德国XONOX菲索型激光干涉仪原理与使用

德国XONOX菲索型激光干涉仪原理与使用

第一章：为何使用干涉仪做检测

1-1干涉度量学

第一章为什么要使用干涉仪检测首先我们要先了解，什么是干涉度量学？所谓干涉度量学是指利用光干涉的效应来量测特定物理量的方法, 也就是说藉由观察干涉条纹的变化, 来量测出待测物的特征

1-2何谓干涉仪

干涉仪是什么? 一般来说, 只要是利用光干涉的原理来量测的仪器便可以称为干涉仪, 但是干涉仪的种类众多且多变化, 因此本课程中将针对最为外界常用之种类作介绍

1-3干涉仪之优缺点

干涉仪的优点及缺点

第一高精度

以光学组件来说, 因为组件的微小变化均会严重改变原有的光学质量，因此必须要有非常精确的量测仪器, 干涉仪具有精度非常高的优点, 最高可达1/100的波长甚至到1/1000的波长, 波长是指干涉仪中使用光源的波长值.举例来说：一般干涉仪的波长为632.8( nm ),而632.8的百分之一约为6个(nm) , 目前的奈米科技是在这个尺度, 甚至有些更好的干涉仪可以到0.6个(nm ),从

此可以看出干涉仪的精度有多好了

第二章：非球面玻璃模造的原理

第二. 非接触式量测

另一种量测用的轮廓仪是使用接触式的量测方式, 即使目前已可以微调接触的力量, 但对于表面较脆弱的被量测物是否真的完全不会造成损害则仍无法确定.而当用干涉仪量测时, 是把光照射到被量测的物体上, 所以干涉仪上的探针也就是光, 并不会对物体表面照成任何伤害

第三使用探针来量测时无法一次量测所有的面积, 而可能必需分很多扫瞄线去量测, 相对来说, 干涉仪的量测速度就非常快了, 可能几秒钟就量完了, 而不需要等待几个小时的时间.

第四则是干涉仪的缺点, 一个操作员在会使用干涉仪却不太清楚干涉仪的使用限制、条件及原理的时候, 可能会量测到不是他所要的东西, 而且, 因为干涉仪是用光线量测, 在调整上也会花

费多的时间, 可能量测结果只要花几秒钟, 但事前的调整却要花费几十分钟甚至数个小时.

第二章：干涉仪工作原理

2-1光干涉

2-1.1为何光有干涉现象

干涉仪工作原理

我们是用干涉仪量测, 所以先要了解什么是光干涉? 为什么光有干涉现象?光的干涉现象有二个原因, 第一光像是波一样, 具有波的特性, 我们在丢一块小石子在池塘中, 就会看到很多涟漪向外扩散传播, 这就是波, 而光就可以用波来描述. 第二波的迭加原理, 我们之所以能够看到干涉条纹的明暗变化, 就是因为迭加原理所造成的,这是二个造成光干涉现象的基本条件除此之

外, 偏振光的特性, 是否同相位的特性也是造成光干涉现象的条件.

2-1-2由迭加原理说明干涉现象

由迭加原理说明干涉现象：

1. 破坏性干涉如上图所示, 假设蓝色波的最高值与红色波的最低值在同一位置时, 其相加数值为0, 所以当蓝色及红色二个波一起出现的时候, 迭加起来就会变成中间的黑线, 因为光具有波的特性, 所以如果2个波长彼此正好相差一半的波长时, 也就是相位差π时, 画面就会呈现全亮或全暗而完全看不到条纹, 以上图来看因为蓝色波的最高点到红色波的最高点距离相差π, 此时我们就称做破坏性干涉

2. 建设性干涉如下图所示,假设蓝色波与红色波的最高值在同一位置时,其相加数值就是2,当蓝色波与红色波完全重迭在一起时, 迭加起来就会变成较高的黑线, 当我们肉眼看到时, 黑线的最高点就会变亮, 最低点则较暗, 而会有明暗的线条变化, 我们就称做建设性干涉当蓝色波与红色波的相加数值为0～2以内时, 波长会较为平缓, 就会产生灰阶的渐层条纹变化了.

2-1-3干涉条纹之定量描述

对建设性干涉而言, 2个波的差异需满足公式: optical path(n*d)=mλ optical path是光程差, 光程差是指2个波的差异,当2道光从A点跑到B点时, 距离为d及d', 因此有一道波跑了nd, 另一道波跑了nd' 那么2道光的差异为n(d'-d), 也可以变成nd2'.如果nd2'为波长λ的整数倍时, 就会有明暗的条纹变化, 也就是建设性干涉而相反的当nd2'刚好为二分之一波长的技术倍时便产生破坏性干涉条纹，公式为:optical path(n*d)=mλ/2

2-1-4双光束干涉之数学描述

双光束干涉之数学描述：

假设2道光做干涉，这两到光的光强度分别为I1,I2，那么当这两道光产生干涉时便符合上述的公式.

其中:I1+I2为干涉条纹的DC项,根号(I1I2)为干涉条纹的振幅大小，最后Cos(Delta)为相位项,其中Delta扁是前面所提到的光程差.

所以当光程差变化时，可以知道干涉条纹也会随着变化

2-2如何判断干涉条纹

2-2-1干涉条纹种类

那么我们如何判断干涉条纹?

因为我们不是随时随地都可以方便的使用干涉仪并藉由计算机来分析, 所以我们必须用肉眼来

判断, 这也是最快最方便的方式.

干涉条纹的种类有2种:第一个是等厚度干涉条纹, 在等厚度干涉条纹中明暗的条纹会呈现等间隔的情形, 而且每个相邻的条纹代表相同的厚度间隔.

假设横线为标准面, 斜线为一个斜率固定的待测面, 当光线打过来的时候会产生折射现象, 我们在第一个射入点做一条与标准面平行的虚线, 在待测面会有光a反射回去, 在标准面时也会有光b反射回去从图可以看出光线a及b所通过的路径是不同的，而当光程差恰为波长的整数倍时，就可以看到相同间隔的干涉条纹

第二个是等倾度干涉条纹, 是由相同角度的光线所形成的干涉条纹, P1这一点有一个干涉条纹, 它的来源是由4条实线所造成的, 而这4条实线对这个物体表面来说, 则是同一个角度的光所造成的, 因为物体为圆形, 所以会造成对称的效果.而4条虚线则是由另一个角度的光所造成的, 并进而产生P2点的一个干涉条纹.因此由同样角度光线形成的干涉条纹我们就称为等倾度干涉条纹,不过在实际的应用上, 等厚度干涉条纹与等倾度干涉条纹是可能同时出现的.