精密位移量的激光干涉测量方法及实验.doc

激光实验

学生姓名：陈延新学号：111050104
班级：应用物理1101实验项目名称：激光实验

一、实验目的：
了解激光干涉测量的原理
掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法
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CMOS23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
开机，激光器1迅速起辉，待光强稳定；
打开驱动电源开关；
检查CMOS23上电信号灯亮否；
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。

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，注意不要用手七月触摸光学
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，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
背后的螺丝，使光斑均匀并能够正直通过透镜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
光线通过分，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向测微器，以便的到较好的干涉条纹。
4、打开计算机，进入Csylaser综合软件系统。
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台装配反光镜9，随着压电陶瓷PZT在压电下形变，带动反
光镜产生微小位移，引起干涉条纹的移动，来测量微小微小位移量。采用程序界中的
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。
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、光学的光学表面（如平面反射镜，分光棱镜的镜面）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