自动测量超光滑表面微分散射的微分散射仪

　　1　引　言

　　微分散射仪的研制是应激光陀螺的研制需要而提出来的一项重要光学检测仪器。高性能的激光陀螺,对环形激光腔的反射片要求很高,要求尽量降低其散射和吸收损耗,还必须降低反射片的后向散射。因此,在组装激光陀螺之前,对用于镀膜的光学基片及镀膜完成后的膜片不同反射点进行散射强度二维分布测量及表面粗糙度估计十分必要。利用微分散射仪,整个检测工作可由计算机控制自动进行,检测数据精确,大大提高了检测灵敏度和信息量。

　　2　表面结构与散射分布

　　经过精密加工的表面,表面几何形状误差分为形状误差、波纹度和表面精糙度,表面激光散射反映的是表面粗糙度。这里,我们只介绍均方根粗糙度、自相关函数和功率谱密度三个评定参数。

　　2.1　均方根粗糙度δ

　　均方根粗糙度属于纵向评定参数。假定在表面的某一方向将表面剖开,剖表面放大看到的是轮廓线,设想按最小二乘法在轮廓线中央做一曲线,此曲线即为中心线。在取样长度内,轮廓偏离中心线量的均方根值就是均方根粗糙度,对于非各向同性表面,需要在两维中求取δ,可按类似方法定义轮廓面和中心面,在取样面内求取偏离中心面量的均方根值。

　　2.2　自相关函数G(τ)

　　自相关函数及相关长度属于综合评定参数。一维自相关函数G(τ)的定义为:

　　f(x)　以轮廓中心线为零点的轮廓线坐标函数

　　f(x+τ)推后距离为τ后的轮廓线坐标函数

　　1　取样线长度

　　自相关函数是应统计的观点提出来的,许多参数都可以从其中推导出来。

　　根据均方根粗糙度的定义可得:

　　G(0)=δ(3)

　　2.3　功率谱密度g(k)

　　功率谱密度是将表面轮廓经傅里叶变换得到,即:

　　g(k)表面结构因子,实际上为表面结构的功率谱密度函数;

　　分别为入射角、散射角和散射方位角;

　　b、λ分别为入射光及散射光的偏振态和光源的波长;

　　P0、dp分别为入射光功率和散射光功率;

　　dΩ探测立体角;

　　其中:ω、c分别为入射光圆频率和光速。

　　(6)式表明,散射分布函数是由相互独立的光学因子和表面结构因子构成。

　　3　仪器结构与原理

　　本仪器测量的不是散射量与角度的分布关系,而是将入射激光的入射角固定为45°,散射测量方向为,我们将待测片安装在由两个步进电机驱动的两维扫描架上,扫描架可做两维建筑物型扫描,这样可在一次测量中获得待测片选定区域内不同入射点的定角fr值。由于散射信号非常微弱,我们选用光电倍增管作为探测器,通过对入射光进行斩波调制及使用锁相放大器实现微弱信号检测。系统原理框图见图1。