激光泰曼干涉的研究与应用.doc
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1、目 录摘 要IABSTRACTII1绪论2激光泰曼干涉仪原理和特点2.1总体结构和特点2.2 光学系统的各种干涉条纹及成像原理2.2.1等倾干涉原理2.2.2 等厚干涉原理2.2.3 泰曼干涉原理2.2.4 泰曼干涉条纹的特性3泰曼干涉的应用研究3.1 泰曼干涉仪的综合精度计算3.2用泰曼干涉仪检测室内微小振动和空气流动3.3用泰曼干涉仪检测系统内温度变化3.4 用泰曼干涉仪来检查直角棱镜的综合质量3.4.1 泰曼干涉中直角棱镜干涉条纹的理论分析3.3.2 泰曼干涉系统下的直角棱镜干涉条纹与分析4 结论与展望4.1 结论4.2 展望5 鸣 谢6 参考文献7 附录摘 要本文进一步讨论了激光束干涉
2、产生的原理,研究了激光泰曼干涉仪的工作机理和泰曼干涉仪产生的等厚干涉条纹,并运用HA-3型便携式光学实验部件组成激光泰曼干涉系统;从理论上分析了直角棱镜在泰曼干涉系统中各种误差对产生的干涉条纹的影响,并运用分析得到的结果对2个直角棱镜事实上的干涉条纹进行对比和讨论;介绍了泰曼干涉仪的多种应用,并探讨了用安装好电视摄像机和微机的泰曼-电视-微机系统进行振幅测量的原理和方法;从理论上分析了用泰曼干涉系统测算直角棱镜的角度误差的公式,并得出干涉系统理论上能测算出无限小的直角误差。最后结果表白:在测算直角棱镜的直角误差上,泰曼干涉系统较其它器件有极大的优越性。但在精确地测量棱镜的表面误差时,有一定局限
3、性。这个泰曼干涉系统能快速评估透镜的表面质量和角度误差,有一定的实用性。关键词:泰曼干涉;直角棱镜;干涉检查AbstractThe principle of laser interference is described deeply and the principle of Twyman-laser interferometer is analyzed and find out the stripes made from Twyman interferomtric system are equal thickness stripes.A Twyman interferometric syst
4、em is made up from HA-3 portable lab of optics.Different errors of right angle prism are calculated to find out different influence of these errors to interferometric stripes. The error principle is used to analyze the quality of two right angle prisms and angle errors.Serval application of Twyman i
5、nterferometer are introduced and have a look in the application of Twyman-TV-computer system and find out the means of measuring amplitude by Twyman-TV-computer system.Serval means improved precision of Twyman interferometric system are researched theoretically.The result shows Twyman interferometri
6、c systems have great advantages over other devices in measuring right angle errors.But it has a certain limitations on measuring surface error precisely.This Twyman interferometric system can assess the quality of surface and the right angle error rapidly,so it has a little of practicability.Key wor
7、ds: Twyman interferometer ; Right angle prism ; Interferometric test 激光泰曼干涉的研究与应用1绪论 由两束或者多束光波叠加的区域,某点振动始终加强,另一些点振动始终减弱,形成在波区域的稳定的光强强弱分布的现象,称为光的干涉。光的干涉是光的波动性的重要体现。光的干涉一般分为等倾干涉和等厚干涉,泰曼干涉重要的干涉条纹是等厚干涉条纹。 光干涉技术作为一种精密、有效的计量测试技术,是产品检测和质量监控的重要手段。早先的光干涉技术重要用于可见光范围,随着激光技术、光电探测技术的进步,为适应红外技术、光学工程技术发展的规定,红外干涉仪器
8、和激光干涉仪器的研究与应用日益为人们所重视。 激光泰曼干涉仪是迈克耳逊干涉仪的改型,用于检查光学零件(或光学系统)的综合质量。检查原理是通过研究光波波面经光学零件后的变形来拟定零件的质量。泰曼干涉仪有多中用途,如检测光学材料的折射率均匀性;测量光学系统的波像差;评价光学系统的成像质量;检测光学零件抛光前粗糙表面的面型偏差、金刚石磨削表面的面型偏差;检测微米量级相称的光电子器件和精密机械零件的面行,如光盘基片与计算机硬盘的表面面型(平整度)。激光泰曼干涉仪也适合于测试大孔径、长焦距的光学元件。从20世纪80年代至今,国外的光学干涉仪研究已经走向了实用化、智能化,国内的相关研究也走进了重要时期。泰
9、曼干涉仪是光学检测中最重要的的仪器之一,因此泰曼干涉系统有非常高的研究价值.2激光泰曼干涉仪原理和特点2.1总体结构和特点本实验所搭建的激光泰曼干涉系统是由HA-3型便携式光学实验器件组成。构建本实验,是要分析泰曼干涉系统的各种误差,以判断泰曼干涉系统的实用性。激光泰曼干涉仪的三维示意图如图2-1所示:图2-1仪器的工作光路示意图如图2-2所示:图2-2仪器所在的光学隔震台的规格如下:由间隔为25mm的阵列M6螺孔的375*300*10mm3轻质铝板和专用隔震气垫构成,达成了近临界阻尼状态,具有优异隔震性能。铝板应置于隔震垫正中,与箱体有一间距。本光学系统所备调整架在保证具有更大的通光口径规定
10、下实现两维独立微调和高低可调,完全满足了精密干涉仪的调整规定。反射镜及分光镜调整夹具,是本实验的光波方向的精密调整夹具,它由镜片架和固定支架用三组螺钉和弹簧连接。调整范围控制螺钉置于正上方,预置两支架间隔从而控制角度调整范围;水平方向及垂直方向角调整螺钉分置于倾45对角线上。光源选用2mW的He-Ne激光管,工作波长=632.8nm;1选用的是40的扩束镜;m1选用30的全反镜;m2、m3选用40mm全反镜;BS选用的是40mm的分光镜,用于光束转折;L2选用准直成像透镜。2.2 光学系统的各种干涉条纹及成像原理2.2.1等倾干涉原理如图2-3所示,给出运用平板获得的分阵幅干涉。扩展光源上的一
11、点S发出的一束光经平行平板的上、下表面的反射和折射后,在透镜后焦面P相遇产生干涉。由于在照明空间,两支相干光来自于同一光线SA,其干涉孔径角=0。在干涉场,相应的两支光汇聚在透镜的焦平面F上,于是F面为条纹的定域面。P点处的强度 (2-1)图2-3式中I1和I2是两支相干光的强度;是两支相干光在点的光程差,由图2-3所示, (2-2)其中n和n分别是平板折射率和周边介质的折射率,是从点向AD所引垂线的垂足。自N、C点到透镜焦面P的光程相等。因此运用集合关系得, (有是由于计及半波损失) (2-3)可知,在这种干涉下,光程差只取决于折射角2,相同的2的入射光构成同一条纹,故称为等倾条纹。在泰曼干
12、涉系统中,由于入射光的倾角是一致的,所以在抱负情况下,干涉条纹不是等倾条纹。2.2.2 等厚干涉原理如图2-4的楔板干涉中,从光源S中心发出经楔板上下表面反射的两支光交于定域面上某点P,这两支相干光在P点产生的光程差为 (2-4)式中,n为楔形平板的折射率;n为周边介质的折射率;光程的精确计算很困难,但是在实用的干涉系统中,板的厚度一般很小,且楔角也不大,可近似用平行平板的光程差公式来代替,计及半波损失,有 (2-5)式中,h是楔板B点处的厚度;是入射光在A点处的折射角。图2-4若2=0,楔板折射率处处均匀,那么干涉条纹与等h(等厚度)的轨迹相相应,这种条纹称作等厚条纹(否则是等光学厚度nh构
13、成条纹)。当时,相应亮纹;而当时,相应暗纹。显然,对于折射率均匀的楔型平板,条纹平行于楔棱,由亮纹(或者暗纹)公式容易导出,从一个条纹过渡到另一个条纹,平板的厚度变化为,相应光程差变化为。也容易导出,楔板的楔角,其中e是条纹的间距。2.2.3 泰曼干涉原理如上面所示图2-2,He-Ne激光管发出的激光通过扩束镜L2后扩束,然后到达全反镜m1上。经m1反射后通过准直透镜L2,形成准直平行光。此时的光束打到半透镜BS后提成两部:一束通过BS反射到m2,再由m2反射回来,穿过BS到达观测屏;另一束光穿过BS后到达m3,再由m3反射回BS,最后由BS反射到观测屏上。由于此两束光光强相近,频率相同,偏振
14、方向相同,故能产生清楚的等厚干涉条纹。调整m2和m2在m3臂的像m2的夹角以控制条纹密度。当=0时,干涉场为均匀场,得到无限宽条纹,0时,条纹间隔 (2-6)该系统干涉图综合精度评估可由以下方法:调m2和m3使视场有到个条纹,测量条纹最大弯曲量和条纹间隔之比,如图2-5左:图2-5 (2-7)即为误差光圈数,则综合精度为(由于泰曼干涉仪的每一条纹间隔为)。在上式的定义中,可表达为一个条纹内有效测量的部分,又由于条纹间隔相应于的长度,所以干涉系统的测量精度为。产生干涉条纹的原理可以从另一个角度来分析,从整个视场来观测,干涉场中事实上由3反射的标准平面波面w3和由2反射的带有两次棱镜缺陷的波面w2
15、叠加形成干涉条纹,等价于w1和w2两个波面的干涉(w1是w1关于分光镜BS的虚像),两波面上相应点的间距恰为各处的两相干光的光程差。所以干涉条纹全场地反映了被检零件的波面形状,从而反映了零件各处的缺陷。2.2.4 泰曼干涉条纹的特性干涉图像是等光程差的光强分布,分析干涉条纹的形状就可以得到环境和器件的各种信息。图2-5左图中事实上是包含了等倾干涉条纹和等厚干涉条纹。其等倾干涉条纹的特点表现在条纹弯曲上,这是由于发生干涉的两个平面波并不是抱负平面的。而等厚干涉条纹的特点表现在其条状条纹上,这是由两束光波方向上并不是完全平行而导致的,即一个平面镜与另一个平面镜的像存在一个夹角。图2-5右表达一个典
16、型的棱镜干涉图,条纹密集的地方表达波面弯曲大,而条纹稀疏的地方波面弯曲小,同一条纹处在与标准波面等高的地方,从一个条纹过度到另一个条纹,波面间高差为一个波长,在这个意义上,干涉图类似于波面的等高线图,可以用手轻压平面镜2后面,或使2稍向外倾,或移动3,用此时条纹的移动方向来拟定弯曲的方向,根据等高线拟定缺陷,以精修零件表面。3泰曼干涉的应用研究3.1 泰曼干涉仪的综合精度计算按上面所示的图摆好泰曼干涉光路后,对仪器进行调整。这里运用光的可逆性,使用自准直调整法。即仔细调整m2和m3完全自准直,使逆向反射光重返回激光器的光栏,S1和S2完全重合,即基本满足干涉条件。光波来回通过待测空间,每一条纹
17、间隔表达的位相差,程差/2。安装环节:安装m1和m3,使激光经m3和m1反射后返回激光器中。安装40扩束镜,安装的方向应使激光从扩束镜大孔进,小孔出。安装准直镜,准直镜安装在扩束镜的焦点处。具体方法即在安装准直镜时,留意激光束返回激光器的光斑。使准直镜在m1和m3之间来回移动,当光斑最小时准直镜的位置即为焦点处。最后安装半反半透镜BS和反射镜m2,调整BS和m2以产生干涉条纹。光路调整后,让可视场出现34条纹,得到的干涉条纹如图3-1:图3-1用游标卡尺测得的和数值如下:(cm)0.1850.1750.1700.1750.180(cm)0.5400.5450.5050.4950.495算得平均
18、值:0.1770.516所以该泰曼干涉系统的误差光圈数:=0.343所以综合精度=0.343*=0.1713.2用泰曼干涉仪检测室内微小振动和空气流动泰曼干涉系统对振动的灵敏性很高。微小的振动会引起泰曼干涉系统两臂的平面镜的微小振动,此时平面镜的振动是同方向,而两个平面镜的振动对条纹的移动影响是反方向的,从而引起干涉条纹的变化。空气的流动会引起空气折射率的变化,从而使光程差发生变化,最终导致条纹的移动。图3-2a所的一组图片表达了在实验室冷气机启动的情况下,干涉条纹的变化情况。可以看到,由于冷气机的振动和空气不均匀性,干涉条纹晃动明显。而调整m2和m2在m3臂的像m2的夹角,当越大,条纹越细,
19、则振动和空气的不均匀性导致的条纹晃动就越小。图3-2b所示,在细条纹情况下,条纹晃动就不明显了。运用此现象,可以用泰曼干涉仪来测微小振动和空气密度变化,而调相称于调精度。图32的两组图片的拍摄频率都是1张/S。 图3-2a 图 3-2b3.3用泰曼干涉仪检测系统内温度变化热物体温度的变化会引起周边空气的运动,从而引起空气折射率的变化。这在泰曼干涉系统中,就表现光程差的变化,从而引起干涉条纹的变化。图3-3a为高温的电烙铁忽然放进泰曼干涉系统其中一臂时条纹的变化。图3-3a左图为电烙铁没放入干涉系统前的情况,右面两图为电烙铁放进了干涉系统后条纹的变化。可见,在电烙铁的周边温度最高,空气折射率变化
20、也大,所以条纹弯曲就越明显。图3-3b为电烙铁在放进泰曼干涉系统后,随着电烙铁慢慢加热,干涉条纹的变化情况。可见,随着温度的升高,干涉条纹扭曲的情况也越来越明显。而电烙铁顶部温度最高,所以弯曲也最明显。 图3-3a 图3-3b3.4 用泰曼干涉仪来检查直角棱镜的综合质量3.4.1 泰曼干涉中直角棱镜干涉条纹的理论分析将直角棱镜置入泰曼干涉光路中,3-4a为三维光路。等效光路如图3-4b所示:3-4a图3-4b将直角棱镜在BS的像和m3放在一起,分析各种情况。当直角棱镜为抱负90度且光束垂直入射直角棱镜的情况。此情况下等效光路图如图3-5所示:图3-5光线(1)通过三棱镜后与光线(2)在m3上的
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