1、目 录目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 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 用泰曼干涉仪来检验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
2、望 .4.1 结论 .4.2 展望 .5 鸣 谢 .6 参考文献 .7 附录 .目 录摘 要- I -摘 要本文深入讨论了激光束干涉产生的原理，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，并利用 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，并利用分析得到的结果对 2 个直角棱镜实际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
3、无限小的直角误差。最后结果表明：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，有一定局限性。这个泰曼干涉系统能快速评定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；干涉检验ABSTRACT- II -AbstractThe principle of laser interference is described deeply and the principle of Twyman-laser interferometer is analyzed and find out the stripes made from Tw
4、yman interferomtric system are equal thickness stripes.A Twyman interferometric system 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 t
5、he quality of two right angle prisms and angle errors.Serval application of Twyman interferometer 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 interf
6、erometric system are researched theoretically.The result shows Twyman interferometric 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 su
7、rface and the right angle error rapidly,so it has a little of practicability.Key words: Twyman interferometer ; Right angle prism ; Interferometric test广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文- -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，泰曼干涉主要的干涉条纹是等
8、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。早先的光干涉技术主要用于可见光范围，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要求，红外干涉仪器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，用于检验光学零件（或光学系统）的综合质量。检验原理是通过研究光波波面经光学零件后的变形来确定零件的质量。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；检测微米量级相当的光电子器件和精密机械零件
9、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：广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文- -图 2-1仪器的工作
10、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，达到了近临界阻尼状态，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要求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要求。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-
11、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。广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文- -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，给出利用平板获得的分阵幅干涉。扩展光源上的一点 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，对应的两支光汇聚在透镜的焦平面 F 上，于是 F 面
12、为条纹的定域面。P 点处的强度(2-1)kIIPIcos2)(11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)ANnBCn)(其中 n 和 n分别是平板折射率和周围介质的折射率，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。因此利用集合关系得，(有 是因为计及半波损失) (2-3)2cosh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。在泰曼干涉系统中，因为入射光的倾角是一致的，所以在理想情况下，干涉条纹不是等倾条纹。2.2.2 等厚干涉原理如图 2-4
13、 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)()(CAnBn广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文- -式中，n 为楔形平板的折射率；n为周围介质的折射率；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)2cosnh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）的轨迹相对应，这种条纹称作等厚条纹（否则是等光学厚度 nh 构成
14、条纹） 。当 时，对应亮纹；),210(mnh而当 时，对应暗纹。)2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 ，nh2对应光程差变化为 。也容易导出，楔板的楔角 ，其中 e 是条纹的间na2距。2.2.3 泰曼干涉原理如上面所示图 2-2，He-Ne 激光管发出的激光经过扩束镜 L2 后扩束，然后到达全反镜 m1 上。经 m1 反射后经过准直透镜 L2，形成准直平行光。此时的光束打到半透镜 BS 后分成两部：一束经过 BS 反射到 m2，再由 m2 反射回来，穿过 BS 到达观察屏；另一束光穿过 BS 后到达
15、 m3，再由 m3 反射回 BS,最后由 BS反射到观察屏上。由于此两束光光强相近，频率相同，偏振方向相同，故能产生清晰的等厚干涉条纹。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，条纹间隔广东海洋大学 2006 届本科生毕业论文- -(2-6)2sind该系统干涉图综合精度评定可由以下方法：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)N即为误差光圈数,则综合精度为 （因为泰曼干涉仪的每一条纹间隔为*2） 。在上式的定义中， 可表示为一个条纹内有效测
16、量的部分，又因为条纹2间隔对应于 的长度，所以干涉系统的测量精度为 。N*2产生干涉条纹的原理可以从另一个角度来分析，从整个视场来观察，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 叠加形成干涉条纹，等价于 w1和 w2 两个波面的干涉（w 1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
17、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理想平面的。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造成的，即一个平面镜与另一个平面镜的像存在一个夹角 。图 2-5 右表示一个典型的棱镜干涉图，条纹密集的地方表示波面弯曲大，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确定弯曲的方向，根据等高线确定缺陷，以精修零件表面。广东海
18、洋大学 2006 届本科生毕业论文- -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。这里利用光的可逆性，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，S 1 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，每一条纹间隔表示的位相差 ，程差 /2 。安装步骤：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
19、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） 0.185 0.175 0.170 0.175 0.180(cm) 0.540 0.545 0.505 0.495 0.495算得平均值：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* =0.17123.2 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
