半导体激光器在干涉测量系统中的应用(2)
致 谢 39
参 考 文 献 40
1绪论
1.1光干涉测量技术
干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术[1]。与一般的测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度、非接触性等特点。随着激光技术的出现及其在干涉测量领域中的应用，使干涉测量技术在量程、分辨率、精度、抗干扰能力等方面有了显著地提高。另外，现代数字图像处理技术、传感器技术使干涉图像判读技术实现了计算机实时监测，大大提高了干涉测量系统的灵敏度。从光学零件的质量检测到光学系统的像质评价，从经典的光学技术到自适应光学工程，现代干涉测量技术的应用领域在不断扩展。
干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹。根据干涉条纹的形状、方向、疏密以及条纹移动等情况，可获取被测量的有关信息[2]。按光波分光的方法，干涉仪有分振幅和分波前两种：分波面是指同一光源等相位面上分两束光进行干涉，如杨氏双缝干涉；分振幅是指利用分束镜的反射和透射分出两束光进行干涉，如等倾干涉和等厚干涉。按相干光束的传播路径，干涉仪可分为等光程干涉和非等光程干涉两种。等光程干涉指干涉仪的参考光路和待测光路程长相等，如点衍射干涉仪；非等光程干涉指干涉仪的参考光路和待测光路程长不相等，如斐索干涉仪。等光程干涉系统可选用激光、单色光甚至白光作为干涉光源，而非等光程干涉系统一般只能选用相干长度较长的激光作为光源。按用途又可分为静态干涉和动态干涉测量两种。静态测量是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量求得被测件表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等；动态干涉测量是指通过瞬态测试方法而实时获取动态波前的三文形貌。
干涉测量常用于检验光学元件的质量。在精密长度测量中，若介质折射率均匀且恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光光程差的变化所造成的，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。在元件折射率测定中，两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化可导致光程差的改变，从而引起条纹移动，瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。另外，如泰曼干涉仪、斐索干涉仪、剪切干涉仪等被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的面形质量。在这些干涉仪的一个光路中放置待检平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。
在精密加工领域，光学显微干涉术利用干涉条纹对空间位置变化所具有的极高灵敏感度，能够实现纳米级的测量分辨率，它以整个视场为分析对象，通过一次扫描就能够得到结构的三文形貌，具有很高的测试效率。单色光相移干涉术和白光扫描干涉术就是光学显微干涉术的两种重要的方法。单色光移相干涉术是通过干涉光路使物体包面反射的测量光与干涉物镜内的参考光会聚得到干涉条纹，在经过特定的相移方法调制其相位，通过探测干涉场中的光强变化计算出每一个数据点的初始相位，最后利用相位与高度的关系得出表面形貌。白光扫描干涉术的测试系统与单色光相移干涉术基本一致，但是它使用宽光谱光源进行照明，相比单色光而言具有更短的相干长度，使干涉条纹只能出现在很小的空间范围内[3]。另外激光外差干涉仪由于具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强等优点被广泛应用于光刻机、坐标测量机及大型超精密机床在线测量中的精密校对、位置检测以及动态误差的测量的等[4]。在电子工业应用中，用二次曝光和实时全息干涉技术对不同功率和不同夹持条件的PCB进行测试可获得电子封装热变形模式及其变形数据，为改善产品可靠性的提供了依据。采用这种方法还可以研究电路板在工作条件下的热场分布，从而进一步研究在某个点整机系统中每块店老板在工作时互相之间热的影响。