液面基准法标定干涉仪系统误差
0 引言
光干涉法始终是检验高准确度光学平面的有效手段,而参考平面是干涉仪中最关键的部件,担负着量值传递与保持的重任.为了避免标准参考面的误差,需要建立光学平面基准对仪器的系统误差进行标定,从而实现高准确度的平面面形测量.
光学平面基准的建立方法一般有两种:平面绝对检验(如三面互检法[1]和伪剪切法[2])和液面基准法[3].最早的三面互检法[4]是由G.Schulz和J.Schwider等人在1967年提出,后有以提高空间分辨率和减小插值误差为目的的文献[5-6]报道.Arizona光学中心Ai.和J.C.Wyant[7]等人也对平面绝对检验进行了深入研究,并提出“奇偶函数法”.三面互检法的数学公式是理想情况下的,但作为平面检验基准存在一些不足[8],一般只适合于制造高准确度中等口径平面时使用. 1984年P. B.Keenan[2]提出了一种伪剪切干涉计量测试技术,国内也相继进行了一些探讨[9-10],与三面互检法相比,测量方程的数学表达式更为简洁,同时也可求出干涉仪的系统误差.但由于统一原始波面时误差*的积累问题,伪剪切法作为建立平面基准的方法一直未被广泛认可.综上考虑,本文决定采用液面基准法作为干涉仪系统误差的标定方案.液面平晶可作干涉测量平面基准的思想早在1893年就由LordRayleigh[11]提出,理论上液体平面具有与地球表面相等的曲率半径,液体直径为300 mm时,平面度偏差仅λ/340,因此液面被认为是检测平面的绝对标准.但液面基准制作极其困难,液面极易受干扰[12],对环境条件如温度、气流、振动等要求很高,此外润湿效应、蒸发、灰尘影响以及液体的自身不均匀性都会使液面曲率发生变化从而影响液体的平面度,所以这种方法一直难以在生产中实用化,只有美国亚利桑那大学光学中心曾有用数字波面干涉仪进行液面基准测试的简单报道.本文将结合实验重点分析液面基准建立过程中润湿效应[12]及温度、气流、振动等环境因素对液面的影响.
1 润湿效应
用液体表面作为基准参考反射面,在自然状态下,若不考虑容器的边缘效应,液体表面为理想水平面.可液体与盘壁接触时由于毛细血管作用所产生的润湿效应,在液盘周围的液面将发生局域弯曲,会严重影响液体表面的平面度,必须把靠近液槽四壁的液体分划在可用范围之外.因此液盘必须足够大,以保证液体的润湿效应不影响中间部分的平面度;而为了减小由地球吸引力引起的液体表面的曲度,还必须减小液面的覆盖面积,即减小液槽的大小.下面建立研究润湿效应的杨-拉普拉斯方程式,从理论上推导出润湿效应对液面的影响范围,从而确定合适的液槽尺寸,并从实验上给予验证.
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