扫描激光泰曼干涉仪微小角度变化测量及实验教学应用

　　利用光的干涉现象而发展的干涉度量学是一项重要的测试技术,根据不同干涉原理而设计的各种干涉仪具有不同的测量应用。泰曼干涉仪是以迈克尔逊和莫雷所用的平面镜系统为基础的,在光学上,这种平面镜系统差不多等于两块面对面的玻璃板。由泰曼设计的泰曼干涉仪一种用来检验棱镜质量,另一种是用来检验透镜质量。本文介绍的扫描激光泰曼干涉仪,以激光为光源,以压电陶瓷扫描作为扫描器件,用光电二极管将干涉光信号转化为电信号送入示波器,则明暗相间的干涉条纹转化为示波屏上的波峰和波谷,从而可以方便地进行观察和测量[1]。

　　一、泰曼干涉仪原理

　　图1所示为以激光为光源的泰曼干涉仪。激光经扩束L后有分光板H分束,分别均匀照射在反射镜M1和M2上。当M1和M2之间有一小角度时,两束反射光原路返回,并合后形成等厚干涉条纹。设反射镜M1和M2反射的波面振幅分别为Α1和Α2,则[2]:

　　式中x,y是干涉场中的直角坐标。如图(2)所示,以任一明纹中心作为坐标原点。取y轴沿条纹的方向,x轴垂直条纹方向,均匀照射并调节M1、M2,使之形成沿y轴方向的干涉条纹。(1)式和(2)式中的α1、α2均为常量,且φ1、φ2仅为x的函数。

　　[φ1(x0)-φ2(x0) ]表示干涉场中任意点x0处两光束的位相差。由此,干涉场中两波叠加后形成的干涉条纹强度分布为:

　　式中δ(x0)=φ1(x0)-φ2(x0) ,因为均匀照度,可令α1=α2,并设2α21=c(常数),则(3)式简化为

　　设劈尖等厚干涉相邻明纹间距为λ,其对应的厚高为λ/2;又设x0处对应的厚高为e0,有:

　　又在x0处,两干涉光束的光程差为2e0,则x0处两光波的位相差为:

　　(6)式代入(4)式,得干涉场中任一点x0处的光强为:

　　二、扫描泰曼干涉仪原理

　　将反射镜M1或M2其中一块支承于压电换能器件(PZT)上,在锯齿波电压的驱动下,PZT与反射镜一起线性伸缩,从而周期性地改变镜间的距离,实现所谓的厚度或位相扫描。选用的PZT在0-150V电压的驱动下伸缩量为0-λ。实验中可用SBR-1型示波器,其锯齿波电压在0-150V。将光电二极管置于x0处,其将动态的干涉光强信号转变为电信号,又送回该示波器显示。这样在同一锯齿波电压的基准下,可以保证光电输出信号与PZT扫描电压信号的良好同步,而不需外加电子线路。根据(5)、(6)、(7)式可知,当x0处对应厚度e0改变0-λ时,干涉条纹的x坐标有0-2λ变化,位相差变化经历了0-4π,从而可以保证扫描出两个完整的明纹或暗纹。光电二极管接受光强信号送入示波器,在示波屏上可以波峰图样。图3是两个明纹的情况。