最精密的尺子，平面激光干涉仪的原理与应用

平面激光干涉仪

平面激光干涉仪——最精密的尺子

各行各业都离不开尺子，按照尺子的种类，分为卷尺、卡尺、机械尺，还有王濛的“我的眼睛就是尺！！！”。激光的出现在世界计量史上具有重大的意义，激光干涉仪可以激光做“眼睛”，利用光波的干涉原理测量材料的光学特性，这把尺子不仅能够测量厚度、距离等，还能衡量材料内部的光学均匀性、折射率、表面平整度等更精密的参数。激光干涉仪利用光学原理进行测量，还可以另外配合各种折射镜、反射镜等来做线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作。由于激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点，激光干涉仪具有精度高、误差小、灵敏度高、灵活性强等优势，是一种非常强力的非接触测试工具。下面，笔者就带领大家来详细了解一下平面激光干涉仪的原理、特点和主要应用。

寻根溯源——激光干涉仪的家族发展

17世纪后半叶，Boyle和Hooke观察到了光线的干涉现象。光的干涉现象是光的波动性的重要体现，一般分为薄膜干涉、等倾干涉和等厚干涉。

1801年，Thomas Young通过著名杨氏双缝实验正式实现了干涉现象的人为控制，其中的原理在1896年由Rayleigh利用设计改造成为了瑞利干涉仪。

1852年，Fizeau研究了使用干涉法测定固体膨胀系数和球直径的方法，设计了感应线圈、干涉谱仪和膨胀计等仪器，这就是斐索干涉仪的前身。

1887年Michelson和Morley为了研究以太是否存在，使用光波长作尺子刻度测量了水平面和垂直面的光速之差，最终否定了以太的存在。他们的研究利用了光的干涉现象，这是迈克尔逊光学干涉仪的灵感诞生之始。

1916年，Twyman在迈克尔逊干涉仪的基础上加以设计修改，同样利用的是光的等厚干涉原理，发明了泰曼干涉仪。

1961年研究人员发明了氦氖激光器，开始用氦氖激光器作为光学干涉仪的光源，从而促进了激光干涉仪的诞生和进一步发展。

有问必答——平面激光干涉仪的原理

Q1：平面激光干涉仪的定义是什么？不同种激光干涉仪之间又如何区分？

从上节中可以看出，激光干涉仪的分类繁多，那么，如何定义平面激光干涉仪中的“平面”？不同种类的激光干涉仪之间又有何区别？其中原理差别细微，详细讲述未免繁琐，因此，笔者将不同激光干涉仪的主要特点汇总如下，方便对比辨析。

在上述干涉仪中，迈克尔逊干涉仪和斐索干涉仪是最常用的。因此在这里，笔者主要就这两种干涉仪进行讲解和比较。

Q2：斐索平面干涉仪和迈克尔逊干涉仪的主要区别是什么？

这得从斐索平面干涉仪和迈克尔逊干涉仪的测量原理开始说起。

图1 斐索平面干涉仪的光路原理图

斐索平面干涉仪的光路原理图如图1所示，由氦氖激光发射器发出的光源经过参考薄膜入射到测试薄膜表面。来自测试平面的光与离它很近的参考平面之间反射的光线具有相干性。参考平面的上表面和下表面之间并不平行，以此来保证上表面的反光不参与干涉条纹的形成。成像系统将参考平面和待检测平面的反光发生的干涉条纹接收并导入探测器分析，条纹形状和间隔等信息即可提供待测平面的缺陷信息。

图2 迈克尔逊干涉仪的光路原理图

迈克尔逊干涉仪属于双光束干涉仪，顾名思义，仪器中包括两条光路：一束光被光学分束器（例如一面半透半反镜）反射后入射到上方的平面镜后反射回分束器，之后透射过分束器被光检测器接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的平面镜，之后反射回分束器后再次被反射到光检测器上。由于两束光路之间存在光程差，在光路中还要再加上一块补偿板消除光程差。

由此可见，斐索平面干涉仪和迈克尔逊干涉仪最大的区别就是：斐索平面干涉仪是共光路干涉，迈克尔逊干涉仪是分光路干涉。在斐索平面干涉仪中，参考光和传感光是沿着同一条光路行进的，相比分光路干涉仪具有误差更小、测量更精准的优点。这是因为使用分光路的干涉仪时，两支光路上往往会受到不同的外界干扰(如机械振动、温度起伏等)，致使干涉条纹不稳定，甚至严重影响测量。而在共光路干涉仪中，参考和传感两束光通过的是同一条光路，受到的干扰也一样。

Q3：斐索平面干涉仪vs球面干涉仪怎么说？

如果将标准平晶改换成标准球面样板透镜，就是所谓的“球面”干涉仪了。这是利用被测凹面镜的表面和与其曲率半径相当的标准样板透镜表面的两支反射光形成的牛顿环条纹作为检测原理和依据。用斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形、平面间距及其均匀性。斐索球面干涉仪用于检测球面的球面度、曲率半径及其局部缺陷与误差等。

Q4：若要使用斐索平面干涉仪进行检测，它的制样要求有哪些？

1、样品玻璃内应无肉眼可见的条纹、气泡等夹杂物；

2、样品尺寸根据玻璃产品大小而定，样品应有2个形状规则的通光面；

3、使用贴置板时，样品两通光面精磨，平行度不大于1′，平面度不大于0.03mm,表面粗糙度Ra=1.6；

4、不使用贴置板时，样品两通光面抛光，平行度不大于1′，面形N=0.07，△N=0.05，表面粗糙度Ra=0.012；

Q5：斐索干涉仪的仪器组成构件都是什么？各自有什么作用？

图3 斐索平面干涉仪的仪器结构

在斐索平面干涉仪中，1、2、3组成了光源装置，作用是发出高频、准直、均匀的激光光源，4、5组成了分光装置，作用是形成光斑更大的检测光束，入射到由6、7、8组成的待测装置中，获得的含有待测样品光学信息的出射光束被9成像镜头捕获并转化为电学信号，并在电脑中进行成像和分析。球面干涉仪则是将待测装置换作有限共轭距物镜、标准球面和待测球面而构成。

Q6：斐索平面干涉仪的具体应用有哪些？

激光干涉仪有很多应用，但本质都是测量中学课本讲的“位移”，其余的诸多应用都是“位移”的延伸和转化。斐索平面干涉仪多用于测量光学元件的面型、光学镜头的波面像差以及光学材料均匀性等。

表1 材料均匀性检测

测量光学元件表面的形貌时，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌。测量光学玻璃均匀性时，则需要从结果中减去被测样品前表面、后表面、标准镜和参考镜的影响，然后除以被测样品的长度，从而得到单位长度上折射率变化的分布。

许多领域中都会用到斐索平面干涉仪，如光学工厂、各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等。

Q7：影响斐索平面干涉仪测量准确度的因素都有哪些？

1、光源大小和空间相干性；

2、光源的单色性和时间相干性；

3、杂散光的影响——可通过使用楔形参考平板、楔形待测件、给光学面镀增透膜等手段减弱或消除；

4、标准参考平板的精度干扰。

平面激光干涉仪的问题与未来发展

问题一：硬件技术卡脖子的问题。

多年来，国内外在激光干涉仪方面进步不大，尤其是氦氖激光器的制造工艺等是个卡脖子的技术问题，亟需通过自主研发取得突破。

问题二：业界往往忽略干涉仪的非线性误差。

例如，长期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。事实上，德国联邦物理技术研究院(PTB)经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。因此，需要尽快根据各国计量院给出的非线性误差结果建立统一的标准。

平面激光干涉仪未来的发展和改良方向：高测速、皮米级、溯源、降低成本、提高氦氖激光器寿命等。