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激光干涉仪原理

2020/05/13 13:49   |    阅读量:520   |    来自: 新闻媒体

【导语】 激光干涉仪,以激光波长为已知长度,利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。


什么是激光干涉仪?

激光干涉仪是利用激光作为长度基准,对数控设备(加工中心、三座标测量机等)的位置精度(定位精度、重复定位精度等)、几何精度(俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等)进行精密测量的精密测量仪器。

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机床精度的21项误差

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激光的产生
LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意为通过受激发射线的放射达到光的放大,即激光。
大多数现代位移干涉仪都使用氦氛(He-Ne)激光管,这些激光管具有633纳米(nm)的波长输出
氦氖激光管的构成如下所示:

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激光及其特点
激光输出可视为一束正弦波

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激光具有三个重要特性:

·激光波长非常稳定,可以满足精密测量的要求。

·激光波长非常短,可以用于高精度测量。

·激光具有干涉特性。

光的干涉


光具有波粒二象性。
两列或几列光波在空间相遇时相互迭加,在某些区域始终加强,在另一些区域则始终削弱,形成稳定的强弱分布的现象。
产生稳定干涉的条件:只有两列光波的频率相同,位相差恒定,振动方向一致的相干光源,才能产生光的稳定干涉。由两个普通独立光源发出的光,不可能具有相同的频率,更不可能存在固定的相差,因此,不能产生稳定干涉现象。


激光干涉测量原理

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两列振幅为A1,、A2,频率为f,初始相位分别为∅1和∅2的光在空间叠加时的光强为:

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若光的振幅相等:

·相位角相同时,复合光强为原先的2倍,产生明条纹。

·当相位角相差180º(半个波长)时,复合光强为0,产生暗条纹。


激光干涉测量原理

激光测量回路如下:

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如果测量光路长度改变(角E反射镜C移动),干涉光束的相对相位将改变,由此产生的相长干涉和相消干涉的循环将导致叠加光束强度的明暗周期变化。
角锥反射镜每移动316nm,就会出现一个光强变化循环(明—暗—明)通过计算这些循环来测量移动。
通过在这些循环之间进行相位细分,实现更高分辨率(1nm)的测量。

激光干涉测量原理

为什么要用双频激光干涉仪?

单频激光干涉仪是一种直流测量系统,存在较大的零漂;同时由于空气湍流,机床油雾,切削屑等会使光束发生偏移或波面扭曲,导致激光束强度发生变化,就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数。
双频激光干涉仪的信号时交流信号,因而对于双频激光干涉仪来说,可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大,这样,即使光强衰减90%,依然可以得到合适的电信号。
双频激光干涉仪可以在恒温,恒湿,防震的计量室内检定量块,量杆,刻尺和坐标测量机等,也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定。

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线性测量安装方式:

①固定锥角反射镜与分光镜通过安装组件固定在主轴上。

②移动锥角反射镜通过安装组 固定在移动的工作台上。

③调整激光头、分光镜、反射镜在一条直线上。

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为什么需要补偿?

激光波长是高测量精度的基础,然而激光的波长会受到空气折射率的影响。

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其中n为空气折射率,c为激光在真空中的光速,λ为波长,f为频率空气折射率又受到大气压、温度和湿度的影响。


回转轴校准光学回路

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当回转轴转动一定角度,参考光束和测量光束之间的光程差产生明暗条纹。


*本文选自测量俱乐部



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