双波长激光量块干涉仪研制

　　一、前言

　　1995年开始施行的《量块检定规程》JJG146-1994将1等量块的测量不确定度从(0.05+0.5L)μm调整为(0.02+0.2L)μm,2等量块从(0.07+1.0L)μm调整到(0.05+0.5L)μm,但国内没有现成的检则仪器可满足新1等量块的测量不确定度要求,2等量块也随着这一变动大大增加了需求量,因此,迫切需要研制适合于1等量块检定以及2等量块批量检定的新型量块干涉仪。上海市质量技术监督局为适应这一需求,于1997年正式立项研制双波长激光量块干涉仪。

　　二、小数重合法测量原理

　　光波干涉法的基本测量原理是:设法使被测长度和干涉仪的光程差相联系。利用光波干涉法测量长度的基本方程为:

式中:L—被测量块中心长度;N—干涉条纹整数部分;ε—干涉条纹小数部分;λ—测量用空气波长;C—修正值之和。

　　被测量块被研合在一块称为平晶的量块辅助体工作面上,并置于干涉仪的测试光路中。用单色光照射时,在干涉仪视场中能看到两组干涉条纹,其中一组产生于量块工作表面,另一组产生于量块四周的平晶工作面上。由于投射到平晶上的光线经过的光程要大于投射到量块上的光程,而待测量块的中心长度L与两部分光线的光程差之半相对应。由于量块中心长度L不一定是λ/2的整数倍,因此两组条纹间有一相对位移。从干涉仪视场中无法直接测得两组条纹位移的整数部分N,但可以测出位移的小数部分ε。利用多个波长λi(i=1,2,3…)依次测得干涉条纹小数εi,根据它们之间的相互关系,能准确推算出干涉条纹的整数Ni,进而利用测量长度计算的基本方程式求出被测长度L,这就是小数重合法的测量原理。实际测量时,还要测量温度、湿度和气压等环境参数,对以上计算结果进行修正。双波长激光量块干涉仪原理框图见图1。

　　三、系统设计

　　1.光学系统设计

　　光学系统设计包括光源、干涉仪和接收三大部分。干涉仪采用迈克尔逊干涉系统,光源采用2支稳频的He-Ne激光器,接收部分则采用CCD摄像机摄取干涉条纹。

　　1)激光光源

　　为获得高对比度的干涉条纹以便光电器件接收,本方案采用波长分别为633nm和543nm、频率稳定度至少达到3×10-8的稳频He-Ne激光器作为干涉仪光源和量块测量的长度基准。为采用小数重合法测量量块中心长度,需用2支不同波长的激光作光源,先后对量块进行2次测量,为此,本系统使用一直角反射棱镜,利用其切入或退出光路两种状态实现2支激光的方便切换。为最大限度减少光能损失,采用激光直接入射方案。

　　2)准直扩束系统

　　显微物镜与准直物镜构成一准直扩束系统,将激光器发出的Φ1mm的激光扩束为Φ60mm的宽光束。干涉仪的入射狭缝由可调节狭缝宽度部分和固定横狭缝组成。固定横狭缝连同狭缝套厚2mm,而普通相应倍数显微物镜的工作距不能满足要求,为了使激光光束充满视场,必须选择数值孔径大、工作距长的显微物镜。