迈克耳孙干涉仪在精密尺寸测量中的应用

　　1　迈克耳孙干涉仪

　　如图1所示。图中M1、M2均为平面反射镜,其中M1可动,M2则被固定; G1为分光镜,作用是将入射光线分成振幅相近的两束光;G2为补偿板,其作用是补偿①、②两光路的光程差;G1和G2相互平行且与M1、M2成45°角。这样,来自光源S的光,经过透镜L后,平行射向G1被分成两束光:一部分被G1反射后,向M1传播,经M1反射后再穿过G1向E处传播(图中的①光路);另一部分则透过G1及G2向M2传播,经M2反射后,再穿过G2经G1反射后向E处传播(图中的②光路)。显然,到达E处的①、②两光路是相干光,相遇时会产生干涉现象。

　　考虑到补偿板G2的作用, M2′是M2经G1形成的虚像,所以从M2反射回的光,可看成是从虚象M2′处发出的。这样,①、②两路相干光的光程差,主要由G1到M1和M2′的距离d1和d2的差值决定。通常M1与M2并不严格垂直,因此,M2′与M1也不严格平行,它们之间的空气薄层就形成一个劈尖。这时,观察到干涉条纹是等间距的等厚条纹。若入射单色光波长为λ,则每当M1向前或向后移动λ/2的距离时,就可看到干涉条纹平移一条。所以,若测出视场中移过的条纹数目为ΔN时,则M1移动的距离为

　　2　迈克耳孙干涉仪在精密尺寸测量中的应用

　　如图2所示。光源1发出的光线经透镜2会聚后,再通过滤光片3投射到分光镜4上。分光镜于是把投射到其上的光线分成两部分:一部分光被反射,向参考镜7传播,再经参考镜反射回分光镜;另一部分光则透过分光镜及补偿镜5向平面反射镜6传播,经平面反射镜反射后,再穿过补偿镜,到达分光镜处。由于这两部分光是由同一束光分出的,因此是相干光,相遇时会产生干涉现象。其干涉条纹可通过物镜8成像于目镜分划板9上。

　　由于平面反射镜与测量杆10固定在一起,当被测物体尺寸发生变化时,将引起平面反射镜和测量杆上下移动,于是上述两部分光将产生光程差,从而引起干涉条纹的移动,干涉条纹的移动量则对应于测量杆移动的距离。

　　测量时,先选一个与被测物体同尺寸的标准量块放在测量杆下面并与之接触,调节补偿镜使干涉条纹对准零位。然后取下标准量块,放上被测物体,由于被测物体尺寸与标准量块间存在微小差值Δl,于是将引起干涉条纹的移动。其微小差值可采用如下方法计算:

　　采用两种不同波长的光源,即改变滤光片3a和3b的位置,则有

　　式中,k1、k2分别为用两种不同波长时所对应的条纹数。

　　由于在视场内能见到的条纹数只是有限的一部分,因此,k1、k2是未知数。但是两种条纹之差Δk却是可以测出的,只要在观察分划板处以固定的指标线对准第1种波长时的某一条纹,则改变成第2种波长时最靠近指标线的那一条纹偏离指标线的距离与条纹间距之比,即为两组条纹的尾数差,测出尾数差便可计算出Δl。