位移的激光干涉测量

 
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－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。

激光通过扩束准直系统L1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：
   (1)
式中A¾¾平面波的振幅，为波数，l¾¾激光波长
此平面波经半反射镜BS分为二束，一束经参考镜M1，反射后成为参考光束，其复振幅UR用下式表示
           (2)
式中AR¾¾参考光束的振幅，fR（zR）¾¾参考光束的位相，它由参考光程zR决定。
另一束为透射光，经测量镜M2反射，其复振幅Ut，用下式表示：
   (3)
式中At ¾¾测量光束的振幅，ft（zt）¾¾测量光束的位相，它由测量光程Zt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I(x,y)由下式决定
                                   (4)
式中，而U*，UR*，Ut*为U，UR，Ut的共轭波。
当反射镜M1与M2彼此间有一交角2q，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当q较小，即sinq@q时，经简化可求得干涉条纹的光强为：
                          (5)
式中I0¾¾激光光强，¾¾光程差，。
式(5)说明干涉条纹由光程差l及q来调制。当q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
             (6) 
式中N¾¾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)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量DL。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L2将条纹成在探测器上，实现计数。
测量灵敏为：当N＝1，则（He-Ne激光），则
如果细分N，一般以1/10细分为例，则干涉测量的灵敏度为
 
三、实验光路
   
 
图3  实验光路图
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L1），由分光镜14（即图1中BS）分成二束光，分别由反射镜16（即图1中的M1），18（M2）反射形成干涉条纹并经成像物镜20（即图1中L2）将条纹成于CMOS 23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
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CMOS23上电信号灯亮否；
4． 扩束（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）；
5． 在组合工作台16，18上分别装平面反射镜，调节工作台16，18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）；
6． 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；
7． 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；
8． 测量程序操作参见软件操作说明书
 
五、实验记录(其中)
 
表1  实验数据记录表
 

序号	驱动位移量(L)	条纹数(N)	测量位移量(L)	备注
1
2
3
4

 
六、思考题
1. 干涉测量的优点是什么？写出几个你了解的应用场合。
2. 干涉测量采用激光有什么优点？
3. 干涉条纹的间隔大小对测量有什么影响？应如何取值？
 
 
 
 
附：实验干涉条纹图
 
 
 
图4  干涉条纹图示例