1、實(shí)驗(yàn)三激光干涉測(cè)量技術(shù)一、引言激光精密干涉測(cè)量技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。區(qū)別于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中應(yīng)用成套的干涉儀設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)使用零散的光學(xué)元件搭建干涉裝置，旨在鍛煉學(xué)生的實(shí)際光路搭建能力以及相關(guān)的實(shí)踐技巧。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解激光干涉測(cè)量的原理2掌握微米及亞微米量級(jí)位移量的激光干涉測(cè)量方法3了解激光干涉測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合4. 鍛煉實(shí)際光路搭建能力以及搭建干涉測(cè)量裝置的相關(guān)技巧三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)采用泰曼格林（Twyman-Green）干涉系統(tǒng)，TG干涉系統(tǒng)是著名的邁克爾遜白光干涉儀的一種變型，在光學(xué)儀器的制造工業(yè)中，常用其產(chǎn)生的等間距干涉條紋對(duì)光學(xué)零件或光學(xué)系統(tǒng)作綜合質(zhì)量檢驗(yàn)。圖1 泰曼格林干

2、涉儀原理圖泰曼格林干涉儀與原始的邁克爾遜干涉儀不同點(diǎn)是，光源是單色激光光源，它置于一個(gè)校正像差的透鏡L1的前焦點(diǎn)上，光束經(jīng)透鏡L1準(zhǔn)直后，被分束器A分成兩束光，到達(dá)反射鏡M1和M2并被反射，兩束反射光再次經(jīng)A透射和反射，用另一個(gè)校正像差的透鏡L2會(huì)聚，觀察屏放在透鏡L2的焦點(diǎn)位置觀察，也可不加透鏡L2直接觀察。能夠觀察到反射鏡M1和M2的整個(gè)范圍，從而可獲得清晰、明亮的等間距干涉直條紋，其原理如圖1所示。若作出反射鏡M1在半反射面A中的虛像M1（圖中未畫出），干涉儀的出射光線相當(dāng)于M2 和M1所構(gòu)成的空氣楔的反射光，因而泰曼干涉儀實(shí)際上就等效于平面干涉儀，只是這里兩束光的光路被完全分開(kāi)，進(jìn)而產(chǎn)

3、生了等厚干涉條紋。當(dāng)光源是點(diǎn)光源時(shí)，條紋是非定域的，在兩個(gè)相干光束重疊區(qū)域內(nèi)的任何平面上，條紋的清晰度都一樣。不過(guò)，實(shí)際上為了獲得足夠強(qiáng)度的干涉條紋，光源的擴(kuò)展不能忽略，這時(shí)條紋定域在M1 和M2構(gòu)成的空氣楔附近。如圖1所示，設(shè)入射平面波經(jīng)M1反射后的波前是W1，經(jīng)M2反射后相應(yīng)的波前是W2，W1和W2位相相同。引入虛波前W1 ，它是在W1半反射面A中的虛像，圖中畫出了虛相交于波前W2上P點(diǎn)的兩支光路，這兩支光在P點(diǎn)的光程差為              &

4、#160;                              即等于W1到P點(diǎn)的法線距離，因?yàn)閃1和W2之間介質(zhì)（空氣）折射率為1，顯然當(dāng)             

5、0;                     時(shí)，P點(diǎn)為亮點(diǎn)，而當(dāng)                            

6、;    時(shí)，P點(diǎn)為暗點(diǎn)。如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回來(lái)的波前W1（或W1）和W2也是平面，這樣當(dāng)眼睛聚焦于W2上時(shí)，在W1和W2之間有一楔角的情況下，將看到一組平行等距的直線條紋（W1和W2相互平行，視場(chǎng)是均勻照明的，沒(méi)有條紋），它們與所形成的空氣楔的楔棱平行。從一個(gè)亮條紋（或暗條紋）過(guò)渡到相鄰的亮條紋（或暗條紋），W1和W2之間的距離改變 。由于測(cè)量鏡M2移動(dòng)l會(huì)帶來(lái)2l 的光程差則：             

7、0;                                 式中N為干涉條紋數(shù)。因此，記錄下干涉條紋移動(dòng)數(shù)，已知激光波長(zhǎng)，即可測(cè)量反射鏡的位移量，或反射鏡的軸向變動(dòng)量l。測(cè)量靈敏為：當(dāng)N1，則       &#

8、160;        （He-Ne激光），即 五、實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)光路圖2  泰曼格林干涉儀實(shí)驗(yàn)光路圖1激光器  2衰減器  3定向孔  4反射鏡  5擴(kuò)束透鏡  6準(zhǔn)直透鏡  7分束器  8組合工作臺(tái)（夾持反光鏡）  9組合工作臺(tái)（夾持反光鏡并帶有平移臺(tái)） 10成像物鏡 11探測(cè)器激光器1發(fā)出的激光（激光波長(zhǎng)632.8nm ），經(jīng)衰減器2（用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度）后，由定向小孔3引導(dǎo)，經(jīng)反射鏡4進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡5，6后，由分束器7(本實(shí)驗(yàn)

9、中采用分光棱鏡)分成二束光，分別由反射鏡8（即圖1中的M1），9（M2）反射后，兩束光相遇形成干涉條紋并經(jīng)成像物鏡10（即圖1中L2）將條紋成于光電探測(cè)器11上（本實(shí)驗(yàn)不加透鏡10，并使用白屏代替光電探測(cè)器11）。并且，隨著組合工作臺(tái)9上反射鏡的前后移動(dòng)，干涉條紋會(huì)隨之移動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)微位移量的測(cè)量。2、實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，首先要熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用到的儀器和光學(xué)元件，注意不要用手去觸摸光學(xué)元件表面，并且要輕拿輕放，本實(shí)驗(yàn)不使用的器件應(yīng)事先移開(kāi)。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，點(diǎn)亮He-Ne激光器預(yù)熱，并等待其光強(qiáng)穩(wěn)定。1  激光擴(kuò)束。在反射鏡4的中間位置處，能夠看到明亮的激光光斑，觀察通過(guò)擴(kuò)束透鏡5

10、后，出射光斑是否均勻，并經(jīng)透鏡6準(zhǔn)直。使用平晶檢查準(zhǔn)直質(zhì)量。2  正確安裝分光棱鏡7，注意分光棱鏡的放置方向，使分得的兩束光盡量能量相同。在多功能試件夾8和組合工作臺(tái)9上，分別裝平面反射鏡，使光線經(jīng)過(guò)分光棱鏡獲得的反射光和折射光能夠正常到達(dá)成像物鏡10的位置。3  調(diào)節(jié)工作臺(tái)8，9上調(diào)平調(diào)向測(cè)微器，使二路反射光較好重合（在成像物鏡10后焦面上，兩反射光會(huì)聚的光斑重合），由于光線經(jīng)過(guò)多次的反射和折射，聚焦光斑不容易調(diào)節(jié)至完全重合，所以要求實(shí)驗(yàn)者足夠的熟悉調(diào)平調(diào)向測(cè)微器，以便得到較好的干涉條紋。4 隨著組合平臺(tái)的螺旋測(cè)微器轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)反光鏡產(chǎn)生微小位移，引起了干涉條紋的移動(dòng)，來(lái)測(cè)量微小位移量。5  記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出微小位移量，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼`差分析。6