,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 激光衍射测试技术,11/17/2024,1,第三章 激光衍射测试技术10/6/20231,引 言,光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。使光波发生衍射的障碍物或者其它能使入射光波的振幅或位相分布发生某种变化的光屏称为衍射屏。,激光出现后，由于它具有高亮度、相干性好等优点，使光的衍射现象在测试技术中得到了实质性应用。,激光衍射测试技术是一种高准确度、小量程的精密测量技术，应用比较广泛。,通常把衍射现象分为二类：,1）菲涅耳衍射，光源和观察屏（或二者之一）离开衍射屏距离有限，又称为近场衍射；,2）夫琅和费衍射，光源和观察屏距离衍射屏都相当于无限远，因而又称为远场衍射。,11/17/2024,2,引 言光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，,3-1,激光衍射测试技术基础,11/17/2024,3,3-1 激光衍射测试技术基础10/6/20233,3-1,激光衍射测试技术基础,5.1.1 单缝衍射,夫琅和费衍射的计算比较简单，特别是对于简单形状孔径的衍射，通常能够以解析形式求出积分，并且夫琅和费衍射是光学仪器中最常见的衍射现象。激光衍射测量的基本原理是利用激光的夫琅和费衍射。,夫琅和费衍射实验装置,b,L,1,L,2,S,P,P,0,单缝夫琅和费衍射的实验装置,11/17/2024,4,3-1 激光衍射测试技术基础5.1.1 单缝衍射bL1,3-1,激光衍射测试技术基础,5.1.1 单缝衍射,单缝夫琅和费衍射强度分布,用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为,b,的单缝夫琅和费衍射光强分布表达式：,其中,其分布如图示。,1,0.047,0.017,单缝夫琅和费衍射的相对光强分布,11/17/2024,5,3-1 激光衍射测试技术基础5.1.1 单缝衍射10.0,3-1,激光衍射测试技术基础,5.1.1 单缝衍射,单缝测量的基本公式,易知，衍射条纹平行于单缝方向。当 ，且,k,取整数时，出现一系列暗条纹。利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。,当,不大时：,因此缝宽,b,可以写成,11/17/2024,6,3-1 激光衍射测试技术基础5.1.1 单缝衍射10/6,5-1,激光衍射测试技术基础,3.1.1 单缝衍射,单缝测量的基本公式,利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。,当被测物尺寸改变,b,时，相当于狭缝尺寸,b,改变,b,，衍射条纹的位置也随之改变：,a,b,L,x,k,激光,b),x,k,I,0,L,观察屏,参考物,被测物,激光,b,a),衍射测量原理图,11/17/2024,7,5-1 激光衍射测试技术基础3.1.1 单缝衍射abLx,5-1,激光衍射测试技术基础,3.1.1 单缝衍射,单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程,测量分辨力能分辨的最小量值：,测量合成标准不确定度,测量量程一般为0.010.05mm。,HeNe激光器波长稳定度一般优于10,-6,，这项误差可不予考虑。,一般情况下，,L,和,x,k,的相对不确定度不超过0.1%。,取,L,=1m，,=0.63m，,k,=3，,x,k,=10mm，可得到,u,c,(,b,),=0.3m。,实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达到的不确定度,一般在0.5m左右,。,11/17/2024,8,5-1 激光衍射测试技术基础3.1.1 单缝衍射HeN,3-1,激光衍射测试技术基础,3.1.2 圆孔衍射,当平面波照射到圆孔时，其远场夫琅和费衍射像是中心为圆形亮斑、外面绕着明暗相间的环行条纹艾里斑：,圆孔,会聚透镜,接收屏,P,I,2,r,f,圆孔衍射,11/17/2024,9,3-1 激光衍射测试技术基础3.1.2 圆孔衍射圆孔会聚,3-1,激光衍射测试技术基础,3.1.2 圆孔衍射,条纹序数,sin,2J,1,(,)/,2,或(,I,p,/,I,0,),光能分布,中央亮纹,第一暗纹,第一亮纹,第二暗纹,第二亮纹,第三暗纹,第三亮纹,0,1.22=3.832,1.635=5.136,2.233=7.016,2.679=8.417,3.283=10.174,3.699=11.620,0,1.22,/2,r,1.635,/2,r,2.233,/2,r,2.679,/2,r,3.283,/2,r,3.699,/2,r,1,0,0.0175,0,0.0042,0,0.0016,83.78%,0,7.22%,0,2.77%,0,1.46%,圆孔夫琅和费衍射条纹的极值位置及光强分布,11/17/2024,10,3-1 激光衍射测试技术基础3.1.2 圆孔衍射条纹序数,3-2,激光衍射测试方法,11/17/2024,11,3-2 激光衍射测试方法10/6/202311,3-2,激光衍射测试方法,3.2.1 间隙测量法,间隙测量法是基于单缝衍射原理。,a)比较测量 b）测量轮廓 c）测量应变,间隙测量法的应用,参考边,b,参考边,工件,激光,b,参考物,试件,b,激光,激光,P,11/17/2024,12,3-2 激光衍射测试方法3.2.1 间隙测量法a)比较,3-2,激光衍射测试方法,3.2.2 反射衍射测量法,反射衍射法是利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。,P,A,A,L,2,b,b,棱缘,镜像棱缘,反射表面,接收屏,反射衍射法原理图,x,k,11/17/2024,13,3-2 激光衍射测试方法3.2.2 反射衍射测量法P,3-2,激光衍射测试方法,3.2.2 反射衍射测量法,角一般是任意的，测得某一入射角,位置的两个,x,k,值代入公式，联立解出,值和,b,值。,从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.50.025m。,光电器件,磁盘,磁头,b)测量磁盘系统的间隙,c)直线性偏差,试件,标准反射面,试件,标准刃边,a)评价表面质量,反射衍射法应用实例,11/17/2024,14,3-2 激光衍射测试方法3.2.2 反射衍射测量法光电,3-2,激光衍射测试方法,3.2.3 分离间隙法,在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔,z,。此时衍射图形出现不对称现象。测两次，联立求解。,1,1,3,2,A,1,2,A,1,L,b,z,A,P,1,x,k1,x,k2,P,2,分离间隙法原理图,11/17/2024,15,3-2 激光衍射测试方法3.2.3 分离间隙法113,3-2,激光衍射测试方法,3.2.4 艾里斑测量法,艾里斑测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行微小孔径的测量。,显示器,电压比较器,光电接收器2,光电接收器1,被测件,激光器,L,衍射图,喷丝头孔径的,艾里,斑测量原理,11/17/2024,16,3-2 激光衍射测试方法3.2.4 艾里斑测量法显示器,3-2,激光衍射测试方法,3.2.5 互补测量法,激光衍射互补测量法的原理是基于巴俾涅原理，当用平面光波照射两个互补屏时，它们产生的衍射图形的形状和光强完全相同，仅位相相差为。,11/17/2024,17,3-2 激光衍射测试方法3.2.5 互补测量法10/6,11/17/2024,18,10/6/202318,3-3 衍射光栅,11/17/2024,19,3-3 衍射光栅10/6/202319,3-3 衍射光栅,3.3.1 衍射光栅,能够使入射光的振幅或位相，或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件叫做衍射光栅。,分类：根据利用反射光还是透射光，衍射光栅可分为反射光栅和透射光栅两类；按它对入射光的调制方式又可分为振幅光栅和位相光栅；此外，还有矩形光栅和余弦光栅，一维、二维、三维光栅等。,光栅种类虽然较多，但其主要应用是作为分光元件，在光谱测试、光通信系统等领域有广泛的应用。,这里仅介绍几种应用。,11/17/2024,20,3-3 衍射光栅3.3.1 衍射光栅10/6/2023,3-3 衍射光栅,3.3.2 衍射光栅应用例,1光谱仪,球面反射镜,接收部分,谱面,闪耀光栅,转台,准直部分,反射镜,狭缝,聚光镜,光源,利特罗自准直光谱仪,11/17/2024,21,3-3 衍射光栅3.3.2 衍射光栅应用例球面反射镜接,3-3 衍射光栅,3.3.2 衍射光栅应用例,2光波分复用器,6.2,自聚焦透镜,输出光纤,输入光纤,1,5,光栅,玻璃楔,125,m,光栅型波分复用器结构示意图,1,5,11/17/2024,22,3-3 衍射光栅3.3.2 衍射光栅应用例6.2自聚,3-3 衍射光栅,3.3.2 衍射光栅应用例,3光纤光栅,光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅利用光纤材料的光敏性（外界入射光和掺锗光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。,目前制作的光纤光栅反射率,R,可达98，反射谱宽为1nm。,11/17/2024,23,3-3 衍射光栅3.3.2 衍射光栅应用例10/6/2,3-3 衍射光栅,3.3.2 衍射光栅应用例,4光栅分束器,氦氖激光器,光栅1,光栅2,成像透镜,滤波孔径,干涉图平面,偏振器,准直镜,待检表面,掠,入射,干涉仪光路图,11/17/2024,24,3-3 衍射光栅3.3.2 衍射光栅应用例氦氖激光器光,