激光干涉測試技術-2011-v5

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

2、le)和胡克(Hooke)獨立地觀察了兩塊玻璃板接觸時出現(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驗，人們可以有計劃、有目的地控制干涉現(xiàn)象。1860年 麥克斯韋(C.Maxwell)的電磁場理論為干涉技術奠定了堅實的理論基礎。1881年 邁克爾遜(A.Michelson)設計了著名的干涉實驗來測量“以太”漂移。1960年 梅曼(Maiman)研制

3、成功第一臺紅寶石激光器，以及微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，使光學干涉技術的發(fā)展進入了快速增長時期。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向納米、亞納米分辨率和準確度前進的新時代。,,,,,§1 光的電磁波理論基礎,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：電場波動方向；H方向：磁場波動方向。,(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強度E,我們將電場強度E稱為光矢量。 光在不同介質中，頻率不變，但光速不同，波長不同。,,,,,真空中,介質中,,,,光的電磁波理論基礎：簡諧振動的旋轉矢量表示法,t =0,t 時刻,逆時針旋轉,,,,,,,,參考圓,振幅矢量,O,,,,光的電磁波理論基礎: 單

5、色光的光矢量公式,,— 圓頻率,— 光頻率,E0 — 振幅,— 初相位,,,光強公式：* 表示共軛,光的電磁波理論基礎: 指數(shù)形式的光矢量公式,§2 激光干涉測試技術基礎,滿足 的光程差相同的點，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次。,1．干涉原理：光波的疊加原理兩束相干光波在空間某點相遇，產(chǎn)生的干涉條紋光強分布：,,,,,,,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基本相干條件：頻率相同振動方向相同恒定的位相差,,,,,,,靜態(tài)穩(wěn)定干涉場的條件,干涉條紋對比度可定義為,,,,,,,Imax、Imin 分別為干涉場中光強的最大值和最小值。,,K＝1，對比度有最大值,Imin = 0；K＝0，條紋消失, Imax= Imin。K＞0.75，對比度優(yōu)秀；K＞0.5， 對比度滿意的；K＝0.1，條紋尚可辨認，但是相當困難。對動態(tài)干涉測

7、試系統(tǒng)，對條紋對比度的要求就比較低。,2.2 影響干涉條紋對比度的因素,① 光源的單色性干涉場中的干涉條紋是[λ,λ＋Δλ] 之間所有波長的光干涉條紋疊加的結果。當λ＋Δλ的第m級亮紋λ 的第m+1級亮紋重合后，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m＝λ/Δλ ，與此相應的尚能產(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,在波動光學中，把光通過相干長度所需要的時

8、間稱為相干時間，其實質就是可以產(chǎn)生干涉的波列持續(xù)時間，（其對應產(chǎn)生干涉的兩列波的光程差）。因此，激光光源的時間相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉儀的設計和使用時不用考慮其時間相干性。,② 相干光束光強不等的影響設兩支相干光的光強為I2=nI1，則有,,,,,,,,,,對比度K與兩支干涉光強比n的關系,可見，沒有必要追求兩支相干光束的光強嚴格相等。尤其在其中一支光束光強很小的情況下，人為降低另一支光束的光強，甚至是有害的。

9、因為這會導致不適當?shù)亟档透缮鎴D樣的照度，從而提升了人眼的對比度靈敏閾值，不利于目視觀測。,,,2.3 干涉系統(tǒng)的分類,在普通干涉儀中，由于參考光束和測試光束沿著分開的光路行進，故這兩束光受機械振動和溫度起伏等外界條件的影響是不同的。因此，在干涉測量過程中，必須嚴格限定測量條件，采取適當?shù)谋Ｗo措施，否則干涉場上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，因而不能進行精確的測量。這類干涉儀，稱為非共程干涉儀。若參考光路和測試光路經(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，通常不需要尺寸等于或大于被測零件的光學標準件。,§2 激光干涉測試技術,基本原理 在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒?因待測能量場的作用,而產(chǎn)生相位調制。目前干涉?zhèn)鞲衅髦胁捎盟姆N不同的結構: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,被活動平面鏡反射回分束器,一部分光被該分束器反射到光檢測器。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,那么透射到光檢測器的兩束光就可能互相發(fā)生干涉。每當活動平面鏡移動1/2光波長的距離時,檢測器的輸出就從最大值變到最小值,然后再變回最大值。

12、 采用這種技術在 He-Ne 激光器的紅光情況下,它可以檢測平面鏡小到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量而獲得1907年諾貝爾物理學獎金。,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,使它們在光檢測器處互相發(fā)生干涉。這種結構也可用于檢測可動平面

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分束器和三個平面鏡構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器。如果某塊平面鏡沿著與反射面垂直的方向移動,那么兩個光程的長度必

14、然改變同樣的數(shù)量,故在光檢測器上不會檢測到干涉過程中的變化。反之,如果使固定該干涉儀的臺子繞著垂直于光束平面的軸作順時針旋轉,那么沿順時針方向傳輸?shù)墓馐囱嘏_子旋轉方向傳輸?shù)墓馐┍仨氉汾s在同一方向運動的終端,而逆時針傳輸?shù)墓馐鴦t迎頭撞向反方向運動的終端,因此,順時針方向傳輸?shù)墓馐捅厝粶笥谀鏁r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