現(xiàn)代光學測試技術

1、光學研究方法（光學測試技術）光學研究方法（光學測試技術）要求：1.寫一篇綜述論文，字數3000字以上；2.內容：首先對光學測試技術進行綜述，然后結合課內講述內容，就一個測試內容進行綜述，也可以就一個研究領域進行綜述。1 領域與特點l一、研究領域l 凡是利用光學原理進行精密測量的技術，都稱為光學測試技術。主要方向有：計量、測量 、檢驗與測試一般說計量是泛指對物理量的標定、傳遞與控制；測量是泛指各種物理量與技術參數的獲取方法；檢驗是泛指產品質量的評估技術與方法；而測試則是測量、試驗與檢驗的總稱，側重于方法與技術的研究，而不是產品質量的標定方法研究，光學測試技術的主要研究領域如表 01 所示。二、技

2、術特色三、技術現(xiàn)狀三、技術現(xiàn)狀 光電儀器 光加工設備 圖01 光學產業(yè)發(fā)展硯狀現(xiàn)代光學測試技術主要介紹：干涉技術、全息技術、散斑技術、莫爾技術、衍射技術、光掃描技術、光纖傳感技術、激光多普勒技術、激光光譜技術、信息與圖像技術、光學納米技術等。隨著激光器的出現(xiàn)和傅里葉光學的形成，特別是激光技術與微電子技術、計算機技術的結合，出現(xiàn)了光機電算一體化的現(xiàn)代光學測試技術。上圖為光機電算金字塔結構，塔頂是光學。支撐基礎：2 方法的選擇方法的選擇 面對一個計量測試任務，首先碰到的問題是如何合理而可靠地選擇一種好的測試原理。 合理選擇光學測試方法的原則是根據五點：1）測定對象；2）測定范圍；3）靈敏度或精度；

3、4）經濟性；5）測試環(huán)境。測定對象是指被測的類型，例如是測量長度，還是測量角度，是測量速度還是測量位移；是測量溫度還是測定溫度變化。不同測定對象，有完全不同的測試方法。同樣，同一測定類型但測定范圍不同時，也有不同的測試方法可供選擇。 表 04， 由測定對象和測定范圍來選擇的測試方法l選擇測試方法的另一l主要原則是測量靈敏l度和要求的精度。圖 l03 是主要光學測試l方法在尺寸上能達l到的靈敏度（分辨率）。43技術發(fā)展方向技術發(fā)展方向 隨著新世紀的開始，科學技術必然是高新技術的日新月異和工業(yè)生產的精密化、自動化和智能化，這就對光學測試技術提出新的要求，促使光學測試技術的近代發(fā)展走向如下幾個方向：

4、 ( l ）亞微米級、納米級的高精密光學測量方法首先得到優(yōu)先發(fā)展 ； ( 2 ）快速發(fā)展小型的、微型的非接觸式光學傳感器; ( 3 ）半導體激光器（ LD ）及其陣列，光開關，光濾波器，光電探測陣列等新器件將在過程控制、在線測量與控制上得到廣泛應用；（4）微光學這類微結構系統(tǒng)將嶄露頭角;（5）快速、高效的 3 -D （三維）測量技術將取得突破；（6）發(fā)展帶存貯功能的全場動態(tài)應變測量儀器；（ 7 ）發(fā)展閉環(huán)式光學測試技術，實現(xiàn)光學測量與光學控制的一體化；（8）以微細加工技術為基礎的高精度、小尺寸、低成本的集成光學和其他微傳感器將成為主流方向；（9）發(fā)展光學診斷和光學無損檢測技術?？倧土暱倧土暤谝?/p>

5、章第一章 光干涉技術光干涉技術一、泰曼格林干涉儀的結構和工作原理 泰曼-格林干涉儀的結構如圖 1-16 所示： 準單色點光源和透鏡 L1提供入射的平面波（平行光束），干涉儀的一臂裝有參考反射鏡 M 1 ，另一臂則裝上被測試的光學元件M 2 。光源發(fā)出的光經分光鏡分光后分別由M 1和被測試的光學元件M 2反射在觀察孔處相遇干涉，形成干涉條紋，干涉條紋可用目視觀察或用照相機（鏡頭應位于 L2 的焦點處）把干涉條紋拍攝下來進行分析。根據干涉條紋的變化，就可判斷被測光學元件的質量。在圖 116 中所示泰曼一格林干涉儀中，球面鏡 M 2的曲率中心和被測透鏡的焦點重合。如果待測透鏡沒有像差，那么，返回到分

6、束器的反射波將仍是平面的。然而，如果被測透鏡有球差、彗差或像散引起波陣面的變形，那么就會清楚地看到具有畸變的一幅干涉條紋圖，并且可把干涉條紋拍攝下來進行分析。若把 M 2換成平面鏡，就可以檢驗許多別的光學元件，如梭鏡，光學平板等。三、共路干涉儀測試 在泰曼-格林干涉儀中，由于參考光束和測量光束沿著彼此分開的光路行進，它們受到環(huán)境的振動和溫度的影響不同，如果不采取適當的隔震和恒溫措施，則觀察面或接收面上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，就不可能進行精確的測量。共路干涉儀可以較好地解決上述問題。所謂共路干涉儀，就是干涉儀中參考光束與測量光束經過同一光路，對環(huán)境的振動和溫度、氣流的變化能產生彼此共模抑制，一般無

7、需隔震和恒溫條件也能獲得穩(wěn)定的干涉條紋。（一）斐索共路干涉儀測試（二）散射板分束器及散射板干涉儀 1 散射板分束器 散射板分束器是一塊利用特種工藝制作的弱散射體，會聚的入射光束經這一散射板以后被一分為二：一部分光束直接透過散射板到達被測表面的中心區(qū)域；另一部分光束經散射板后，被散射到被測表面的全孔徑，如圖 131 所示。這兩支光束均由被測表面反射后復經散射板第二次透射、散射后產生干涉。l 散射板分束器上各點的相位不是隨機分布的，每一散射點都具有對散射板中心反轉對稱的相位分布，即相對于散射板中心的每一對對稱散點都是同相點，但相鄰散射點的相對位相呈隨機分布。制板時為了使散射板上的散射點位相具有反轉

8、對稱的性質，在同一全息干板上要作l 二次曝光，并在二次曝光時把全息干板繞軸精確地旋l 轉 1800。l2 散射板干涉儀l（ 1 ）光路原理 1 3多通道干涉儀測試多通道干涉儀測試一、雙通道干涉儀（一）用雙通道干涉儀進行像差分離在泰曼格林干涉儀中，當被測透鏡存在多種像差時，要從干涉圖中對個別像差進行估計是很困難的，若改成雙通道排列來使用，就可以使對稱的波像差和非對稱的波像差以分離的干涉圖顯示出來。雙通道泰曼格林干涉儀如圖170所示。 1 -5 長度（間隔、高度、振幅）的激光干涉測量一、激光干涉測長的工作原理及特點 干涉測長儀器是用光波波長為基準來測量各種長度（如各種線紋尺、量塊、曲率半徑、高度等

9、）的儀器。干涉測長儀是屬測量干涉場上指定點上位相隨時間而變化的干涉儀。激光干涉測長儀與用其它準單色光源的干涉測長儀相比，具有下列的顯著優(yōu)點：1 測量范圍大：干涉儀的相干長度取決于光源的單色性，可由下式表示：現(xiàn)在已有測量距離大于1000的干涉測長儀。2 測量速度高 用光譜燈來檢定一米長的線紋尺，一般要用幾個小時的時間，用激光作光源來進行檢定一般只要數分鐘就夠了。測長時，速度的快慢不僅是效率的問題，而且還關系到測量精度。測量速度愈高，外界干擾因素（如溫度、氣流及振動等)的影響愈小，愈有利于提高測量精度。3.儀器結構簡化激光干涉測長的工作原理如圖 1-101 所示。 1 -6 激光外差干涉測長與測振

10、 激光光波干涉比長儀以光波波長為基準來測量各種長度，具有很高的測量精度。這種儀器中，由于動鏡在測量時一般是從靜止狀態(tài)開始移動到一定的速度，因此干涉條紋的移動也是從靜止開始逐漸加速，為了對干涉條紋的移動數進行正確的計數，光電接收器后的前置放大器一般只能用直流放大器，而不能用交流放大器，因此在測量時，一般對測量環(huán)境有較高的要求，一般的干涉比長儀不能 用于車間現(xiàn)場進行精密測量。為了適應在車間現(xiàn)場實現(xiàn)干涉計量的需要，必須使干涉儀不僅具有高的測量精度，而且還要具有克服車間現(xiàn)場中氣流及灰霧引起的光電信號直流漂移的性能，光外差干涉 技術是為解決車間現(xiàn)場測量問題而發(fā)展起來的。 這種技術的一個共同點是在干涉儀的

11、參考光路中引入具有一定頻率的副載波，干涉后被測信號是通過這一副載波來傳遞，并被光電接收器接收，從而使光電接收器后面的前置放大器可以用一交流放大器代替常規(guī)的直流放大器，以隔絕由于外界環(huán)境干擾引起的直流電平漂移，使儀器能在車間現(xiàn)場環(huán)境下穩(wěn)定工作。一、雙頻激光外差干涉儀圖 1 -141 示出雙頻激光外差干涉儀的光學系統(tǒng)。干涉儀的光源為一雙頻 He-Ne 激光器，這種激光器是在全內腔單頻 HeNe 激光器上加上約 300 特拉斯的軸向磁場，由于塞曼效應和頻率牽引效應，使該激光器輸出一束有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們頻率差 約為 1.5MHz 。這兩束光經分光鏡4分成兩路,反射光經檢偏器5產生

12、”拍”,其拍頻即為 1.5MHz ,經探測器轉電信號,經放大器后送給計算機.頻率牽引效應：在激光器中，由于激活介質的存在，與空的光學諧振腔不同，其振蕩模工作頻率會因色散的存在位置有所移動，會向激活介質的中心頻率稍微靠近，形成所謂頻率牽引現(xiàn)象。若測量鏡以速度為運動(移動或振動），則由于多普勒效應，從測量鏡返回光束的光頻發(fā)生變化，其頻移為 ，該 光與返回光會合，形成“拍”，其拍頻信號可表示為：計算機先將拍頻信號 與參考信號 進行相減處理后，就得到所需的測量信息 .設在動鏡移動的時間 t 內，由 引起的條紋亮暗變化次數為 N ，則有：上式中 為在時間內動鏡移動的距離L，于是有：第三章第三章 散斑技術

13、散斑技術一、散斑的形成及其性質 當一束激光射到物體的粗糙表面（例如鋁板）上時，在鋁板前面的空間將布滿明暗相間的亮斑與暗斑；若再置一紙屏于鋁板的前面，會更明顯地看到這一現(xiàn)象，這些亮斑與暗斑的分布是雜亂的，故稱為散斑。不論將紙屏置于近處或遠處，都可以看到這一現(xiàn)象，這表明鋁板前面的整個空間都布滿著散斑，僅在紙屏靠近鋁板時，散斑較小，遠離鋁板時，散斑較大。若所用鋁板的表面不是粗糙的，而是光滑的話，則入射光線被鋁板反射，而不成散射，所以在紙屏上將看不到散斑。若所用的雖是粗糙的表面，但入射的不是激光，而是白光或鈉光，這時雖發(fā)生散射光，但由于光線并不相干，會聚到P點的各散射光不發(fā)生干涉，即不會形成暗斑和亮斑

14、。二、形成散斑必須具備的條件：1 ）必須有能發(fā)生散射光的粗糙表面。為了使散射光較均勻，則粗糙表面的深度必須大于波長； 2 ）入射光線的相干度要足夠高，例如使用激光。當激光射到毛玻璃上時，因為符合以上兩個條件，所以，在毛玻璃后面的整個空間充滿著散斑。三、離焦記錄時的拍攝裝置圖 3 -7 為離焦記錄時的拍攝裝置。在圖中，位于成像平面 P點的散斑是由觀察面上的P點所決定的，而P點散斑又是由位于物面上M點的面積元d所形成的。離焦量大，則物點上較大的面積形成P點的散斑，測得的是該面元對P點影響的平均值，因而降低了測量精度；另一方面，離焦量大測量靈敏度高，所以在測量中要合理選擇離焦量。 在散斑測量中，為了

15、使各方向的轉動或移動有同樣的靈敏度，一般取垂直于表面的方向觀察或拍攝。在實際應用中亦是這樣的。第四章 莫爾條紋技術 4 -2 光柵讀數頭一、莫爾條紋信號的特點（一）條紋把位移放大 上面已經介紹，以微小角度疊合的兩塊光柵得到的是橫向條紋，這種莫爾條紋是位移測量的基準。由于 W =P / ，因此條紋放大 1 / 倍，就是說光柵副起到一個高質量的就是說光柵副起到一個高質量的可調前置放大器的作用可調前置放大器的作用。它能將微小位移變化合理放大，獲得信噪比很大的穩(wěn)定輸出。由于條紋寬度比光柵節(jié)距放大幾百倍，所以有可能在一個條紋間隔內安放細分讀數裝置，以讀取位移的分度值，即進行細分。（二）誤差的平均效應 光

16、電接收元件接收的信號，是進入視場的光柵線數 N 的疊加平均的結果。而一般進入視場的光柵線條有幾十線對甚至上千線對，這樣光電元件接收的信號是這些線條的平均結果。因此當光柵有局部誤差時，由于平均效應，使光柵缺陷或局部誤差對測量精度的影響大大減小，大致的關系是：為平均誤差。（三）光柵信號與位移的對應關系 光柵副中任一光柵沿橫向（垂直于線紋方向）移動時，莫爾條紋就沿垂直方向移動，而且移過的條紋數與柵距是一一對應的。即光柵即光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋寬度移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋寬度 w ，所以測出了莫爾條紋移動的數目，也就知道了光柵移動的距離。這種嚴格的線性關系就這種嚴格的線性關系

17、就是用莫爾條紋進行長度與角度測量的原理是用莫爾條紋進行長度與角度測量的原理。（四）信號波形的正弦性 莫爾條紋光場的亮度分布符合正弦規(guī)律，經由光電元件轉換之后，如果接收狹縫比條紋寬度窄得多，則輸出信號的瞬時波形也和莫爾條紋的亮度分布一樣，非常接近于正弦波。由于亮度沒有負值（極限為零），因此光電元件所取得的信號總是疊加在一個平均信號之上（平均信號反映了平均亮度，即背景）。所以，經光電元件轉換后，形成了帶有平均電壓的交變信號，如圖 4 6 所示。l （五）共模漂移l 光柵的平均背景引起共模電壓，但是，光柵全長上透光量并非處處一樣，工作期間光源的亮度也難保持不變，這樣，在光柵不同位置上，將有不同的平均

18、背景，于是產生共模漂移。共模及共模漂移都影響光柵系統(tǒng)的工作性能。在信號曲線上，只有與Vcp相交的那些點（見圖 4 - 6 中的 b 和 d 稱過零點）靈敏度最高，穩(wěn)定性最好，因此作為對準定位和觸發(fā)脈沖等用途的工作點，幅度調制系統(tǒng)的細分也是以這些過零點作依據。如果共模電壓相對地大，那么系統(tǒng)（指工作點）是不穩(wěn)定的，如有共模漂移，即實際工作點就會偏離過零點，由此引起脈沖間隔的變化。容許的漂移值應由插補系數或定位精度確定。（六）反差光電信號的反差（即襯度），常用調制系數 K 0，調制度 M d或對比度 C來評價（見圖 4 - 6 )二、光柵讀數頭組成 實際應用中，常根據讀數頭的結構特點和使用場合分為：

19、分光讀數頭、直接接收式（或硅光電池式）讀數頭、鏡像讀數頭以及反射光柵讀數頭等。就光學系統(tǒng)而言，不外乎夫瑯和費系統(tǒng)和費涅爾衍射系統(tǒng)兩類。 讀數頭由光源、準直透鏡、指示光柵、光電元件讀數頭由光源、準直透鏡、指示光柵、光電元件和必要的光闌、接收狹縫及調整機構等部分組成。和必要的光闌、接收狹縫及調整機構等部分組成。光源的燈絲應安置于準直透鏡的焦點上。準直透鏡也有一定的像差要求，燈絲必須細而直，照度要穩(wěn)定，否則會因背景變化而引起直流漂移造成計量誤差。光電元件主要有硅光電池、光電二極管和光電三極管。光電管的空間位置應能調整，以便能對準所需要的光譜級和譜帶，并準確地配置在透鏡的后焦面上。還應放置必要的接收光

20、闌，以便獲得一定強度的信號和提高信號的信噪比三、分光讀數頭（一）單相型（圖 4-7 )從光源 S 出發(fā)并經透鏡 L ，準直的光束，以 角入射到光柵副 G 1和 G2 ，從光柵副衍射的各級群光束的方向均由光柵方程確定：（二）多相型為了適應判別方向和補償直流漂移的需要，通常要求二相或四相信號，它們之間在相位分別有或/2的相移。產生多相信號的方法，一種是采用分開的組合透鏡，并成像于不同的光導管上，一種可采多相指示光柵，并相應地由多相的光導管接收。也可以用遠心光路方法，在光柵像面上用多硅光電池接收莫爾條紋像的信號。 圖 4-9 表示直讀分光型讀數頭。四、直接接收式讀數頭（一）單相型 如圖 410 所示

21、，平行光束垂直入射到主光柵上，硅光電池接近指示光柵直接接收光花樣。由于是單相型讀數頭，故必須接收同相位的信號，因此應該采用光閘式莫爾條紋，即兩塊光柵節(jié)距是相等的，而線紋方向是平行的，并采用小間隙布置。因此視場中的亮度應是一樣的而且是均勻的，以保證整個視場中位相的一致性。（二）四相型l 四相型分為四相指示光柵和四極硅光電池兩種。采用硅光電池時，條紋寬度應調到四極硅l 光電池的有效通光尺寸，以得到 0、/4、/2、3/2四相信號，l 近年來，采用發(fā)光二級l 管作為光源，光電三極l 管作為接收元件的系統(tǒng)l 十分盛行，指示光柵上l 的四塊光柵位置，相互l 保持 00 , 900, 1800 。，l 2

22、700 的相位（見圖l 4 -11 ）。五、鏡像式讀數頭（一）單塊光柵成像式l 如圖 412 所示，原理上屬于分光系統(tǒng)，只是不用指示光柵，而由適當的光學系統(tǒng)形成主光柵像來代替。因此，不必考慮光柵間隙，而且由于光學系l 統(tǒng)保證了光柵和光柵l 像之間移動方向相反，l 因而信號頻率提高一l 倍。這種讀數頭尺寸l 大，如果把光學系統(tǒng)l 改為中心反射式，則l 讀數頭的外形尺寸可l 以縮短。（二）兩塊光柵式 這是一種投影式的光學系統(tǒng)，其圖形見 4 -13 。這種型式的讀數頭可按最小偏角法或垂直入射式布置。光柵 G 1經照明之后，在 L2 的焦平面上產生光譜面，在這個面上可以用濾波小孔，讓需要的光譜級次通過

23、，然后在 G2 光柵面上產生光柵 G 1的譜點所形成的光柵像。六、反射式讀數頭由于機床制造行業(yè)的需要，發(fā)展了金屬反射型光柵讀數頭。金屬光柵大多以鋼帶為基體，上面涂以超微粒乳劑或光刻膠作為感光層，然后通過投影光刻法獲得光柵線紋。如采用不銹鋼鋼帶作為反射光柵基體，可以減小因膨脹系數不同而影響精度的因素。如圖 414 。第五章第五章 光衍射技術光衍射技術二、計量原理 激光衍射計量的基本原理是利用激光下的夫朗和費衍射效應。夫朗和費衍射是一種遠場衍射。圖 5 1 是遠場和近場衍射的原理示意圖。如圖a）所示，當光源 s 照明E1平面上的一個孔 H 時，在距離R的觀察屏 E2 上將看到孔 H 的陰影。按照幾

24、何光學的觀點，光線是直線前進的，光在孔 H 的邊緣通過的方向應是 sa 與 sa （虛線所示）。但實際上的陰影卻擴大了，這是由于光在孔 H 的邊緣上發(fā)生了衍射，光線向外曲折（實線所示），因此，光的衍射區(qū)是 a b與 a b 。當 時稱為菲涅爾衍射。圖b）和圖c）為夫朗和費衍射。2dR圖 52 是衍射計量的原理圖。它是利用被測物與參考物之間的間隙所形成的遠場衍射來完成的。在觀察屏 E 上由單縫形成衍射條紋，其光強 I 的分布由物理光學知道有：式中：l 三、基本公式l 先討論衍射的一般性情況，如圖 5-3 ，設 E 1平面上光孔的瞳函數為 F （，），當略去光能損失，孔 F （，）l 在E 2上的

25、衍射分布為：l 式中：l 是孔平面圖上的復振幅分布。l 在E 2平面上的任意一點p的光強為：l 當光孔的形狀為矩形孔，矩l 形的高為 ，寬為 ，（如l 圖 5-4 ）所示。這時可用一個二l 維矩形函數來表示：E2 面上任一點P的振幅，應該是此二維矩形函數的傅里葉變換，略去光能損失，則： 因此，對矩形孔，在 E 2平面上的衍射像有兩列，呈十字格線分布，如圖 5-4 a）所示。每一列的光強分布，如圖 5-4b ）所示。兩個方向上光強的大小按式（ 5-3 ) ，可寫出：當光孔為單縫時， ,除中央零級以外，光強很Iy很小，通常觀察不到。所以衍射條紋只沿x方向分布。 設 w （縫寬），則衍射條紋的光強分

26、布為：對 sinc（辛格） 函數，其定義是：設 ，則有：上式就是遠場衍射光強分布的基本公式。此式說明：1 ）衍射條紋是平行于單縫方向的； 2 ）當 0 ， ， 2 ， 3 ， ， n時，出現(xiàn)一系列 暗條紋。利用暗條紋作為測量指標，就可以進行計量。 因為 ，對暗條紋則有：當不大時，從遠場條件，有：所以有：即：上式就是衍射計量的基本公式。l 四、技術特點l 衍射計量在技術上有四個特點：l （1）靈敏度高。l （ 2 ）精度有保證。這首先是激光下的夫瑯和費衍射條紋十分清析、穩(wěn)定。其次，這是一種非接觸測量。而且采用照相或光電系統(tǒng)測量衍射條紋是可行的，精度可以微米級。l （3 ）裝置簡單、操作方便、測定

27、快速。l （ 4 ）可實現(xiàn)動態(tài)的聯(lián)機測量和全場測量，測定時物體不必固定，能為工藝過程提供反饋信號，顯著提高工藝效率。l 衍射計量的不足之處是絕對量程比較小，量程范圍約 0 . 011.5mm 。超過此范圍必須用比較測量法。另外，當 w 小時，衍射條紋本身比較寬，不容易獲得精確測量。而且R大，裝置外型尺寸不能緊湊。限制了衍射計量的應用范圍。 52 激光衍射計量技術l 一、基本方案及其分析l 利用衍射條紋進行精密測試，其方法歸納起來分為兩大類：l （ l ）記錄固定點衍射強度的方法（圖 55a 中 A 和 B 點） ;l ( 2 ）記錄衍射分布特征尺寸（指衍射分布極值點之間的距離或角量）的方法（圖

28、 55b 中的t).l二、間隙計量法l 間隙計量法是衍射技術的基本方法，主要適合于三種用途：l ( l ）作尺寸的比較測量（圖 5-8a ) ; l ( 2 ）作工件形狀的輪廓測量（圖 5-8b ) ; l ( 3 ）作應變的傳感器使用（圖 5-8c) .這三種用途的基本裝置如圖59所示：間隙法的計算公式：或:其中， ，為條紋間隔l三、反射衍射法l 從原理上說，主要是用反射鏡形成狹縫。圖 513 是反射衍射法的原理圖，狹縫由刀刃 A 與反射鏡 B 組成。反射鏡的作用是用以形成 A 的像A 。這時，相當于以角入射的，縫寬為 2w 的單縫衍射。顯然，當光程差滿足下式時，出現(xiàn)暗條紋：l 按三角級數將

29、上式展開：l 對遠場衍射有：l 代入前式：l 整理后有：四、分離間隙法 分離間隙法是利用參考物和試件不在一個平面內所形成的衍射條紋來進行精密計量的方法。分離間隙法的原理圖示于圖 5 15 。對于P1點，出現(xiàn)暗條紋的條件是：對于P2點，出現(xiàn)暗條紋的條件是：因為：則有：由上式可得：五、互補測定法 激光衍射互補測定法的原理是基于巴俾涅定理。此定理的原理示于圖 517 。 圖 518 是利用互補法測量細絲直徑 d 或薄帶截面尺寸的原理圖。 細絲直徑與衍射條紋之間的關系為：為獲得明亮的遠場條紋，一般用透鏡在焦面上形成夫朗和費條紋，如圖 5-19 所示。設透鏡的焦距為 f , 則計算公式為：則：l 六、愛

30、里圓測定法l 由物理光學知道，平面波照射的開孔不是矩形而是圓孔時，如圖 5-20 所示，其遠場的夫朗和費衍射像，是中心為一圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。這種環(huán)形衍射像就稱為愛里圓。l 愛里圓中心亮斑的直徑 d 為：第九章第九章 激光光譜技術激光光譜技術 9-3 激光喇曼光譜技術一、基本原理 當單色光作用于試樣時，除了生產頻率和入射光相同的、稱為瑞利散射光以外，還有一些強度很弱的，頻率和入射光不同的散射光對稱分布在瑞利光的兩側。這種散射光被稱為喇曼散射光，在瑞利光低頻一側的叫斯托克斯線（ stokes 線），高頻一側的叫反斯克斯線（ Antistokes 線）。 喇曼散射可以看成一個入射

31、光子和一個處于初態(tài) E的分子作非彈性碰撞。在碰撞過程中，光子和分子之間發(fā)生能量交換，光子不僅改變運動方向，還把一部分能量傳遞給分子，或從分子取得一部分能量。因此，在碰撞后被檢測到的光子，其能量比原來的低些或高些。 喇曼散射過程也可用能級圖作定性的說明，如圖 9-8 所示。在散射過程中，中間態(tài)經常被描述為受激虛態(tài)，它是不穩(wěn)定的，并且不一定是真實的分子本征態(tài)。如果這個虛能級和分子本征態(tài)之一相符合，則被稱為共振喇曼效應。l二、激光喇曼分光計 線性激光喇曼光譜研究和分析用的實驗裝置激光喇曼分光計不僅已經商品化，而且結構日趨完善。 典型的儀器通常由 5 個基本部分組成：激發(fā)光源，前置光路（或稱外光路），

32、單色儀，探測放大系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，如圖9-10所示。（三）單色儀 單色儀是激光喇曼分光計的核心部件，決定著整臺儀器的基本特性。 激光喇曼光譜技術對單色儀的要求比一般在可見光區(qū)工作的儀器要高得多。對分辨率和波數精度要求很高，約為 0 . 2 -2cm -1 ，這在波長為 5000 處，相當于 0 .05- 0 . 5 。另外還要求單色儀聚光本領強，有大的相對孔徑，而且對抑制雜散光提出特別苛刻的要求。為了滿足上述高分辨率，強聚光本領，尤其是低雜散光的要求，通常把兩個單色器串聯(lián)成雙單色儀，串聯(lián)的方式可以是色散相加的或色散相減的。從理論上講，后者可以很好消除光柵不完善所形成的雜散光。但由于它的色散率只

33、相當于一個單色儀，不利于提高分辨率，因此一般都采用色散相加的形式。也有的儀器可以根據需要由使用者方便地把相加型改為相減型或反之。 還有用三個單色器串聯(lián)成三單色儀的喇曼分光計，可以進一步抑制儀器的雜散光。（四）探測放大系統(tǒng) 喇曼分光計的靈敏度標志著儀器所能探測的最小光信號。它除和光學系統(tǒng)的聚光本領及雜散光有關外，還取決于探測和放大系統(tǒng)的靈敏度和噪音。由于喇曼散射光極弱，一般估計當激發(fā)光的功率為 lw 時，到達探測器的散射光功率僅約為 10 -10 - 10 -11w ，甚至更低。因此對探測放大系統(tǒng)最主要的要求就是高靈敏度和高信噪比，以便把被噪音所干擾，甚至是淹沒在噪音中的有用微弱信號檢測出來。光