長度標準和在一定精度下測量長度的能力是非常重要的。測量長度可以使用機械方法,如精密直尺;也可以使用光幹涉方法來測量,這一想法zui早由邁克爾遜在1887年提出。國際標準單位之一的米(m),被定義(yi) 為(wei) 真空中光在1/299792458s時間內(nei) 走的路程長度,隨後開辟了兩(liang) 種長度測量的方法:①傳(chuan) 播延遲:長度L是真空中的平麵電磁波在時間t內(nei) 傳(chuan) 播的路程,滿足關(guan) 係L=ct,真空中光速為(wei) c=299792458m·s-1;②幹涉測量法:平麵電磁波真空波長為(wei) λ。頻率為(wei) f,滿足關(guan) 係式λ。=c/f.本文主要介紹幾種幹涉測量長度的方法供了解。
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長度與(yu) 尺寸測量
1.幹涉法長度測量的基本定律
幹涉法長度測量的基本規律是用一個(ge) 機械長度與(yu) 一個(ge) 已知的光的波長對比。一般來說,這種光學方法設計光束兩(liang) 次通過所需的長度。因此,測量單位是半波長,被測長度表示為(wei) :
式中,λ為(wei) 波長;i為(wei) 幹涉整數級;f是幹涉分數級。
利用半波長的倍數表示長度的方法取決(jue) 於(yu) 兩(liang) 種或者多種光波的幹涉強度,在雙光束幹涉時表示為(wei) :
此時,γ為(wei) 幹涉率,z1-z2為(wei) 兩(liang) 個(ge) 光束通路之間的幾何距離差。因此,一個(ge) 通路長度的改變會(hui) 以單位λ/2來改變周期性幹涉強度。在上式中位相的不同 2Π/λ/2(z1-z2)可以用真空波長表示為(wei) 2Π/λ0/2(z1-z2)。此時的n是通路中空氣的折射率,n(z1-z2)表示兩(liang) 個(ge) 光路之間的差異而不是幾何距離差。
可見光的波長一般為(wei) 400~700nm,因此測量的基本單位是200~350mm。(因為(wei) 半波長)
2.測長幹涉儀(yi) 的基本類型
(1)泰曼一格林幹涉儀(yi)
泰曼一格林幹涉儀(yi) 是一種使用準直光束的邁克爾遜幹涉儀(yi) 。其光路本質和邁克爾遜幹涉儀(yi) 相同,都是采用分束器分光,兩(liang) 束光再次重合進行幹涉的方法。光路圖如下:
當測試對象通過一個(ge) 平麵鏡時,每條入射光線的的傾(qing) 斜角都是相等的,可看到的整個(ge) 區域呈現相同的照明度,光程差為(wei) mλ/2時是亮條紋,光程差是(m+1/2)λ時為(wei) 暗條紋,此時m是一個(ge) 整數。當一個(ge) 平麵鏡傾(qing) 斜時這種情況也將改變。此時,直條紋出現在觀察區域,條紋的數目和方向嚴(yan) 格依賴於(yu) 傾(qing) 斜度。當被測對象不是完全平麵時,條紋彎曲而且不在空間均勻分布。這樣的條紋圖像可以用於(yu) 表麵品質的測試,也可以用於(yu) 地形表麵的分析.
分束鏡的二次反射可采用鍍製減反射膜來抑製,很小的雜散反射也可導致不利的幹擾,對zui終幹涉造成影響。另一種消除二次反射的有效方法是利用楔形分束鏡。這樣使得二次反射的方向與(yu) 主射方向不同,導致聚焦透鏡的焦平麵上的二次反射點能被一個(ge) 合適的孔擋住,這樣就避免了反射光對zui終的幹涉光束的影響。分束鏡的楔形角ε造成幹涉光束一個(ge) 很小的偏移,為(wei) ε(n-1)。此處n是分束鏡的折射率。當使用一個(ge) 單波長時,這個(ge) 偏移可通過適當的調整反射麵進行補償(chang) ,當使用不同波長時,分光儀(yi) 的散射造成觀察條紋數目的很大改變。這種散射影響可以在反射光路中放置一個(ge) 楔形補償(chang) 平板來進行補償(chang) 。補償(chang) 板的楔形角、方向和基體(ti) 材料都要和分束鏡一樣。
(2)斐索幹涉儀(yi)
一束光進入幹涉儀(yi) 後在第1個(ge) 表麵半反射,在其他表麵都幾乎全部反射。多次反射產(chan) 生多束光,分光儀(yi) 分開入射光,得到多束光用於(yu) 多光束幹涉的分析。不必要的反射導致的有害幹擾可以用楔形平板,如在光組中的一個(ge) 小孔光學元件來消除。
用斐索幹涉儀(yi) 進行長度測量時與(yu) 泰曼一格林方法類似,通過加入一個(ge) 粘接在圓筒上的棱鏡進行,可以確定條紋位移的幹涉分數級。
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