激光干涉測(cè)試技術(shù)-2011-v5

1、激光干涉測(cè)試技術(shù),傳統(tǒng)的高精度三維形貌測(cè)量方法:接觸測(cè)量,采集速率幾個(gè)坐標(biāo)/每秒;工件尺寸有限;對(duì)非平面形貌測(cè)量精度低。,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),接觸測(cè)量存在以下問題：標(biāo)準(zhǔn)樣板與被測(cè)表面必須十分清潔；清潔工作多拿在手中擦試，由于體溫的影響，影響測(cè)試準(zhǔn)確度；樣板有一定重量壓在被測(cè)表面上，必然會(huì)產(chǎn)生一定的變形，尤其是對(duì)大平面零件;因此高精度曲面，曲率測(cè)量都使用激光干涉的非接觸測(cè)量方法。,,,,,,,歷史進(jìn)程17世紀(jì)后半葉，玻意耳(Boy

2、le)和胡克(Hooke)獨(dú)立地觀察了兩塊玻璃板接觸時(shí)出現(xiàn)的彩色條紋，人類從此開始注意到了干涉現(xiàn)象。1801年 托馬斯·楊(Thomas Young)完成了著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，人們可以有計(jì)劃、有目的地控制干涉現(xiàn)象。1860年 麥克斯韋(C.Maxwell)的電磁場(chǎng)理論為干涉技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1881年 邁克爾遜(A.Michelson)設(shè)計(jì)了著名的干涉實(shí)驗(yàn)來測(cè)量“以太”漂移。1960年 梅曼(Maiman)研制

3、成功第一臺(tái)紅寶石激光器，以及微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使光學(xué)干涉技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了快速增長時(shí)期。1982年 G.Binning和H.Rohrer研制成功掃描隧道顯微鏡，1986年發(fā)明原子力顯微鏡，從此開始了干涉技術(shù)向納米、亞納米分辨率和準(zhǔn)確度前進(jìn)的新時(shí)代。,,,,,§1 光的電磁波理論基礎(chǔ),光是某一波段的電磁波,,,光波是橫波：振向和傳向垂直,E方向：電場(chǎng)波動(dòng)方向；H方向：磁場(chǎng)波動(dòng)方向。,(1) 在電磁波的傳播速度

4、:,(2) 折射率:,,v：光頻率,,,,(3) 可見光的波長范圍 350nm-780nm:,波長,大氣透射率,光波是電磁波，在光波中，產(chǎn)生感光作用與生理作用的主要是電場(chǎng)強(qiáng)度E,我們將電場(chǎng)強(qiáng)度E稱為光矢量。 光在不同介質(zhì)中，頻率不變，但光速不同，波長不同。,,,,,真空中,介質(zhì)中,,,,光的電磁波理論基礎(chǔ)：簡諧振動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矢量表示法,t =0,t 時(shí)刻,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),,,,,,,,參考圓,振幅矢量,O,,,,光的電磁波理論基礎(chǔ): 單

5、色光的光矢量公式,,— 圓頻率,— 光頻率,E0 — 振幅,— 初相位,,,光強(qiáng)公式：* 表示共軛,光的電磁波理論基礎(chǔ): 指數(shù)形式的光矢量公式,§2 激光干涉測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),滿足 的光程差相同的點(diǎn)，形成的暗線叫暗紋，亮紋和暗紋組成干涉條紋。其中m是干涉條紋的干涉級(jí)次。,1．干涉原理：光波的疊加原理兩束相干光波在空間某點(diǎn)相遇，產(chǎn)生的干涉條紋光強(qiáng)分布：,,,,,,,2.1 干涉原理與干涉條件

6、,2．干涉條件通常能夠產(chǎn)生干涉的兩列光波必須滿足三個(gè)基本相干條件：頻率相同振動(dòng)方向相同恒定的位相差,,,,,,,靜態(tài)穩(wěn)定干涉場(chǎng)的條件,干涉條紋對(duì)比度可定義為,,,,,,,Imax、Imin 分別為干涉場(chǎng)中光強(qiáng)的最大值和最小值。,,K＝1，對(duì)比度有最大值,Imin = 0；K＝0，條紋消失, Imax= Imin。K＞0.75，對(duì)比度優(yōu)秀；K＞0.5， 對(duì)比度滿意的；K＝0.1，條紋尚可辨認(rèn)，但是相當(dāng)困難。對(duì)動(dòng)態(tài)干涉測(cè)

7、試系統(tǒng)，對(duì)條紋對(duì)比度的要求就比較低。,2.2 影響干涉條紋對(duì)比度的因素,① 光源的單色性干涉場(chǎng)中的干涉條紋是[λ,λ＋Δλ] 之間所有波長的光干涉條紋疊加的結(jié)果。當(dāng)λ＋Δλ的第m級(jí)亮紋λ 的第m+1級(jí)亮紋重合后，之后所有亮紋開始重合，干涉條紋消失。,,,,,,,,,干涉條紋消失的條件,由此得最大干涉級(jí)m＝λ/Δλ ，與此相應(yīng)的尚能產(chǎn)生干涉條紋的兩支相干光的最大光程差(或稱光源的相干長度)為,在波動(dòng)光學(xué)中，把光通過相干長度所需要的時(shí)

8、間稱為相干時(shí)間，其實(shí)質(zhì)就是可以產(chǎn)生干涉的波列持續(xù)時(shí)間，（其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生干涉的兩列波的光程差）。因此，激光光源的時(shí)間相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉儀的設(shè)計(jì)和使用時(shí)不用考慮其時(shí)間相干性。,② 相干光束光強(qiáng)不等的影響設(shè)兩支相干光的光強(qiáng)為I2=nI1，則有,,,,,,,,,,對(duì)比度K與兩支干涉光強(qiáng)比n的關(guān)系,可見，沒有必要追求兩支相干光束的光強(qiáng)嚴(yán)格相等。尤其在其中一支光束光強(qiáng)很小的情況下，人為降低另一支光束的光強(qiáng)，甚至是有害的。

9、因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)亟档透缮鎴D樣的照度，從而提升了人眼的對(duì)比度靈敏閾值，不利于目視觀測(cè)。,,,2.3 干涉系統(tǒng)的分類,在普通干涉儀中，由于參考光束和測(cè)試光束沿著分開的光路行進(jìn)，故這兩束光受機(jī)械振動(dòng)和溫度起伏等外界條件的影響是不同的。因此，在干涉測(cè)量過程中，必須嚴(yán)格限定測(cè)量條件，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，否則干涉場(chǎng)上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，因而不能進(jìn)行精確的測(cè)量。這類干涉儀，稱為非共程干涉儀。若參考光路和測(cè)試光路經(jīng)過同一光路，這類干涉儀

10、稱為共程干涉儀-斐索干涉儀。,,,,,,,,,,,,,,,,共程干涉和非共程干涉,抗環(huán)境干擾；在產(chǎn)生參考光束時(shí)，通常不需要尺寸等于或大于被測(cè)零件的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)件。,§2 激光干涉測(cè)試技術(shù),基本原理 在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒?因待測(cè)能量場(chǎng)的作用,而產(chǎn)生相位調(diào)制。目前干涉?zhèn)鞲衅髦胁捎盟姆N不同的結(jié)構(gòu):1. 邁克爾遜;2. 馬赫-澤德;3. 薩格奈克;4. 法布里―珀羅。,分束器使激光器輸出的一部分光向上反射到固定

11、平面鏡。這些光被固定平面鏡反射回分束器,于是一部分光透射到光檢測(cè)器,另一部分光被反射回激光器。激光器輸出的另一部分光透過該分束器,被活動(dòng)平面鏡反射回分束器,一部分光被該分束器反射到光檢測(cè)器。另一部分光透過分束器返回激光器。 如果光往返于固定平面鏡和活動(dòng)平面鏡的光程差小于激光器的相干長度,那么透射到光檢測(cè)器的兩束光就可能互相發(fā)生干涉。每當(dāng)活動(dòng)平面鏡移動(dòng)1/2光波長的距離時(shí),檢測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值,然后再變回最大值。

12、 采用這種技術(shù)在 He-Ne 激光器的紅光情況下,它可以檢測(cè)平面鏡小到10-7μm,即0.63×10-13 m的位移。,Albert Abraham Michelson邁克爾遜因發(fā)明干涉儀和光速的測(cè)量而獲得1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。,邁克爾遜 (Michelson) 干涉儀,邁克爾遜干涉儀,分束器把激光器的輸出光束分成兩束。它們經(jīng)上、下光路的傳輸之后又重新合路,使它們?cè)诠鈾z測(cè)器處互相發(fā)生干涉。這種結(jié)構(gòu)也可用于檢測(cè)可動(dòng)平面

13、鏡小到10-13 m的位移。與邁克爾遜干涉儀相比,它的優(yōu)點(diǎn)是:只有少量的或者沒有光直接返回激光器,這就避免了反饋光使激光器不穩(wěn)定和產(chǎn)生噪聲。,Ernst Mach,馬赫―澤德(Mach-Zehnder)干涉儀,馬赫― 澤德干涉儀,薩格奈克(Sagnac)干涉儀 激光器輸出的兩束光沿著一條由一個(gè)分束器和三個(gè)平面鏡構(gòu)成的閉合光路反方向傳輸,它們重新合路后再入射到光檢測(cè)器。如果某塊平面鏡沿著與反射面垂直的方向移動(dòng),那么兩個(gè)光程的長度必

14、然改變同樣的數(shù)量,故在光檢測(cè)器上不會(huì)檢測(cè)到干涉過程中的變化。反之,如果使固定該干涉儀的臺(tái)子繞著垂直于光束平面的軸作順時(shí)針旋轉(zhuǎn),那么沿順時(shí)針方向傳輸?shù)墓馐囱嘏_(tái)子旋轉(zhuǎn)方向傳輸?shù)墓馐┍仨氉汾s在同一方向運(yùn)動(dòng)的終端,而逆時(shí)針傳輸?shù)墓馐鴦t迎頭撞向反方向運(yùn)動(dòng)的終端,因此,順時(shí)針方向傳輸?shù)墓馐捅厝粶笥谀鏁r(shí)針方向傳輸?shù)墓馐?因此產(chǎn)生干涉。,薩格奈克干涉儀,由兩塊平行的部分透射平面鏡組成的。這兩塊平面鏡的反射率(反射系數(shù))通常是非常大的,一般大