实验一精密位移量的激光干涉测量方法

实验一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一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个透镜校正像差的透镜L2会聚，人眼则处在透镜L2的焦点位置观察，能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。图1泰曼－格林干涉仪原理图若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1'（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。下面解释干涉条纹的产生，如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为PNh即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当0,1,2,...hmm时，P点为亮点，而当1()0,1,2,...2hmm时，P点为暗点。如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变。由于测量镜M2移动L会带来2L的光程差则：2Nl式中N为干涉条纹数。因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量L。测量灵敏为：当N＝1，则ml63.0,2（He-Ne激光），则ml3.0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ml03.0三、实验内容1、实验光路图2泰曼－格林干涉仪实验光路图1－激光器2－衰减器3－定向孔4－反射镜5－扩束透镜6－准直透镜7－分束器8－组合工作台（夹持反光镜）9－组合工作台（夹持反光镜并带有平移台）10－成像物镜11－光电接收器激光器1发出的激光（激光波长nm8.632），经衰减器2（用于调节激光强度）后，由定向小孔3引导，经反射镜4进入扩束准直物镜5，6后，由分束器7(本实验中采用分光棱镜)分成二束光，分别由反射镜8（即图1中的M1），9（M2）反射后，两束光相遇形成干涉条纹并经成像物镜10（即图1中L2）将条纹成于光电接收器11上（本实验使用CCD接收），这样在计算机屏上就可以看到干涉条纹。并且，随着组合工作台9（本实验使用带压电陶瓷的组合工作台）上反射镜的前后移动，干涉条纹会随之移动，这样就可以实现微位移量的测量。2、实验步骤进入实验室后，首先要熟悉实验台所用到的仪器和光学元件，注意不要用手去触摸光学元件表面，并且要轻拿轻放，本实验不使用的器件应事先移开。打开电源开关，点亮He-Ne激光器预热，并等待其光强稳定，同时检查CCD上电信号灯是否点亮，打开PZT控制电源。1．激光扩束。在反射镜4的中间位置处，能够看到明亮的激光光斑，观察通过扩束透镜5后，出射光斑是否均匀，并经透镜6准直，调节光路时，可使用螺丝刀配合调节反射镜背面的螺丝，使光斑均匀并能够正常通过透镜6。2．正确安装分光棱镜7，并在多功能试件夹8和组合工作台9上，分别装平面反射镜，使光线经过分光棱镜获得的反射光和折射光能够正常到达成像物镜10。3．调节工作台8，9上调平调向测微器，使二路反射光较好重合（在成像物镜10后焦面上，两反射光会聚的光斑重合），由于光线经过多次的反射和折射，聚焦光斑不容易调节至完全重合，所以要求实验者足够的熟悉调平调向测微器，以便得到较好的干涉条纹。4．打开计算机，进入Csylaser综合软件系统，选择实验类别为：A-位移传感测试，观察时选择活动图像按钮，然后配合调节微调工作台上测微器，直到显示屏上能够看到干涉条纹。5．调整CCD11在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，后锁定CCD位置，在成像物镜10前，可以选择安置可调光阑，便于滤除分光镜寄生干涉光，避免杂散光和环境光的干扰，从而影响图像的分辨能力。6．实验采用压电陶瓷组合工作台装配反光镜9，随着压电陶瓷PZT在电压下形变，带动反光镜产生微小位移，引起了干涉条纹的移动，来测量微小位移量。采用程序界面中的PZT手动扫描，逐渐加电压，可以观察到条纹的移动，界面下方就会出现移动条纹数和所对应的反光镜移动距离。7．记录实验数据，并计算出微小位移量，进行适当的误差分析。8．实验结束后，将所有设备的电源切断，并适当整理实验台。四、实验数据记录和误差分析序号条纹数(n)2N测量位移量(L)10.6189.84nm20.8253.12nm31.5474.60nm41.7537.88nm(其中632.8nm)实验图像：五、实验注意事项1、不可以用眼睛直视激光器出口，以免造成视网膜的损伤。2、光学元件的光学表面（如平面反射镜，分光棱镜等的镜面）不得玷污或触摸，若不小心碰触元件的光学表面不可擅自处理，应报告实验室人员按操作规程妥善处理。3、玻璃器件应轻拿轻放，不要将玻璃器件移离桌面，以防落地损坏。4、调整光路之前，先适当调节衰减器，使光强变大，利于调节光路，当光路调整完成，接入CCD前，应再将光强调节小，以免损坏CCD。5、注意分光棱镜的放置方向，使分得的两束光尽量能量相同。6、光路调整过程中，经准直透镜后，形成的光斑是均匀的圆形光斑，尽量避免衍射圆环的出现，影响成像质量。7、通过CCD接受到的是等间距的等厚干涉条纹，如果观察到的条纹出现弯曲，可以适当调节组合工具台的侧位旋钮。六、思考问题1、T－G干涉系统是什么类型的干涉条纹？并了解其性质和干涉机理。2、讨论并思考，如果所得的干涉条纹有些弯曲，是什么因素造成的，应该如何消除？3、条纹的间距大小可以调节吗？如何改变？答：1.T－G干涉系统是等厚干涉条纹。如图1所示，系统置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个透镜校正像差的透镜L2会聚，人眼则处在透镜L2的焦点位置观察，能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹。2.可能是因为平面M1和M2不平整，而导致厚度有所变化，进而使干涉条纹产生了局部的弯曲。3.（1）改用波长更长的激光源，条纹间距可增大；（2）减小W1N和W2P的夹角，进而减小PN同样可使条纹间距增大。