激光相位多干涉仪

激光干涉仪具有测量精度高、测量范围大、测量速度快、最高测速下分辨率高等优点，结合不同的光学镜组，可实现线性测长、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度等几何参量的高精度测量。在SJ6000激光干涉仪动态测量软件配合下，可实现线性位移、角度和直线度的动态测量与性能检测，以及进行位移、速度、加速度、振幅与频率的动态分析，如振动分析、丝杆导轨的动态特性分析、驱动系统的响应特性分析等。[align=center][img=,578,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/11/201911201754505855_5264_3712_3.jpg!w578x450.jpg[/img][/align]　　激光干涉仪最典型的应用就是测量机床精度，本文讲解如何使用激光干涉仪测量五轴机床平移轴直线度误差。　　对于平移轴而言，每根轴均有两个直线度误差，因此三根轴有六个直线度误差，均可采用激光干涉仪分别测得。　　原理：带有圆孔的是直线度干涉镜，其与待测轴相连一同运动；长条镜是直线度反射镜静止安装，其是对称结构，上下左右均对称。当一束激光从源头发出射入干涉镜，干涉镜将光束分成两束，形成一个很小的角度分别去往反射镜，由于反射镜上下对称，因此两束光被反射后又回到干涉镜，汇合成一股光束，去往激光头的探测器。当运动轴产生直线度误差时，会使得干涉镜相对于反射镜在水平横向方向发生相对运动，而反射镜是左右对称的（左右的镜片不在同一平面，有一定的角度），因此会使得两束分开的光束光程具有差别，根据此差别，即可测得运动轴产生的直线度误差。[align=center][img=,678,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/11/201911201755021895_7221_3712_3.jpg!w678x333.jpg[/img][/align][align=center]▲ 直线度测量的光路原理构建图[/align][align=center][img=,678,367]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/11/201911201755111914_6482_3712_3.jpg!w678x367.jpg[/img][/align][align=center]▲ 运动轴的横向直线度测量示意图[/align][align=center][img=,678,367]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/11/201911201755345695_9383_3712_3.jpg!w678x367.jpg[/img][/align][align=center]▲ 运动轴的纵向直线度测量示意图[/align]　　根据直线度误差测量原理可知，测量过程中不可避免的会引入斜率误差。该误差是由于测量直线度反射镜的光学轴线最初与待测轴不平行，为调整平行而引起的。如图 所示，A 为干涉镜和反射镜的距离，B 为激光头到干涉镜的距离（其中干涉镜是固定在运动轴上的）。在一开始，反射镜的光学轴线处于旋转前的位置，而由于机床运动轴与其之间存在的夹角θ，[img]http://www.chotest.com/Upload/2019/10/201910173125514.jpg[/img][align=center][img]http://www.chotest.com/Upload/2019/10/201910177031118.png[/img][/align]　　因为斜率误差是稳定误差，因此可以采取上述的公式将其从直线度测量结果中分离出来，亦可以采用两端法拟合或者最小二乘法拟合将其分离出去。　　两端法拟合：即是将所有采集来的数据第一点和最后一点相连决定一直线，再将所有采集来的数据去除掉拟合的直线信息，由此得出的残值即为直线度误差。[align=center][img]http://www.chotest.com/Upload/2019/10/201910170000002.png[/img][/align]最小二乘法拟合：将采集回来的所有数据通过最小化误差的平方和方式来寻找数据的最佳函数匹配，而后将采集值与匹配函数对应值相比较，剩余的残值即为直线度误差。[align=center][img]http://www.chotest.com/Upload/2019/10/201910171562522.png[/img][/align]附：SJ6000激光干涉仪直线度测量精度。[table][tr][td][align=center]轴向量程[/align][/td][td][align=center]测量范围[/align][/td][td][align=center]测量精度[/align][/td][td][align=center]分辨力[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]短距离[/align][/td][td][align=center](0.1~4.0)m[/align][/td][td][align=center]±3mm[/align][/td][td][align=center]±(0.5+0.25%R+0.15M[size=12px]2[/size]) μm[/align][/td][td][align=center]0.01μm[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]长距离[/align][/td][td][align=center](1.0~20.0)m[/align][/td][td][align=center]±3mm[/align][/td][td][align=center]±(5.0+2.5%R+0.015M[size=12px]2[/size]) μm[/align][/td][td][align=center]0.1μm[/align][/td][/tr][tr][td=5,1]注：R为显示值，单位：μm；M为测量距离，单位：m[/td][/tr][/table]

[color=#990000]摘要：在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中，需要对真空度进行准确控制，否则会因变形、折射率和温度等因素的影响带来巨大波动，甚至会造成测量无法进行。本文介绍了真空度的自动化控制技术，详细介绍了具体实施方案。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提示[/color][/size] 作为一种高精密光学仪器，迈克尔逊激光干涉仪得到了非常广阔应用，它可用于测量波长、气体或液体折射率、厚度、位移和倾角，具备对长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度等的高精密测量。但在高精密测量中，迈克尔逊干涉仪会受到气氛环境的严重影响，为此一般将被测物放置在低压真空环境中，如图1所示，并对真空度进行精密控制，否则会带来以下问题：[align=center][color=#990000][img=激光干涉仪真空度控制,500,315]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201270813137507_5730_3384_3.jpg!w690x435.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图1 迈克尔逊激光干涉仪典型测试系统结构[/align] （1）测试环境的气体折射率波动，会对高精密测量带来严重影响。如果采用专门的气体折射率修正装置，测量精度也只能达到微米或亚微米量级，而无法实现更高精度的测量。 （2）如果真空腔室内有温度变化，腔室内的气压也会剧烈变化，相应折射率也会发生剧烈波动而严重影响干涉仪测量。 （3）在抽真空过程中，内外压差会造成真空腔室的微小变形，同时也会造成光学窗口产生位移和倾斜，从而改变测量光路的光程。 （4）在有些变温要求的测试领域，要求被测物能尽快的被加热和温度均匀，这就要求将真空度控制在一定水平，如100Pa左右，由此来保留对流和热导热传递能力。 总之，在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中，需要对真空度进行准确控制。本文将介绍真空度的自动化控制技术以及具体实施方案。[size=18px][color=#990000]二、实施方案[/color][/size] 迈克尔逊激光干涉仪测试过程中，真空度一般恒定控制在100kPa左右，并不随温度发生改变。为此，拟采用如图2所示的真空度控制系统进行实施，具体内容如下：[align=center][color=#990000][img=激光干涉仪真空度控制,690,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201270813484950_7314_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 迈克尔逊激光干涉仪测试真空度控制系统结构[/color][/align] （1）采用1torr量程的电容真空计进行真空度测量，其精度可达±0.2%。 （2）采用24位A/D采集的高精度PID真空压力控制器，以匹配高精度真空压力传感器的测量精度，并保证控制精度。 （3）在真空腔室的进气口安装步进电机比例阀以精密调节进气流量。 （4）控制过程中，真空泵开启后全速抽取并保持抽速不变。然后对控制器进行PID参数自整定，使控制器自动调节比例阀的微小开度变化实现腔室真空度的精确控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

摘要：航天器用各种大尺寸构件都普遍要求超低膨胀系数以保证构件尺寸的稳定性，传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足长度1m以上大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，多数航天器用大尺寸构件需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文对美国波音公司在太空望远镜大尺寸桁架超低热膨胀系数整体测量方面的研究工作进行了综述，以了解国外技术发展状况，给今后开展此方面工作提供参考和借鉴。1. 前言 在太空运行的各种航天器，由于没有大气层的保护，其环境温度变化很大，受阳面温度可高达上百摄氏度，而被阳面温度却在零下几十摄氏度。因此，航天器在空间环境中，由于材料的热膨胀，会引起航天器结构的尺寸变化。但是从航天器的某些部件和仪器的技术要求考虑，希望航天器的某些结构的稳定性要好，这一点对通讯卫星天线结构及敏感元件、太空望远镜的镜筒支架等的使用和安装尤为重要。尤其是卫星和望远镜桁架结构更要求其在一定的环境温度变化范围内不因热应力产生变形或者变形极小，即所谓零膨胀。 传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量。为适应航天器制造的要求，特别是对于以1m以上长度的E-08/K量级材料热膨胀系数需要更加准确的测试。因此，研究航天器用复合材料工程构件的超低膨胀测试方法和相应的测试设备，具有重要的科学意义和实用价值。 本文将介绍美国波音公司在太空望远镜桁架超低热膨胀系数测试方法和测试设备方面所开展的工作。2. 波音公司激光干涉法第一代热膨胀系数测试技术 早在1971年波音公司的Bond等人就开始研究一种用于监测大直径天线在空间模拟腔体内动态行为的多通道激光干涉法测试技术【1】，其中采用了可反转条纹计数技术来测量安装在试验箱体外测量装置与安装在腔体内天线上7个光学反射镜之间的距离。 试验腔外测试仪器距离腔体内部天线的距离将近5m，干涉仪采用了Twyman-Green干涉仪，其中参考光束的相位在13.5kHz频率处进行调节以便对每个通道进行可反转条纹计数，每根条纹计数对应的距离变化增量为7.9nm（0.125倍激光波长），整个光学系统结构如图 2-1所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252327_615105_3384_3.png图 2-1 多通道激光干涉仪光学系统结构示意图 基于上述技术，波音航空公司在1974年至1975年期间针对大型空间望远镜（LST）项目中的石墨环氧测量支架进行了热膨胀系数测试考核【2】。具体测试考核包括了两方面的内容，一方面是测试管状支架和H型支架的热膨胀系数，另一方面是对管状支架热膨胀系数进行了热循环效应考核。 热膨胀系数测试试件为91.44厘米长的截面分别为圆形和H型的管材，被测试件放置在真空腔内并稳定24小时后再进行测试，图 2-2所示为测试装置的结构示意图。如图所示，被测试件悬浮在含有加热套的真空腔内，激光干涉仪的光学部件放置在真空腔外的底部位置，形成立式结构热膨胀系数测量装置，用来测量试件长度变化的聚焦光束垂直进入真空腔底部的光学窗口，整个测量装置实物如图 2-3所示，激光干涉仪测量装置实物如图 2-4所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252327_615106_3384_3.png图 2-2 热膨胀系数测试系统结构示意图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252327_615107_3384_3.png图 2-3 热膨胀系数测试系统整体照片http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252328_615108_3384_3.png图 2-4 热膨胀系数测试系统激光干涉仪测量装置 每个被测试件上安装了三只测温热电偶和四个角反射镜，如图 2-5所示。激光干涉仪测量得到四个角反射镜的位移变化，由此得到热变形量和监视试件的倾斜。在被测试件的顶部安置一个参考反射镜用来抵消被测试件和干涉仪之间相对运动所带来的影响。 测试中真空腔内部气压低于1Torr以下并使真空度稳定16个小时，然后使试件温度升到37.8℃（100℉）后在冷却下来，整个加热冷却过程中，每隔2.8℃（5℉）测试一次热变形量，每隔14℃（25℉）进行一次30分钟的恒温。整个温度变化过程直到试件冷却到-73.3℃（-100℉）停止。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252328_615109_3384_3.png图 2-5 热膨胀系数测试系统测温传感器和光学器件安装位置示意图 铺层方向为(02±50)s 的管状试件热变形量测试结果如图 2-6所示，整个过程的平均线膨胀系数为 7.2E-08/℃（4E-08/℉）。图 2-7所示为管状构件热膨胀系数测试与计算之间的比较结果，从比较结果可以看出板层方向的有效性，这种特性可以用来设计特殊性能的复合材料。 在进行管件热膨胀系数热循环考核试验中，先沿着试件长度方向上安装两只1英寸宽的电阻加热器以建立起与热真空试验相同的试件状态，在热真空试验中，电阻加热器是用来控制管件的温度，而在管件热膨胀系数热循环试验中，加热电阻器只是实现相同的结构状态，热循环试验的温度控制则是采用真空腔内的加热套来实现。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252328_615110_3384_3.png图 2-6 试件热变形量随温度变化的测试结果http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252329_615111_3384_3.png图 2-7 测试与设计结果的比较 在热膨胀系数热循环考核试验中，反射镜和温度传感器的安装与热膨胀系数测试时完全相同。热循环测试时也是先抽真空使得试件进行一两天的除湿，然后进行+38℃～-78℃（+100℉～-100℉）温度范围内的208次的冷热循环，大约间隔50次循环进行一次测量，在最后一次循环时，测试将电阻加热器取出后的试件热膨胀系数。热循环过程中试件的热膨胀系数随温度变化测量结果如图 2-8所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252329_615112_3384_3.png图 2-8 热循环过程中试件热膨胀系数随温度变化的测量值[/

显微干涉仪，可测量镀膜厚度和表面粗糙度，测量范围0.1-0.8微米。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/07/201207171613_378255_2353034_3.jpg

书名：激光光谱学(原书第4版第1卷基础理论)作者：(德)沃尔夫冈·戴姆特瑞德出版社：科学出版社出版时间：2012-02-01页数：387装帧：平装ISBN：9787030331670封面：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305061328_438559_1617441_3.jpg内容介绍：《激光光谱学(原书第4版第1卷基础理论)》是W. Demtrcjder教授撰写的两卷本激光光谱学教科书的第1卷，由姬扬译。这套教科书全面地介绍了激光光谱学的基本原理和实验技术，详尽描述了激光光谱学当前研究的全貌。作者多年从事激光光谱学的研究工作，对学科前沿动态了如指掌。全书的文笔简练、叙述翔实，更配有大量插图和实例，是一本非常优秀的教科书。 第1卷介绍了激光光谱学的基本原理。在简短的导论(第1章)之后，概述了光吸收和光发射(第2章)以及谱线的宽度和形状(第3章)中所涉及的基本概念，然后详细介绍了各种类型的光谱仪器(第4章)和激光器(第5章)，从理论和实验两个方面为深入理解激光光谱学奠定了坚实的基础。第2卷具体介绍激光光谱学的实验技术、最新进展以及多种应用范例。 目录：译者的话第四版序言第三版序言第二版序言第一版序言第1章 导论第2章 光的吸收和发射2.1 腔模2.2 热辐射和普朗克定律2.3 吸收、受激辐射和自发辐射2.4 基本光度学量2.4.1 定义2.4.2 大面积上的照明2.5 光的偏振2.6 吸收谱和发射谱2.7 跃迁几率2.7.1 自发辐射跃迁和无辐射跃迁的寿命2.7.2 半经典描述：基本方程2.7.3 弱场近似2.7.4 宽带激发下的跃迁几率2.7.5 唯象地考虑衰减现象2.7.6 与强场的相互作用2.7.7 跃迁几率、吸收系数和谱线强度之间的关系2.8 辐射场的相干性质2.8.1 时间相干性2.8.2 空间相干性2.8.3 相干体积2.8.4 相干函数和相干度2.9 原子系统的相干性2.9.1 密度矩阵2.9.2 相干激发2.9.3 相干激发系统的弛豫2.10 习题第3章 谱线的宽度和形状3.1 自然线宽3.1.1 发射谱的洛伦兹线形3.1.2 线宽与寿命之间的关系3.1.3 吸收跃迁的自然线宽3.2 多普勒宽度3.3 谱线的碰撞展宽3.3.1 唯象描述3.3.2 相互作用势与谱线展宽和位移的关系3.3.3 碰撞引起的谱线变窄3.4 渡越时间展宽3.5 谱线的均匀展宽和非均匀展宽3.6 饱和展宽和功率展宽3.6.1 光学泵浦引起的能级粒子数饱和3.6.2 均匀展宽谱线的饱和展宽3.6.3 功率展宽3.7 液体和固体中的谱线形状3.8 习题第4章 光谱仪器4.1 光谱仪和单色仪4.1.1 基本性质4.1.2 棱镜光谱仪4.1.3 光栅光谱仪4.2 干涉仪4.2.1 基本概念4.2.2 迈克耳孙干涉仪4.2.3 傅里叶光谱4.2.4马赫–曾德尔干涉仪4.2.5 萨格纳克干涉仪4.2.6 多光束干涉4.2.7平面法布里–珀罗干涉仪4.2.8共焦型法布里–珀罗干涉仪4.2.9 多层介质膜4.2.10 干涉滤光片4.2.11 双折射干涉仪4.2.12 可调谐的干涉仪4.3 光谱仪和干涉仪的比较4.3.1 谱分辨本领4.3.2 采光本领4.4 波长的精确测量4.4.1 波长测量的精密度与准确度4.4.2 当代的波长计4.5 光的探测4.5.1 热探测器4.5.2 光电二极管4.5.3 光电二极管阵列4.5.4 电荷耦合器件4.5.5 光电发射探测器4.5.6 探测技术和电子仪器4.6 结论4.7 习题第5章 激光：光谱测量中的光源5.1 激光的基本知识5.1.1 激光器的基本元件5.1.2 阈值条件5.1.3 速率方程5.2 激光共振腔5.2.1 开放式光学共振腔5.2.2 开放式共振腔中的场分布5.2.3 共焦式共振腔5.2.4 一般性的球型共振腔5.2.5 开放式共振腔的衍射损耗5.2.6 稳定共振腔和非稳定共振腔5.2.7 环形共振腔5.2.8 被动式共振腔的频谱5.3 激光发射谱的特性5.3.1 主动式共振腔和激光模式5.3.2 增益饱和5.3.3 空间烧孔5.3.4 多模激光和增益竞争5.3.5 模式拖曳5.4 单模激光的实现5.4.1 选择谱线5.4.2 横向模式的抑制5.4.3 单纵模的选择5.4.4 光强的稳定5.4.5 波长的稳定5.5 单模激光器的波长可控调谐15.5.1 连续可调谐技术5.5.2 波长的校准5.5.3 频率偏移的锁定5.6 单模激光的线宽5.7 可调谐激光器5.7.1 基本概念5.7.2 半导体二极管激光器5.7.3 可调谐固体激光器5.7.4 色心激光器5.7.5 染料激光器5.7.6 准分子激光器5.7.7 自由电子激光器5.8 非线性光学混频技术5.8.1 物理背景5.8.2 相位匹配5.8.3 二次谐波生成5.8.4 准相位匹配5.8.5 和频与高阶谐波的产生5.8.6 X射线激光器5.8.7 差频谱仪5.8.8 光学参量振荡器5.8.9 可调谐的拉曼激光器5.9 高斯光束5.10 习题习题解答参考文献阅读心得：我的工作是直读光谱分析，在一次搜索相关书籍时找到这套书，马上拍了下来，介绍了很多理论性的知识，虽然有点难懂，但是阅读完后再理解直读的理论会有很大的帮助。其他方面的知识也长了不少，很值得一读。