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平面激光干涉儀的原理與應(yīng)用

來源：時間：2022-08-22 11:40:49 瀏覽：6475次

平面激光干涉儀

平面激光干涉儀——最精密的尺子

各行各業(yè)都離不開尺子，按照尺子的種類，分為卷尺、卡尺、機(jī)械尺，還有王濛的“我的眼睛就是尺！！！”。激光的出現(xiàn)在世界計量史上具有重大的意義，激光干涉儀可以激光做“眼睛”，利用光波的干涉原理測量材料的光學(xué)特性，這把尺子不僅能夠測量厚度、距離等，還能衡量材料內(nèi)部的光學(xué)均勻性、折射率、表面平整度等更精密的參數(shù)。激光干涉儀利用光學(xué)原理進(jìn)行測量，還可以另外配合各種折射鏡、反射鏡等來做線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測量工作。由于激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)，激光干涉儀具有精度高、誤差小、靈敏度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢，是一種非常強(qiáng)力的非接觸測試工具。下面，筆者就帶領(lǐng)大家來詳細(xì)了解一下平面激光干涉儀的原理、特點(diǎn)和主要應(yīng)用。

尋根溯源——激光干涉儀的家族發(fā)展

17世紀(jì)后半葉，Boyle和Hooke觀察到了光線的干涉現(xiàn)象。光的干涉現(xiàn)象是光的波動性的重要體現(xiàn)，一般分為薄膜干涉、等傾干涉和等厚干涉。

1801年，Thomas Young通過著名楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)正式實(shí)現(xiàn)了干涉現(xiàn)象的人為控制，其中的原理在1896年由Rayleigh利用設(shè)計改造成為了瑞利干涉儀。

1852年，F(xiàn)izeau研究了使用干涉法測定固體膨脹系數(shù)和球直徑的方法，設(shè)計了感應(yīng)線圈、干涉譜儀和膨脹計等儀器，這就是斐索干涉儀的前身。

1887年Michelson和Morley為了研究以太是否存在，使用光波長作尺子刻度測量了水平面和垂直面的光速之差，最終否定了以太的存在。他們的研究利用了光的干涉現(xiàn)象，這是邁克爾遜光學(xué)干涉儀的靈感誕生之始。

1916年，Twyman在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上加以設(shè)計修改，同樣利用的是光的等厚干涉原理，發(fā)明了泰曼干涉儀。

1961年研究人員發(fā)明了氦氖激光器，開始用氦氖激光器作為光學(xué)干涉儀的光源，從而促進(jìn)了激光干涉儀的誕生和進(jìn)一步發(fā)展。

有問必答——平面激光干涉儀的原理

Q1：平面激光干涉儀的定義是什么？不同種激光干涉儀之間又如何區(qū)分？

從上節(jié)中可以看出，激光干涉儀的分類繁多，那么，如何定義平面激光干涉儀中的“平面”？不同種類的激光干涉儀之間又有何區(qū)別？其中原理差別細(xì)微，詳細(xì)講述未免繁瑣，因此，筆者將不同激光干涉儀的主要特點(diǎn)匯總?cè)缦拢奖銓Ρ缺嫖觥?/span>

在上述干涉儀中，邁克爾遜干涉儀和斐索干涉儀是最常用的。因此在這里，筆者主要就這兩種干涉儀進(jìn)行講解和比較。

Q2：斐索平面干涉儀和邁克爾遜干涉儀的主要區(qū)別是什么？

這得從斐索平面干涉儀和邁克爾遜干涉儀的測量原理開始說起。

圖1 斐索平面干涉儀的光路原理圖

斐索平面干涉儀的光路原理圖如圖1所示，由氦氖激光發(fā)射器發(fā)出的光源經(jīng)過參考薄膜入射到測試薄膜表面。來自測試平面的光與離它很近的參考平面之間反射的光線具有相干性。參考平面的上表面和下表面之間并不平行，以此來保證上表面的反光不參與干涉條紋的形成。成像系統(tǒng)將參考平面和待檢測平面的反光發(fā)生的干涉條紋接收并導(dǎo)入探測器分析，條紋形狀和間隔等信息即可提供待測平面的缺陷信息。

圖2 邁克爾遜干涉儀的光路原理圖

邁克爾遜干涉儀屬于雙光束干涉儀，顧名思義，儀器中包括兩條光路：一束光被光學(xué)分束器（例如一面半透半反鏡）反射后入射到上方的平面鏡后反射回分束器，之后透射過分束器被光檢測器接收；另一束光透射過分束器后入射到右側(cè)的平面鏡，之后反射回分束器后再次被反射到光檢測器上。由于兩束光路之間存在光程差，在光路中還要再加上一塊補(bǔ)償板消除光程差。

由此可見，斐索平面干涉儀和邁克爾遜干涉儀最大的區(qū)別就是：斐索平面干涉儀是共光路干涉，邁克爾遜干涉儀是分光路干涉。在斐索平面干涉儀中，參考光和傳感光是沿著同一條光路行進(jìn)的，相比分光路干涉儀具有誤差更小、測量更精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)槭褂梅止饴返母缮鎯x時，兩支光路上往往會受到不同的外界干擾(如機(jī)械振動、溫度起伏等)，致使干涉條紋不穩(wěn)定，甚至嚴(yán)重影響測量。而在共光路干涉儀中，參考和傳感兩束光通過的是同一條光路，受到的干擾也一樣。

Q3：斐索平面干涉儀vs球面干涉儀怎么說？

如果將標(biāo)準(zhǔn)平晶改換成標(biāo)準(zhǔn)球面樣板透鏡，就是所謂的“球面”干涉儀了。這是利用被測凹面鏡的表面和與其曲率半徑相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)樣板透鏡表面的兩支反射光形成的牛頓環(huán)條紋作為檢測原理和依據(jù)。用斐索平面干涉儀可以檢測平板或棱鏡的表面面形、平面間距及其均勻性。斐索球面干涉儀用于檢測球面的球面度、曲率半徑及其局部缺陷與誤差等。

Q4：若要使用斐索平面干涉儀進(jìn)行檢測，它的制樣要求有哪些？

1、樣品玻璃內(nèi)應(yīng)無肉眼可見的條紋、氣泡等夾雜物；

2、樣品尺寸根據(jù)玻璃產(chǎn)品大小而定，樣品應(yīng)有2個形狀規(guī)則的通光面；

3、使用貼置板時，樣品兩通光面精磨，平行度不大于1′，平面度不大于0.03mm,表面粗糙度Ra=1.6；

4、不使用貼置板時，樣品兩通光面拋光，平行度不大于1′，面形N=0.07，△N=0.05，表面粗糙度Ra=0.012；

Q5：斐索干涉儀的儀器組成構(gòu)件都是什么？各自有什么作用？

圖3 斐索平面干涉儀的儀器結(jié)構(gòu)

在斐索平面干涉儀中，1、2、3組成了光源裝置，作用是發(fā)出高頻、準(zhǔn)直、均勻的激光光源，4、5組成了分光裝置，作用是形成光斑更大的檢測光束，入射到由6、7、8組成的待測裝置中，獲得的含有待測樣品光學(xué)信息的出射光束被9成像鏡頭捕獲并轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號，并在電腦中進(jìn)行成像和分析。球面干涉儀則是將待測裝置換作有限共軛距物鏡、標(biāo)準(zhǔn)球面和待測球面而構(gòu)成。

Q6：斐索平面干涉儀的具體應(yīng)用有哪些？

激光干涉儀有很多應(yīng)用，但本質(zhì)都是測量中學(xué)課本講的“位移”，其余的諸多應(yīng)用都是“位移”的延伸和轉(zhuǎn)化。斐索平面干涉儀多用于測量光學(xué)元件的面型、光學(xué)鏡頭的波面像差以及光學(xué)材料均勻性等。

表1 材料均勻性檢測

測量光學(xué)元件表面的形貌時，光束直徑要覆蓋被測零件，在整個零件表面形成系列干涉條紋，根據(jù)測量條紋的亮度（也即相位）算出表面的形貌。測量光學(xué)玻璃均勻性時，則需要從結(jié)果中減去被測樣品前表面、后表面、標(biāo)準(zhǔn)鏡和參考鏡的影響，然后除以被測樣品的長度，從而得到單位長度上折射率變化的分布。

許多領(lǐng)域中都會用到斐索平面干涉儀，如光學(xué)工廠、各類機(jī)床、三坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)器人、3D打印設(shè)備、自動化設(shè)備、線性位移平臺、精密機(jī)械設(shè)備、精密檢測儀器等。

Q7：影響斐索平面干涉儀測量準(zhǔn)確度的因素都有哪些？

1、光源大小和空間相干性；

2、光源的單色性和時間相干性；

3、雜散光的影響——可通過使用楔形參考平板、楔形待測件、給光學(xué)面鍍增透膜等手段減弱或消除；

4、標(biāo)準(zhǔn)參考平板的精度干擾。

平面激光干涉儀的問題與未來發(fā)展

問題一：硬件技術(shù)卡脖子的問題。

多年來，國內(nèi)外在激光干涉儀方面進(jìn)步不大，尤其是氦氖激光器的制造工藝等是個卡脖子的技術(shù)問題，亟需通過自主研發(fā)取得突破。

問題二：業(yè)界往往忽略干涉儀的非線性誤差。

例如，長期以來，業(yè)界認(rèn)為單頻干涉儀沒有非線性誤差。事實(shí)上，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)經(jīng)嚴(yán)格測試發(fā)現(xiàn)，單頻干涉儀也存在幾納米的非線性誤差，甚至大于10 nm。因此，需要盡快根據(jù)各國計量院給出的非線性誤差結(jié)果建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

平面激光干涉儀未來的發(fā)展和改良方向：高測速、皮米級、溯源、降低成本、提高氦氖激光器壽命等。

參考文件來源

[1] http://www.tongdafittings.com/sycs/575.html

[2] http://www.tongdafittings.com/article/10947.html

[3] https://blog.csdn.net/liyuanbhu/article/details/73028590

[4] 百度百科相關(guān)詞條

[5] https://max.book118.com/html/2017/0804/125873636.shtm

[6] https://zhuanlan.zhihu.com/p/387682710

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