ ωt φ ( x, y )]

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第5章 激光干涉测试技术

扫描探测器( 扫描探测器(xi, yi) i(x, y, t)

§5-5 激光外差干涉测试技术5.1 激光外差干涉测试技术原理 t ①外差干涉技术原理 t 1/ ν / ν 基准探测器( 基准探测器(x0, y0) 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点( 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0, y0) 称之为基准探测器，其输出基准信号i 处

,称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0, y0, t),另 一个放在干涉场某探测点( 一个放在干涉场某探测点(xi, yi)处b)称之为扫描探测器， (,称之为扫描探测器， ( a) 输出信号为i 外差干涉图样和电信号 将两信号相比， 输出信号为i(xi, yi, t) 。将两信号相比，测出信号的过零 时间差 时间差 t,便可知道二者的光学位相差

φ( x, y ) φ( x0 , y0 ) = ω t = 2 π t /(1 / v)由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描， 由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以 测出干涉场各点的位相差。 测出干涉场各点的位相差。2010-11-24 5

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第5章 激光干涉测试技术

§5-5 激光外差干涉测试技术5.1 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 1)塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差 塞曼效应He-Ne激光器 激光器——可得到 可得到1 MHz的频差 2)双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz(较大) 双纵模He-Ne激光器 激光器——频差约 频差约600MHz(较大) 3)光学机械移频当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时， 当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的 参考镜以匀速 反射光将产生的频移为 ν =。 / λ 2v 如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片 如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于 旋转中的半波片， 半波片旋转频率f 的频移， 半波片旋转频率f 的频移，即 v = 2 f 。

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§5-5 激光外差干涉测试技术5.1 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 3)光学机械移频在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的 波片 在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如果 波片和一旋转的1/4波片， 固定1/4波片的主方向定位合适 波片的主方向定位合适， 固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变 为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片 使其产生2 波片， 为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生2f的 v = 2 f 频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后又恢复为线偏振光 波片后又恢复为线偏振光， 频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后又恢复为线偏振光，但 频率已发生偏移 。 垂直于入射光束方向移动(匀速)光栅的方法也可以使通过光栅 垂直于入射光束方向移动(匀速)光栅的方法也可以使通过光栅 移动 的第n 频移，此处f 是光栅的空间频率， 的第n级衍射光产生的 频移，此处f 是光栅的空间频率

, V是光栅移动速度。 是光栅移动速度。2010-11-24 7

v = nVf

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第5章 激光干涉测试技术

§5-5 激光外差干涉测试技术5.1 激光外差干涉测试技术原理 ②激光外差干涉仪的光源 4)声光调制器 利用布拉格盒(BraggCell) 利用布拉格盒(BraggCell)声光调制器可以起到与移动 光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动 光栅同样的移频效果。 光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频 光栅， 率f,而与光的波长无关。 而与光的波长无关。

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第5章 激光干涉测试技术

§5-5 激光外差干涉测试技术 2v 2 dt= 由于 fdt=∫t 0

∫

t

0

5.2 激光外差干涉测试技术应用 所以 ①激光外差干涉测长准直系统 1/4波片 f2

L = ±N

λ2

λ

=±

λ

λ ∫0t

t

2 vdt= L

λ

∫ f dt 20

偏振分光镜 v f1 可动角 隅棱镜

双频激光器 f2 f1 检偏器 探测器 前置 放大器 f2 f1± f f1± f

f2-f1

数 据 处 理

f2-(f1± f) -(f2010-11-24