近代光学讲稿
近代光学在精密计量测试中的应用一、计量metrology 计量实现单位统一、量值准确可靠的活动。
这些活动，大体上包括进行科学研究，发展测量技术、以及制定计量法律、法规、条例，形展计量行政管理，才能保证 经济而有效地为社会提供计量服务。
在相当长的历史时期内，计量的对象主要是物理量，后来随着科技进步和社会发展而扩展到工程量、化学量、生理 量、甚至心理量。
当前普遍开展和比较成熟或传统的几何量(长度)、热 工(温度)、力学、电磁、无线电、时间频率、光学、电离 辐射、声学和化学等，即所谓 同时，在一些高新技术领域如生物、医学、环保、信息、航天和软件等方面的专业计量测试，也正在逐渐形成和不断 加强。
计量的内容也在不断地扩展和充实，通常可概括为6个方面: 1。
计量单位与单位制; 2。
计量器具(或测量仪器)，包括实现或复现计量单位的计量基准、标准与工作计量器具; 3。
量值传递与量值溯源，包括检定、校准、测试、检验与 检测; 4。
物理常量、材料与物质特性的测定; 5。
不确定度、数据处理与测量理论及其方法; 6。
计量的特点取决于计量所从事的工作，即为实现单位统一、量值准确可靠而进行的科技、法制和管理活动。
概括地说，可归纳为 当前，国际上趋向于把计量学分为 3类，分别代表计量的基础、应用和政府起主导作用的社会事业3个方面。
这时，计量学通常简称为计量。
科学计量是指 的计量科学研究， 通常用最新的科技成果来精确地定义与实现计量单位，并为 最新的科技发展提供可靠的测量基础。
科学计量是国家计量研究机构的主要任务，包括计量单位与单位制的研究、计量基准与标准的研制、物理常量与精密测量技术的研究、量值溯源与量值传递系统的研究、量值 比对方法与测量不确定度的研究等。
科学计量既可法制计量提供技术保障，或者说法制计量是以科学计量为其行政执法的技术基础，还为工程计量和新技术发展提供测量基础。
正如俄国科学家门捷列夫说过的:“没有测量，就没有科学。”另一方面，科学计量本身又必须用最新的科技成果来 发展自己，使之始终集持在先行位置。
因此，计量事业理所当然地属于国家的基础设施事业 之一。
四、计量的发展阶段 计量的发展，大体上可分为以下3个阶段 1。
古典计量阶段 特点:是以权力和经验为主的初级阶段，没有或者没有充分的科学依据。
经典计量阶段 1875年“米制公约”的签订，可认为是经典计量阶段的开始。
特点:计量基准都属于宏观器具。
现代计量阶段 现代计量阶段的基本标志是由经典理论转向量子理论，由 宏观实物基准转向微观量子基准。
五、计量发展趋势 (一)由宏观到微观(量子基准) SI基本单位共7个 量的名称 单位名称 符号 长度 质量千克 kg 时间 mol发光强度 cd1。
主要研究领域: 特点: 非接触性、高灵敏度、高精度、三维性、快速性、实 精密计量测试是光学的重要应用领域。
光波长和频率的测量和复现 长度单位“米”的定义一、米定义 1983年第17届国际计量大会上正式通过了新的米定义。
新的米定义为:“米是光在真空中(1/299 792 458)秒时间间隔内所经路程的长度。”二、米定义的复现实现米定义的途径 新的米定义将两个基本物理量长度与时间利用定义的基本物理常数真空光速值结合了起来。
这样，长度测量便可通过精度很高的时间测量来实现，波长测量也可通过涉率测量 来实现。
国际计量大会在通过新的米定义的同时，通过了实现米定义的三个途径。
(2)用频率为 的平面电磁波的真空波长来复现米(真空波长法)。
用真空波长法复现米，在实际使用中仍可应用传统的光波干涉法。
(3)直接应用CCDM推荐的几种稳频激光器的频率值与波长 值。
1982年第7届国际米定义咨询委会(CCDM)推荐了五种 稳频激光器的频率(波长)值。
1992年第8届CCDM总结了稳频激光技术的进步，改善了 5种稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度，并根据发展需要 又增加了3种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的标准辐 甲烷稳频3.39μm氦氖激光器 碘稳频576nm染料激光器 碘稳频633nm氦氖激光器 碘稳频612nm氦氖激光器 碘稳频515nm氩离子激光器 碘稳频543nm氦氖激光器 钙束稳频657nm染料激光器 碘稳频640nm氦氛激光器的标准辐射是由中国计量科学研究院首创和申报的。
我国在长度基准研究领域已跨 入世界先进行列。
采用饱和吸收稳频激光辐射的优点 稳频装置结构紧凑，可以搬运，并且可以得到较满意的频率稳定度和复现性。
饱和吸收激光稳频最常用的方法是将激光频率稳定到输出功率曲线的兰姆凹陷中心，或利用外界参考作频率标准而进行稳频，例如利用内、 外吸收室作为外界参与频率的装置，与前者相比，后者虽然较 复杂一些，但可以得到较高的频率稳定度和复现性。
激光稳频原理的方框图 三次谐波稳频伺服装置框图 特点:用基频f调制激光而相敏检波则在频率3f下工作 分子饱和吸收谱线稳定的氦氖激光系统一、碘稳频612nm、633nm、640nm激光系统的组成 中国计量科学研究院腔内吸收室碘稳频612nm激光系统原理图 由中国计量科学研究院研制的碘稳频612nm激光器的稳定性达到510 -12 ，复现性为210 -11 碘稳频640nm氦氖激光器的标准辐射是我国首创和申报的。
第二章 干涉测试技术 概述一、光干涉的基本理论 极大值条件极小值条件 简化并写为标量式结果为 极大值条件:极小值条件: 产生干涉的必要条件 1。
叠加光波的频率相同 2。
两叠加光波的有分析相同的振动分量 3。
两叠加光波的相位差恒定。
激光测长系统 2。
白光定位 3。
折射率修正 激光量块干涉仪光学系统 应用实例二:线纹尺干涉比长仪 线纹尺干涉比长仪结构简图 线纹尺干涉比长仪的光电显微镜瞄准 光电显微镜光学系统和双管信号合成图 动态光电显微镜电路逻辑方框图 激光振动校准系统 振动光电信号的傅立叶分解 激光外差干涉仪 单频激光干涉仪的光强信号及光电检测器转换后的电信号都是直流量(还可称为零差干涉仪、直流干涉仪)。
直流漂移是形成测量误差的重要原因，信号处理仔细分都比较困难，采用双频光源的外差干涉仪使光、电信号均成为交流量，不仅克服了上述单项频干频仪的漂移问题，而且使细分变得容易，显著提高了抗干扰性能。
国产双频激光干涉仪(机械部成都工具所) HP公司双频激光干涉仪(HP5528A) HP公司双频激光干涉仪数显箱(HP5528A) 光在进入偏振分光镜前均应转换为振动方向正交的两线 偏振光，分别以E 进和参考臂，由两角隅棱镜反射，在偏振分光镜会合成为 coscos 发生拍频，成为光强信号的交流分量为 称为小数，测量N和ε即可得到位 2.外差干涉仪原理的多普勒效应的解释(1)用多普勒效应解释单频激光干涉仪的工作原理 当光源与光接收器作相对运动时，光接收器收到的光波频率f是随着光源与光接收器之间相对速度v的不同而改变的。
这种现象称为光波的多普勒效应。
如果相对运动速度为v， 则有: c--光在真空中的速度。
在激光干涉仪光路中，激光束被析光镜分成两路，一路从固定不动的参考镜返回，另一路从可动的测量镜返回。
当测量镜静止不动时， 拍频为零，干涉场上光强无变化;反之就有亮暗的起伏。
被测物体相对于干涉仪静止时，仍然保留一个f 流信号，被测物体的运动只是使这个信号的频率增加或减少，因而前置放大器可采用较高倍数的交流放大器;避免了直流放大器的零点漂移问题。
这就是双频激光干涉仪抗干扰能力 较强的原因。
双频激光干涉仪的信号处理应用篇 激光干涉仪是最精密的长度计量仪器。
而双频激光干涉仪由于其抗干扰能力强，加上温度、 气压、湿度修正措施，使其在保持高精度的前提下走出实验室， 用到了生产现场，从而在当前先进制造中得到了广泛的应用。
双频激光干涉仪在国外是70年代初期出现的。
我国于1975 年底研制出了试验样机。
AOM3-40MHz，AOM3’- 41MHz。
无近程死区(HP有)。
光程差在π内，可将W 移出再放回(HP不行)。
激光量块标定装置 特点:通过差动测量，角度偏差Δρ对测量结果无影响 5。
消除螺母周期性倾斜 2。
消除轴向窜动 6。
双座标激光干涉测量系统 应用在精密X-Y工作台上。
如:金刚石车床。
单光束三维干涉仪在加工中心上安装示意图 7。
单光束三维干涉仪(单光束、多通道) 用激光干涉测量重力加速度 gtvt 激光干涉在精密定位中的应用平面镜干涉系统光路图 平面镜干涉系统倾斜光路图 特点:(1)分辨率增加一倍。
第一次反射偏斜与第二次的反射偏斜相互补偿。
用声光移频器件实现的外差干涉系统 1。
激光外差测振仪原理 NASA激光外差测振仪光路 =25MHzDISA激光外差测振仪光路 清华研制的磁盘平面度测量仪 在机械加工过程中，由于刀痕、切削过程中切屑分离时的塑性变形、工艺系统中的高频振动、刀具和被加工表面的摩擦等等原因，会使被加工零件的表面产生微小的峰谷。
这种被加工面所存在的较小间距和峰谷组成的微观几何形状特征，就是零件的表面粗糙度。
第四章 表面粗糙度测量与表面形貌分析用干涉仪 概述现在表面分析技术已远走出机器零件表面粗糙度测量的范围。
表面形貌测量 微电子工业:硅片、磁盘表面、光盘，光学元件窗片 材料科学:表面形貌分析，材料微裂纹 生物工程:细胞、生物芯片、遗传学科学研究:纳米技术，物理、化学、生物等基础科学 等等特点:通常 量程小、测量分辨率高(nm)、非接触、无目标靶。
主要表面形貌微观测量仪性能比较 相移干涉技术分步相移干涉原理: h:被测表面微观不平度。
如果干涉仪参考臂连续调制且调制幅度小于2π，即 只有当即锁定在极值点上。
最后一项为0，无奇次 谐波。
干涉显微镜 1986年WYKO公司研制成功 的TOPO非接触微表面测量 系统。
Mirau干涉仪的改进: R被固定在PZT上。
带有旋转检偏器测相的改进的微分干涉显微镜(清华)垂直分辨率优于1nm，水平分辨力0.4μm Nomarski干涉显微镜及改进 共模抑制干涉仪干涉测量中的自适应原则在精密测量仪器设计时，不但要构成测量信号的载体，而且 要对主要噪声(扰动)因子对测量的影响进行实时的或短期的预报和补偿，以消除其对测量的影响。
探测光路和参考光路均由被测表面反射 2。
无需参考面 3。
扫描时工作台导轨不直带来的工件少量倾斜不影响测量。