實(shí)驗(yàn)五、精密位移量的激光干涉測量方法及實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)五、精密位移量的激光干預(yù)測量方法及實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饧す飧深A(yù)測量的原理掌握微米及亞微米量級位移量的激光干預(yù)測量方法了解激光干預(yù)測量方法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場合二、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)采用泰曼－格林〔Twyman-Green〕干預(yù)系統(tǒng)，T－G干預(yù)系統(tǒng)是著名的邁克爾遜白光干預(yù)儀的簡化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干預(yù)條紋，其原理如圖1所示。激光通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)L1提供入射的平面波〔平行光束〕。設(shè)光軸方向?yàn)閆軸，那么此平面波可用下式表示： (1)式中A平面波的振幅，為波數(shù)，激光波長此平面波經(jīng)半反射鏡BS分為二束，一束經(jīng)參考鏡M1，反射后成為參考光束，其復(fù)振幅UR用下式表示(2)式中AR參考光束的振幅，R〔zR〕參考光束的位相，它由參考光程zR決定。另一束為透射光，經(jīng)測量鏡M2反射，其復(fù)振幅Ut，用下式表示：(3)式中At測量光束的振幅，t〔zt〕測量光束的位相，它由測量光程Zt決定。此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而產(chǎn)生干預(yù)條紋。干預(yù)條紋的光強(qiáng)I(x,y)由下式?jīng)Q定(4)式中，而U*，UR*，Ut*為U，UR，Ut的共軛波。當(dāng)反射鏡M1與M2彼此間有一交角2，并將式(2)，式(3)代入式(4)，且當(dāng)較小，即sin時(shí)，經(jīng)簡化可求得干預(yù)條紋的光強(qiáng)為：(5)式中I0激光光強(qiáng)，光程差，。式(5)說明干預(yù)條紋由光程差l及來調(diào)制。當(dāng)為一常數(shù)時(shí)，干預(yù)條紋的光強(qiáng)如圖2所示。當(dāng)測量在空氣中進(jìn)行，且干預(yù)臂光程不大，略去大氣的影響，那么(6)式中N干預(yù)條紋數(shù)因此，記錄干預(yù)條紋移動(dòng)數(shù)，激光波長，由式(6)即可測量反射鏡的位移量，或反射鏡的軸向變動(dòng)量L。干預(yù)條紋的計(jì)數(shù)，從圖1中知道，定位在BS面上或無窮遠(yuǎn)上的干預(yù)條紋由成像物鏡L2將條紋成在探測器上，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。測量靈敏為：當(dāng)N＝1，那么〔He-Ne激光〕，那么如果細(xì)分N，一般以1/10細(xì)分為例，那么干預(yù)測量的最高靈敏度為三、實(shí)驗(yàn)光路激光器1發(fā)出的激光經(jīng)衰減器2〔用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度〕后由二個(gè)定向小孔3，5引導(dǎo)，經(jīng)反射鏡6，7進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡8，10〔即圖1中的L1〕，由分光鏡14〔即圖1中BS〕分成二束光，分別由反射鏡16〔即圖1中的M1〕，18〔M2〕反射形成干預(yù)條紋并經(jīng)成像物鏡20〔即圖1中L2〕將條紋成于CMOS23上〔即D〕，這樣在計(jì)算機(jī)屏上就可看到干預(yù)條紋，實(shí)現(xiàn)微位移的測量。四、實(shí)驗(yàn)步驟公共局部：開機(jī)，激光器1迅速起輝，待光強(qiáng)穩(wěn)定；翻開驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)；檢查CMOS23上電信號(hào)燈亮否；調(diào)整光路時(shí)假設(shè)移開反射鏡4，13，擴(kuò)束激光；移入反射鏡4，13，不擴(kuò)束激光。注：以下所有實(shí)驗(yàn)的開始步驟均同公共局部本實(shí)驗(yàn)步驟擴(kuò)束在組合工作臺(tái)16，18上分別裝平面反射鏡，調(diào)節(jié)工作臺(tái)16，18上調(diào)平調(diào)向測微器，使二路反射光較好重合〔在成像物鏡20后焦面上，兩反射光會(huì)聚的焦斑重合〕翻開計(jì)算機(jī)，然后微調(diào)工作臺(tái)上測微器，在顯示屏上看見干預(yù)條紋調(diào)整CMOS在軌道上的位置，使干預(yù)條紋清晰，鎖定23，再調(diào)節(jié)可調(diào)光闌22孔徑位置，濾除分光鏡寄生干預(yù)光測量程序操作參見軟件操作說明書五、數(shù)據(jù)記錄與處理電壓5060708090100110移動(dòng)距離/nm-130-300-500-800-1200-1520-1830電壓120130140150160170180移動(dòng)距離/nm-2103-2300-2100-1840-1672-1760-1520由上數(shù)據(jù)可得圖形：可知初始一段電壓范圍內(nèi)移動(dòng)距離和電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系是與理論相符合的，當(dāng)時(shí)當(dāng)電壓在150V以后卻出現(xiàn)變化，原因可能由于記錄數(shù)據(jù)出錯(cuò)，還有可能是在實(shí)驗(yàn)過程中由與儀器本身原因出現(xiàn)了條紋的移動(dòng)，其次在實(shí)驗(yàn)過程中輕微的震動(dòng)可能導(dǎo)致了干預(yù)條紋的變化導(dǎo)致計(jì)數(shù)時(shí)出現(xiàn)了上想象。但是我們從前面幾組數(shù)據(jù)還是可以客觀的反響移動(dòng)位移量與電壓的系。六、思考題1.干預(yù)測量的優(yōu)點(diǎn)是什么？寫出幾個(gè)你了解的應(yīng)用場合。答：干預(yù)測量技術(shù)大都是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度，高的轉(zhuǎn)換增益，良好的濾波性能，良好的空間和偏振鑒別能力。干預(yù)測量的應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于位移、長度、面形、介質(zhì)折射率的變化及振動(dòng)等方面的測量。2.干預(yù)測量采用激光有什么優(yōu)點(diǎn)？答：選擇激光器做光源。激光單色性強(qiáng)，方向性好，干預(yù)效果好，測量精度高，可獲得清晰、明亮的干預(yù)條紋。3.干預(yù)條紋的間隔大小對測量有什么影響？應(yīng)如何取值？答：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是通過對條紋強(qiáng)度的測量來實(shí)現(xiàn)微小位移量變化的測量，因此條紋間隔不會(huì)影響測量結(jié)果。但是為了便于觀測，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)選測適宜的條紋間隔進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)干預(yù)條紋要考慮到兩個(gè)方面：一是條紋要夠粗，二是比照度亮暗要夠大4.一般干預(yù)測量有什么缺乏，如何改良？答：受環(huán)境因素影響較大，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡力保持試驗(yàn)臺(tái)不要振動(dòng)，同時(shí)應(yīng)盡力防止外界光源對激光束的影響。最好是在有防震裝置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，在調(diào)節(jié)好實(shí)驗(yàn)光路后用一個(gè)不透光的罩子把實(shí)驗(yàn)光路遮擋起來。七、心得體會(huì)從實(shí)驗(yàn)掌握了激光干預(yù)測量