激光剪切干涉用于在线表面测量的特性分析

引　言

激光波面干涉方法已用于表面精密测量。然而,由于其严格的应用环境要求,普通激光波面干涉仪不可能用于在线表面精密测量[1]。

不同于普通激光波面干涉仪,横向剪切干涉仪由于其自干涉特点,有较强的抗振抗干扰能力[2]。已有多种不同的横向剪切干涉原理[3~9]用于光波波前和精密表面测量实验研究,然而它们不便于剪切量调整和相移操作,结构上复杂,稳定性差,不适合实际应用。为实现在线表面精密测量,作者基于双折射晶体特殊设计的剪切发生器[10],已研究了一种横向剪切干涉仪[11],使干涉仪结构上简单紧密,完全共光路,能方便实现剪切量调整和准确相移,非常不敏感于被测表面振动和环境干扰。

本文中建立了该横向剪切干涉仪的光传输和实现表面测量的数学模型,对其抗振抗干扰特性作出了分析,对其实现在线表面精密测量的振动条件进行了推导,并在模拟的在线振动环境下进行了表面测试实验。分析和实验结果证实了该干涉仪的在线表面测量能力。

1　干涉仪原理

基于双折射晶体剪切发生器的横向剪切干涉仪原理如图1所示。SP是双折射晶体剪切发生器。从激光器发出的光穿过空间滤波器、偏振分光棱镜PBS,λ/4波片Q1和准直棱镜L1,产生标准的平面光波。该平面光波入射到被测表面,反射回来成为波前带有被测表面形貌信息的光波。再次通过L1和Q1后,该光波由PBS分光面和反射镜RF反射,经准直镜L2扩束,进入剪切发生器SP,并被沿y轴横向剪切分开成相互间有一小量侧移、偏振方向互相垂直的两偏振光波,其中一束偏振方向平行纸面,另一束垂直纸面,两光波带有同样的被测表面信息。此两个偏振光波通过λ/4波片Q2和检偏器P2,发生横向剪切干涉。由CCD相应于y方向的剪切干涉特征被获取。同样的,通过沿z轴旋转剪切发生器90°,相应于x方向剪切的剪切干涉特征被获取。获取的双向剪切干涉特征送入计算机进行分析和波前重建,从被测表面反射的光波波前及被测表面形貌被获得。

2　抗振特性分析

根据图1中横向剪切干涉仪原理,Q1,Q2, PBS和RF只改变光波的传输方向和偏振状态,而不改变其波面形状。因此,其用于平面表面测量的机理可以简化为如图2所示。其中,l是被测表面到透镜L1的距离,l1是透镜L2的后焦平面到检偏器P2的距离,f1和f2分别是透镜L1和L2的焦长。从被测表面反射回来的光波带着被测表面形貌信息穿过透镜L1和L2,随后被横向剪切成两剪切光波,并在P2平面发生剪切干涉。通过对干涉特征进行采样、相位恢复和重建,反射光波波前及被测表面形貌被获得。

将被测表面偏离表示为z=δ(x,y)。当被测表面沿与x轴成θ角度的旋转轴有一小的角度为φ的倾斜角时,其可表示为: