当前课程知识点：光电仪器设计 > 第4章 干涉仪 > 4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪 > 4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
大家好
从这次课开始我们将以干涉仪为例
来介绍计量仪器
我们知道用干涉的方法测量位移
具有非常高的精度
因为它可以直接溯源到长度基准
也正因如此
之前的引力波
也是用干涉的方法测量的
那么从干涉原理到干涉仪器
这中间有哪些路要走呢
我们在这里
会给大家介绍几款常用的干涉仪
比如说测量位移 角度
这些几何量常用的双频激光干涉仪
比如说测量球面镜
平面镜 这些光学元件用的
菲索干涉仪
还有测量大型构件用的激光跟踪仪
最后 我们也会介绍光频梳测距
那么光频梳测距
目前虽然还不是一个仪器
但是研究进展得非常迅速
相信在不久的将来也会有仪器面世
那么 首先
我们先回顾一下仪器制作的要点
仪器制作不仅需要有
测量范围 测量精度
这些定量的指标
稳定 可靠 使用方便也是必不可少的
下面我们就看双频激光干涉仪
是如何从泰曼格林干涉中诞生的
这个是我们熟悉的泰曼格林干涉
那么这个是双频激光干涉的实物装置
二者之间有什么区别 又有什么联系呢
我们现在先问这样一个问题
如何用泰曼格林干涉来测量
这样的电动平移台的位移呢
我们先回顾一下干涉原理
光源发出的光 经准直以后
入射到分光镜上
分光镜的反射光
入射到参考镜MR上
然后MR再将光反射到屏上
另一方面 透过分光镜的光
入射到测量镜MO上
然后MO也将光反射到屏上
在屏上就得到了干涉场
这是一个分振幅的干涉
参考镜MR和测量镜MO的相是平行的
这时候在屏上看到的是一个
一片均匀的干涉场
如果测量镜MO随着移动台移动了
那么这个时候我们看到的干涉场
就是一亮 一暗 一亮 一暗的变化
那么这个亮暗变化m就如这个公式所示
这里面L是被测距离 n是空气折射率
λ是激光波长
显然如果测量的距离很长
用人眼来数亮暗变化是不现实的
那么自然就想到了用探测器
探测器探测到的是什么呢
是一个正弦变化的信号
它随着光强正弦变化
那么这个正弦信号的位相就含有了
我们想要测量的位移量L
通过测量光强就可以得到位相
然后就可以得到L
但是如果这个时候
光源的光强发生了变化
或者有背景光干扰
那么这个时候测量到的光强
就会有所变化
比如说如I2所示
那么虽然测量镜是不动的
但是我们得到的位相
就会和之前有所差别
也就是说φ1不等于φ2
这就产生了测量误差
怎么解决这个问题呢
我们自然就想到
如果 我们测量一个交流信号的位相
那么就不怕背景光的干扰了
那么怎么产生交流的干涉信号呢
如果我们把测量臂和参考臂的光场
分别用E1和E2表示
那么对应的频率分别是f1和f2
对应的光程分别是z1和z2
当这两束光相干涉的时候
我们就可以把电场相加
也就是说 E等于E1加E2
这样如果用E1加E2
然后再给它进行和差化积
就得到了下面这个式子
这里面f1减f2是差频项
它大概是兆赫兹量级
而f1加f2是和频项
因为光频非常高 大概在T赫兹量级
所以这个和频项我们是测不出来的
因此我们得到了一个交流的信号
那么这个交流信号的位相是什么呢
位相包括了z1和z2
z1和z2
分别是测量臂和参考臂的光程
在z1里面有测量臂的初始距离L0
也有被测位移L
而在z2里面
就只有参考臂的初始距离L20
如果我们把这个电场求平方得到光强
那么这时候就得到
我们探测器探测的交流信号了
交流信号的频率是f1减f2
它的位相含有我们要测的距离L
那么下面的问题是
如何才能得到这个差频项f1减f2呢
因为f1和f2相差很少
所以我们可以用一个激光
来产生这样的差频
我们把这种激光叫双频激光
那么双频激光是通过
给激光加磁场或者应力
来产生频差相差很小的左右旋偏振光
这个左右旋偏振光经过四分之一波片
会产生一个偏振态正交的偏振光
那么这个偏振光经过扩束以后呢
再经过分光镜 透过分光镜的光
经偏振分光棱镜入射到测量镜上
也就是f1 另一方面
在偏振分光棱镜上反射的光
经过参考镜也就是f2
在最后是合光的
因为偏振态不相同它们没法干涉
所以在这里头我们加一个偏振片
使得它们的偏振态是相同的
这样我们就得到了一个交流的信号
这个交流信号的频率是f1减f2
它的位相含有我们要测量的位移
那么光有测量信号不行 没法求出位相
还需要有一个参考信号去和它比相
参考信号怎么得到呢
也就是说 分光镜的反射光
也加一个偏振片
就得到了参考信号
那么参考信号的频率也是f1减f2
通过参考信号和测量信号比相
我们就可以得到被测距离L了
下面我们小结一下这节课的内容
在这小节
我们介绍了如何产生交流的干涉信号
那么我们知道
位移测量需要干涉信号的位相
而如果干涉信号是一个交流的信号
那么将有助于提高位相测量精度
双频激光呢
它用两束频差相差非常小的激光
产生拍来实现交流的输出
那么好 既然有了交流的干涉信号
如何测量这个信号的位相呢
这点我们再在下节介绍
这节课就讲到这儿
谢谢
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
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