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平面激光干涉儀的原理與應(yīng)用

來(lái)源：時(shí)間：2022-08-22 11:40:49 瀏覽：6636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(kāi)尺子，按照尺子的種類(lèi)，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(jì)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(cè)量材料的光學(xué)特性，這把尺子不僅能夠測(cè)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(cè)量，還可以另外配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)做線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)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(shì)，是一種非常強(qiáng)力的非接觸測(cè)試工具。下面，筆者就帶領(lǐng)大家來(lái)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(dòng)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(guò)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(jì)改造成為了瑞利干涉儀。

1852年，F(xiàn)izeau研究了使用干涉法測(cè)定固體膨脹系數(shù)和球直徑的方法，設(shè)計(jì)了感應(yīng)線圈、干涉譜儀和膨脹計(jì)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(zhǎng)作尺子刻度測(cè)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(jì)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(kāi)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(wèn)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(lèi)繁多，那么，如何定義平面激光干涉儀中的“平面”？不同種類(lèi)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?duì)比辨析。

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(cè)量原理開(kāi)始說(shuō)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(guò)參考薄膜入射到測(cè)試薄膜表面。來(lái)自測(cè)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(lái)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(cè)平面的反光發(fā)生的干涉條紋接收并導(dǎo)入探測(cè)器分析，條紋形狀和間隔等信息即可提供待測(cè)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(guò)分束器被光檢測(cè)器接收；另一束光透射過(guò)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(cè)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(jiàn)，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(cè)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(shí)，兩支光路上往往會(huì)受到不同的外界干擾(如機(jī)械振動(dòng)、溫度起伏等)，致使干涉條紋不穩(wěn)定，甚至嚴(yán)重影響測(cè)量。而在共光路干涉儀中，參考和傳感兩束光通過(guò)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(shuō)？

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(cè)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(cè)原理和依據(jù)。用斐索平面干涉儀可以檢測(cè)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(cè)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(cè)，它的制樣要求有哪些？

1、樣品玻璃內(nèi)應(yīng)無(wú)肉眼可見(jiàn)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(gè)形狀規(guī)則的通光面；

3、使用貼置板時(shí)，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(shí)，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(cè)光束，入射到由6、7、8組成的待測(cè)裝置中，獲得的含有待測(cè)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(hào)，并在電腦中進(jìn)行成像和分析。球面干涉儀則是將待測(cè)裝置換作有限共軛距物鏡、標(biāo)準(zhǔn)球面和待測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

測(cè)量光學(xué)元件表面的形貌時(shí)，光束直徑要覆蓋被測(cè)零件，在整個(gè)零件表面形成系列干涉條紋，根據(jù)測(cè)量條紋的亮度（也即相位）算出表面的形貌。測(cè)量光學(xué)玻璃均勻性時(shí)，則需要從結(jié)果中減去被測(cè)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(cè)樣品的長(zhǎng)度，從而得到單位長(zhǎng)度上折射率變化的分布。

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

Q7：影響斐索平面干涉儀測(cè)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(shí)間相干性；

3、雜散光的影響——可通過(guò)使用楔形參考平板、楔形待測(cè)件、給光學(xué)面鍍?cè)鐾改さ仁侄螠p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(wèn)題與未來(lái)發(fā)展

問(wèn)題一：硬件技術(shù)卡脖子的問(wèn)題。

多年來(lái)，國(guó)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(gè)卡脖子的技術(shù)問(wèn)題，亟需通過(guò)自主研發(fā)取得突破。

問(wèn)題二：業(yè)界往往忽略干涉儀的非線性誤差。

例如，長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)界認(rèn)為單頻干涉儀沒(méi)有非線性誤差。事實(shí)上，德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)經(jīng)嚴(yán)格測(cè)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(guó)計(jì)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(lái)的發(fā)展和改良方向：高測(cè)速、皮米級(jí)、溯源、降低成本、提高氦氖激光器壽命等。

參考文件來(lái)源

[1] http://m.tx160.com/sycs/575.html

[2] http://m.tx160.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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