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激光专业实验（四） 精密位移量的激光干涉测量方法 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A((平面波的振幅，为波数，(((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AR((参考光束的振幅，(R（zR）((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 ((测量光束的振幅，(t（zt）((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2(，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当(较小，即sin(((时，经简化可求得干涉条纹的光强为： (5) 式中I0((激光光强，((光程差，。 式(5)说明干涉条纹由光程差l及(来调制。当(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N((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(L。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，则干涉测量的最高灵敏度为 三、实验光路 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 公共部分： 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、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。 注：以下所有实验的开始步骤均同公共部分 本实验步骤 1、扩束 2、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） 3、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 4、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 5、测量程序操作参见软件操作说明书 数字干涉测量方法 实验目的： 了解激光干涉的近代方法——数字干涉的原理及方法； 掌握干涉的试验检测技术； 了解数字干涉技术的特点及应用场合。 实验原理： 数字干涉测量技术是一种波面位相的实时检测技术。此方法同时检测被检波面上的多个点的光强后进行傅立叶展开，且在光强变化的周期内对同一坐标上的点进行多次测量，在对多个周期的测量数据求平均值。其原理图如图2所示 实验系统中参考镜M1镜由压电陶瓷驱动，产生周期性的轴向振动。设参考镜的瞬时位移为li，被测表面的形貌为w(x，y)，则参考光路和测试光路可分别用下式表示： (6) (7) 相干产生干涉条纹的瞬时光强为： (8) 由上式可知干涉图像内任一点的瞬时光强总是li的余弦函数。若li随时间变化，则干涉场的光强受到调制。参