短相干光干涉在晶体特性参数和微观表面形貌测量中的应用研究

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激光因其优良的相干性广泛地应用于干涉测量领域,然而其在测量过程中存在容易产生干扰条纹和干涉条纹级次不确定的问题。宽光谱光源,特别是白光,由于其相干长度很短,只有当两束光的光程差很小时才能产生对比度良好的干涉条纹,因此不易产生干扰条纹;其干涉条纹具有特征明显的零位,避免了条纹级次不确定的问题。此外,白光干涉还能提供丰富的色彩信息,测量手段也更为丰富。因此基于宽光谱光源干涉原理的测量技术越来越受到重视。本论文以宽光谱光源的干涉,主要是白光干涉的原理为基础,在双折射晶体延迟量的测量、微观表面轮廓的测量以及平行平板型光学材料的光学均匀性的测量这三个方面进行了应用研究。首先,将白光干涉应用于双折射晶体延迟量的测量中。提出了一种基于白光干涉色的色调值测量双折射晶体延迟量的方法。在白光正交偏振干涉系统中使用Soleil-Babinet补偿器建立了不同延迟量和其对应的白光干涉色的色调值之间的定量关系,为确定Soleil-Babinet补偿器的延迟量,提出了一种使用分光光度计标定其延迟量的方法。根据建立的延迟量和色调值之间的定量关系,实现了利用色调值测量延迟量的目的。实验测量了一零级全波片的延迟量,其结果564.9nm与使用光谱扫描法测得的结果565.2nm相吻合。此外,该方法还可用于解决光学玻璃内应力的测量。将白光偏振干涉和迈克尔逊干涉仪相结合,提出了一种测量多级波片延迟量的方法。白光偏振干涉系统产生两束振动方向相同的线偏光,它们进入迈克尔逊干涉仪后分别被两干涉臂的平面镜反射,在空间形成三组白光干涉包络,根据白光干涉包络之间的光程差就可求得被测延迟量。实验测量了一多级波片的延迟量,其结果2990.6nm与使用光谱扫描法测得的结果2992.8nm基本吻合。在此基础上还实现了低级次波片延迟量和光学玻璃内应力的测量。其次,研究了白光干涉在微观表面形貌测量中的应用。为了测量台阶面和计算全息件的微观表面形貌,在6JA干涉显微镜和金相显微镜的基础上设计并构建了Linnik型和Mirau型的白光干涉垂直扫描系统。使用PZT推动被测样品轴向扫描,利用空间频域算法处理CCD采集的白光干涉信号,得到被测表面的形貌信息。实验测量了台阶的高度和计算全息件的沟槽深度,结果与ZYGO NewView 7200轮廓仪和Ambios TechnologyXP2探针式轮廓仪测量的结果基本吻合。最后,提出了一种基于短相干光干涉测量平行平板型光学材料的光学均匀性的方法。由于干扰条纹的产生,激光干涉难以测量平行平板型光学材料的光学均匀性。将相干长度较短的钠光与泰曼-格林干涉仪相结合,在避免干扰条纹产生的同时,实现了光学均匀性的高精度测量。同时研究了一种基于空域滤波的虚光栅移相莫尔条纹法,从单幅干涉图中提取波面信息,用于计算样品的光学均匀性。实验测量了厚度为13mm的光学平板玻璃,结果表明,光学均匀性的测量精度为2.6×10-6,被测样品折射率偏差的峰谷值和均方根值分别为△npv=6.06×10-6,△nrms=8.96×10-7。
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