激光干涉仪原理

子任务一　激光干涉仪原理

一、任务

学习如图4.1所示激光干涉仪的原理。

图4．1　激光干涉仪

二、任务准备

激光器、干涉镜、磁性表座、手提电脑、电缆、激光器支架。

三、任务实施

1．干涉镜原理

干涉镜包括一个单一波长(单色)的光源、一个半银色透镜以及两个反射镜。

(1)基本干涉镜(见图4.2)

图4．2　干涉镜原理

由光源发出的光线在半银色透镜表面分开，一半的光呈90°反射至一个固定距离的透镜，剩余的一半则透过至一个可移动的透镜。这两个透镜互相准直，以使由它们反射的还原光束互相平行，并一同向观察者反射过去。若这两个透镜与半透镜的距离完全相同，则光束会同步到达观察者处，并发生相长性干涉，使光更为明亮。若可移透镜放得远一点，如其位置偏移约四分之一个波长，则光束会以180°的相位差向观察者异步射回，并发生相消性干涉，而产生较暗淡的光。因此，观察者可以计算透镜移动时的闪光次数来测量可移透镜所移动的距离。

(2)相长性干涉(见图4.3)

图4．3　相长性干涉振幅

当两个波长相同的光束波形同步射出时，其波峰位置一般重合，故称为“相长性干涉”。在相长性干涉的情况下，输出波的振幅等于两个输入波的振幅之和。

(3)相消性干涉(见图4.4)

当两个相干光束波形以180°的相位差异步射出时，一个输入光束的波峰位置一般与另一个输入光束的波谷位置重合，故称为“相消性干涉”。在相消性干涉的情况下，两个输入波会互相抵消而产生暗淡的光。

(4)XL激光器系统(见图4.5)

图4．4　相消性干涉振幅

图4．5　XL激光器系统

将一个反光镜接至分光镜，形成一个固定长度的基准臂;而另一个反光镜可以相对于分光镜移动，形成可变长度的测量臂。从XL射出的激光束①有单一频率，其标称波长为0.633μm，且其长期波长稳定性(真空状态)高于0.1×10^－6。当此光束抵达分光镜时，会被分为两道光束:一束反射光②和一束透射光③。这两束光射向各自反光镜，然后透过分光镜反射回去，在激光头内的探测器中形成一束干涉光束。若光程差没有任何变化，探测器会在相长性干涉和相消性干涉的两极间找到稳定的信号。若光程差有变化，探测器会在每一次光程改变时，在相长性和相消性干涉的两极间找到变动的信号。这些变化(干涉条纹)会被计算出并用来测量两个光程间的变化。测量的光程就是栅格数乘以光束大约一半的波长。

2．线性测量原理

(1)线性测量光学设定(见图4.6)

要对线性测量进行设定，需使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上。这个组合装置称为“线性干涉镜”，它形成激光光束的参考光路。线性干涉镜放置在XL激光头和线性反射镜之间的光路上，分光镜机架上标有两个箭头，分别指向两个反射镜。

(2)线性测量原理

来自XL激光头的光束进入线性干涉镜，在此光束被分成两束。一束光(称为参考光束)射向装在分光镜上的反射镜，另一束光(称为测量光束)则穿过分光镜到达另一个反射镜。然后，两束光都被反射回分光镜，在此它们重新组合并被反射回到激光头，激光头内的探测器监测两束光之间的干涉。在线性测量过程中，一个光学组件保持静止不动，另一个光学组件沿线性轴移动。通过监测测量光束和参考光束之间的光路差异的变化，产生定位精度测量值(注意，它是两个光学组件之间的差异测量值，与XL激光头的位置无关)。此测量值可以与被测机器定位系统上的读数比较，获得机器的精度误差。通常，将反射镜设定为移动光学部件，将干涉镜设定为静止部件，如图4.6所示。二者可以反过来，但是最大测量距离将从40m(133ft)缩短为15m(49ft)。因此，在长轴上测量时，通常线性干涉镜静止不动，而另一个反射镜移动;在短轴上测量时，为了方便它们可以反置。

图4．6　线性测量光学设定

温馨提示

值得注意的是，激光束的波长取决于其所通过的空气折射率。由于空气折射率随温度、压力和相对湿度而变化，用来计算测量值的波长值可能需要加以补偿，以配合这些环境参数的改变。实际上，此类补偿只有在进行线性位移(定位精度)测量而两光束光程差变化很大时才需要。