位移的激光干涉測量

 
一、實驗目的：
1． 了解激光干涉測量的原理
2． 掌握微米及亞微米量級位移量的激光干涉測量方法
3． 了解激光干涉測量方法的優(yōu)點和應用場合
 
二、實驗原理
本實驗采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系統(tǒng)，T－G干涉系統(tǒng)是著名的邁克爾遜白光干涉儀的簡化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干涉條紋，其原理如圖1所示。

激光通過擴束準直系統(tǒng)L1提供入射的平面波（平行光束）。設光軸方向為Z軸，則此平面波可用下式表示：
   (1)
式中A¾¾平面波的振幅，為波數(shù)，l¾¾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，其復振幅UR用下式表示
           (2)
式中AR¾¾參考光束的振幅，fR（zR）¾¾參考光束的位相，它由參考光程zR決定。
另一束為透射光，經(jīng)測量鏡M2反射，其復振幅Ut，用下式表示：
   (3)
式中At ¾¾測量光束的振幅，ft（zt）¾¾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，因而產生干涉條紋。干涉條紋的光強I(x,y)由下式?jīng)Q定
                                   (4)
式中，而U*，UR*，Ut*為U，UR，Ut的共軛波。
當反射鏡M1與M2彼此間有一交角2q，并將式(2)，式(3)代入式(4)，且當q較小，即sinq@q時，經(jīng)簡化可求得干涉條紋的光強為：
                          (5)
式中I0¾¾激光光強，¾¾光程差，。
式(5)說明干涉條紋由光程差l及q來調制。當q為一常數(shù)時，干涉條紋的光強如圖2所示。當測量在空氣中進行，且干涉臂光程不大，略去大氣的影響，則
             (6) 
式中N¾¾干涉條紋數(shù)
因此，記錄干涉條紋移動數(shù)，已知激光波長，由式(6)即可測量反射鏡的位移量，或反射鏡的軸向變動量DL。干涉條紋的計數(shù)，從圖1中知道，定位在BS面上或無窮遠上的干涉條紋由成像物鏡L2將條紋成在探測器上，實現(xiàn)計數(shù)。
測量靈敏為：當N＝1，則（He-Ne激光），則
如果細分N，一般以1/10細分為例，則干涉測量的靈敏度為
 
三、實驗光路
   
 
圖3  實驗光路圖
激光器1發(fā)出的激光經(jīng)衰減器2（用于調節(jié)激光強度）后由二個定向小孔3，5引導，經(jīng)反射鏡6，7進入擴束準直物鏡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）反射形成干涉條紋并經(jīng)成像物鏡20（即圖1中L2）將條紋成于CMOS 23上（即D），這樣在計算機屏上就可看到干涉條紋，實現(xiàn)微位移的測量。
四、實驗步驟
1． 開機，激光器1迅速起輝，待光強穩(wěn)定；
2． 打開驅動電源開關；
3． 檢查CMOS23上電信號燈亮否；
4． 擴束（調整光路時若移開反射鏡4，13，擴束激光；移入反射鏡4，13，不擴束激光）；
5． 在組合工作臺16，18上分別裝平面反射鏡，調節(jié)工作臺16，18上調平調向測微器，使二路反射光較好重合（在成像物鏡20后焦面上，兩反射光會聚的焦斑重合）；
6． 打開計算機，然后微調工作臺上測微器，在顯示屏上看見干涉條紋；
7． 調整CMOS在軌道上的位置，使干涉條紋清晰，鎖定23，再調節(jié)可調光闌22孔徑位置，濾除分光鏡寄生干涉光；
8． 測量程序操作參見軟件操作說明書
 
五、實驗記錄(其中)
 
表1  實驗數(shù)據(jù)記錄表
 

序號	驅動位移量(L)	條紋數(shù)(N)	測量位移量(L)	備注
1
2
3
4

 
六、思考題
1. 干涉測量的優(yōu)點是什么？寫出幾個你了解的應用場合。
2. 干涉測量采用激光有什么優(yōu)點？
3. 干涉條紋的間隔大小對測量有什么影響？應如何取值？
 
 
 
 
附：實驗干涉條紋圖
 
 
 
圖4  干涉條紋圖示例