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论文写作模式-薄玻璃厚度的光学测量研究

2021-03-11 09:50


   我国现阶段科技发展水平日益趋向先进化水平,而在这其中,光学元件的应用功不可没。这类元件不仅在光学工程领域当中有着十分广泛的应用,更在电子通讯、航空领域等方面发挥着至关重要的作用。而光学元件的制造工作离不开检测工作。为了能够有效提升光学元件的检测质量,学术界对于光学测量领域的研究一直从未停止过。而在百家齐鸣的优秀检测手段之中,干涉法检测脱颖而出。在光学元件检测中不仅拥有极高精准度的测量参数,更在检测操作中具有十分优异的可靠性与便捷性,并且在现一阶段的高精度检测方面都有着非常重要的应用价值。

 
  本论文研究基于薄玻璃厚度开展光学测量研究工作。对此,在一番论文统筹工作中,本文研究内容主要分为如下几点:
 
  首先阐述了迈克尔逊干涉法的基本原理,并借助系统分析法来研究如果借助迈克学干涉原理开展玻璃厚度检测工作;
 
  其次深入分析迈克尔逊干涉检测原理所应用到的迈克尔逊干涉仪,研究仪器的工作原理与操作方法等;
 
  继而针对迈克尔逊干涉仪在光学测量中的应用价值进行分析,在分析了当今时代的迈克尔逊干涉仪之后,给到了一些解决问题的方法。
 
  最后总结本论文研究,完成论文研究工作。
 
  1.1背景介绍
 
  众所周知,现如今时代中,光学元件的应用遍及各行各业,与我国国民经济发展与民生稳健运作有着极其密切的联系。而玻璃工业在此间得到了异常迅猛的发展,无论是在建筑领域、科技领域,或者是交通领域和航空领域、新生领域等均有着非常广泛的应用范围。随着质量意识不断深入人心,玻璃生产质量在人们心中变得愈渐关键,更为玻璃的实际应用起到了决定性支持预作用。而玻璃检测工作当中,玻璃厚度检测即一项基础性工作之一,更是能够衡量玻璃生产质量与应用质量的重要参考指标。如何应用规范的测量检测方法提高对玻璃后的检测精准度,成为了现阶段学术领域的热点课题之一。而在众多玻璃厚度检测方法当中,干涉法检测应用价值逐渐突显出来。本论文即针对薄玻璃厚度在应用光学测量手段开展深入研究与分析。
 
  由于我国千千万万行业对玻璃数量与质量的需求愈渐膨胀,玻璃质量要求变得十分严格。并且这将是一次对自我技术的一次变革和挑战。而玻璃厚度参数即玻璃质量的重要参考指标,所以在众多玻璃当中,确保其厚度一致性是玻璃检测方所关注的主要指标。就薄玻璃而言,在光学元件领域中属于一种十分脆弱的光学元件之一。而薄玻璃的质量对所构建的光学系统或其他系统应用有着十分重要的决定性作用,对此,薄玻璃厚度检测工作变得十分重要。现阶段在玻璃厚度检测手段中有很多,以往所应用到的接触法厚度检测显然不再适于用薄玻璃,因为这种检测手段很容易损坏薄玻璃。因此,在众多检测手段中,光学测量的检测价值逐渐得到了众多检测专家的一致认同,在其中的光学测量技术也将会占据着十分巨大的检测优势。
 
  从我国现阶段的玻璃工业领域来看,在玻璃生产技术当中尽管处于较为先进的地位,但是对于玻璃检测技术水平仍然比较落后。尤其是在薄玻璃检测工作中,十分依赖国外先进国家的高精密检测设备。与此同时,在我国十二五规划大背景中,自主开发玻璃厚度光学测量系统,因此,本文基于光学检测基础,将深入分析干涉法检测法在薄玻璃厚度检测中的应用优点,并与传统接触式检测手段进行相互对比,从而能够凸显光学检测的应用优点。对此,在本课题研究中,其研究成果,对于推动我国光学检测领域发展、玻璃质量检测技术水平等方面有着极其重要的现实意义。
 
  1.2国内外本研究的具体情况
 
  11.11.21.2.1国外的具体研究情况
 
  就目前来看,由于在玻璃质量测量领域中,传统测量工艺效率十分低下,同时难以满足大规模的玻璃生产检测需求。对此,西方各发达国家已经开始摒弃传统测量工艺,改用激光技术配合信息技术开展光电法检测工作,同时在先进摄影机器设备应用中,对于玻璃厚度测量工艺的发展起到了显著的推动作用。比如在1980年开始,来自俄罗斯的两位科学家开始用冷控制的方法检测玻璃,同时可以应用于玻璃切割区域附近进行安装与应用。但是技术更加先进的日本企业肚子研究出了通用的厚度测量器还有位移器,主要型号有ST-730Ⅰ、ST-730Ⅱ以及ST-730Ⅲ等,其测量范围分布在0mm至45mm之间,而分辨率最高可以达到2.5×10-4mm。另外在英国,Image Automation公司中,独立自主开发了Fastscan32型激光扫描检测系统,且在拉美地区玻璃生产厂中有着很大程度上的使用。
 
  1.2.2国内的具体研究情况
 
  从国内玻璃质量领域中可以显然看到,由于测量技术相对比较落后,导致实际上在光学元件检测方面一直与西方发达国家存在明显差异,但是也不能因此而否认我国众多学者以及专家等在这一领域中所付出的艰苦奉献成果。比如中国建筑科学院的彭嗣明先生,提供的建设性意见让我国的第一台光学检测仪的研究少走了不少弯路,该检测仪器主要是应用γ射线的反射原理,构建出相应的平板扫描测量装置,其测量范围在1-20mm之间,并且其精准度在0.01mm左右,可以说和国外发达国家所设计出的测量装置在精准度以及测量范围上相比有着显著的优势。根据其仪器参数资料可以得知,它的测量示值误差范围可以控制在&viewmn;0.03mm以内。另外也有陕西科技大学的宋晨、吕岑和哈尔滨工业大学的李彦超、章亮等人在应用激光多普勒技术中,将其与激光外差测量技术相互结合,开发出的新型非接触式测量法,在仿真模拟检测当中可以看到,针对1-10mm的平板玻璃进行检测之际,其中的误差率仅有1%不到。
 
  总的来说,我国在光学元件检测领域中的研究与发展仍旧处于理论及实验阶段,在某些工业技术难题中还需要有待去完善与解决。尽管一部分研究结果表明,我国自主开发与研究玻璃厚度在线检测装置已经取得了突破性发展成果,但是还未曾真正实现大规模化商用。所以,在这其中,我国仍旧还有很多路需要走。
 
  1.2.3本篇论文的主要研究方向
 
  论文研究的主要内容分布如下:
 
  在绪论中,第一个道出了研究的背景介绍,对光学的元器件加以了解,同时结合国内外研究现状,开展介绍与相关的阐述,针对论文的主要研究内容进行简单的概述,并列举出研究拟采用的研究方法或措施;
 
  在第一章中,先对迈克尔逊干涉检测基本原理进行阐述,并在系统分析法的帮助下,基于迈克尔逊干涉理论开展玻璃厚度检测工作,列举出相关的理论内容;
 
  在第二章中,论文会将迈克尔逊干涉仪的工作原理及检测方法进行深入分析,为下文的研究铺垫基础;
 
  在第三章中,分析在光学测量领域中应用迈克尔逊干涉仪检测的应用价值,将现阶段的迈克尔逊干涉仪在具体操作中存在的主要问题进行深入分析。
 
  最后将论文研究内容进行总结,提出研究展望以结束论文研究。
 
  1.3打算使用的具体方法
 
  (1)学会使用干涉仪弄懂其原理
 
  (2)观测白光/等频/等厚(干涉条纹)
 
  (3)测量双线的纳光波长差
 
  (4)对水银灯其中的一条线进行测量
 
  (5)测量薄玻璃的折射率。
 
  2薄玻璃厚度光学测量相关理论综述
 
  在薄玻璃厚度测量中,光学测量方法拥有优异的非接触性特征,在现阶段的光学元件测量领域中有着十分广泛的应用。由于现如今时代玻璃生产技术在不断提升,玻璃质量检测要求也具有了十分严苛的专业性要求,玻璃厚度精准度要求对于玻璃厂商及购进方有着非常重要的影响作用。以往所应用到的接触法检测手段很容易导致薄玻璃出现破碎、裂化等现象,对玻璃质量造成较为严重的负面影响,所以传统接触法检测早已不再适用。从玻璃的材质上来看,由于这种玻璃材质具有非常显著的透明性特征,可以对光实现一系列透射、反射等光学变化,故此,光学测量手段现如今成为了玻璃厚度检测技术的主要攻关思路与方向。在论文研究中,先针对传统基于光学原理下的玻璃厚度检测方法进行简单介绍与对比分析。
 
  22.1机械法
 
  所谓的机械法指的是探针测量法。从1920年开始,薄玻璃的的研究方法、薄膜等材质厚度测量领域当中。机械法测量原理在于,应用具有高精准度的机械探针,对待检测样品开展表面运动,并从其中搜集样品表面所产生的一些轮廓变化,来达到测量出样品厚度的目的。实际上,机械法测量无论是在薄玻璃厚度还是材质表面特征检测中,均有着优异的检测价值。而台阶仪(如图2.1所示)就属于基于机械法检测原理的高精准度仪器设备,其工作原理主要将检测样品放置于基地位置,同时在仪器探针工作中结合电位移传感器的应用,将数据信息转化为电信号,经由测量电桥作用后,会形成一种调幅信号,而该信号在放大整流作用下,位移变化信号可以从中解调出来,在滤波处理中得到相应样品的厚度数据。该检测设备具有良好的稳定性与分辨率,但是由于在检测薄玻璃时需要露出基底部位,且探针在工作过程中还会容易对薄玻璃造成一定的损害。
 
  图2-1台阶仪
 
  2.2反射法
 
  反射法的检测原理在于,在几何关系的应用中,将激光射向薄玻璃,同时取得其中的入射角、折射率、出射光线间距等数据,继而计算出待测样品的实际厚度。在反射法的检测应用中,其光路图可如图2.2所示,将从1发出的光束成功导向玻璃,那么玻璃就会出现折射和反射,而所反射的光线以及折射光线分别可以设为2与3,激光光束在射向玻璃表面时,其中的入射角可以设为α,在穿透玻璃之后的折射角可以设为β,同时由于激光光束射向玻璃表面并透过玻璃而产生反射现象时,又会从玻璃下方沿着上方反射出来,而其出射角与反射角的角度基本相等。当激光光束在两次穿透玻璃之际,会有一部分激光光束能量明显衰退。
 
  图2.2反射法的光路图
 
  因此,综合此等现象与原理,可以将玻璃厚度设为t,并将反射光束与折射光束之间的间距大小设为x,此时结合光折射定律可以列出如(2-1)所示公式:
 
  (2-1)
 
  而激光光束反射光线与折射光线之间的水平间距可以设为l,并且与t之间的关系可以列出(2-2)所示公式:
 
  (2-2)
 
  我们将如上两个公式进行结合,可以得出(2-3)所示公式:
 
  (2-3)
 
  从如上公式可以看到,激光光束的折射光与反射光之间的水平间距l,与玻璃厚度t之间存在明显的一个线性关系。而当激光折射率n在固定条件下,其中的激光光束入射角α同样属于固定值。因此在明确l时,可以根据该公式计算出薄玻璃的相应厚度数据信息。尽管反射法的应用在测量薄玻璃厚度时满足了非接触性的光学测量目标,但是该方法的测量结果可能会受到薄玻璃表面清洁质量、探测器方位以及系统像差数据等的干扰。
 
  2.3干涉法
 
  一般来说,光学元件可以分为各向异性与各向同性的情况,如自然界中常见的石英、方解石等所制作而成的晶体具有很多特殊的光学现象。在现代科技发展中,很多光学器件均是应用这些各向异性晶体所制作而成。而玻璃属于各向同性介质,所以在针对这些介质在检测中不仅可以借助光的反射与折射等原理来开展检测工作,更可以在其中借助干涉效应来开展干涉法光学测量工作。在结合波动光学理论知识,我们可以得知,非单一个光波在空气中叠加的时候,如果这些光波符合一定的条件,就会产生干涉,并且稳定分布。所以,干涉法检测理论在光学测量中极负盛名,高精度仪器干涉仪即在干涉理论基础中应用于光学测量领域,具有十分优异的灵敏度、精准度、抗干扰以及非接触性测量的诸多特征。
 
  一般的非接触性测量方法的测量精度最多只能控制在毫米级别,而干涉法测量精度可以控制在纳米级别甚至优先于纳米级别。与此同时,由于光源与光源之间的种类存在一定的差异,在干涉法检测应用中会被分为激光干涉法检测以及白光干涉法检测两大类型。其中就激光干涉法检测而言,其检测分辨率比白光干涉法更高,但是无法测量静态信号,只能应用于动态信号测量,即只能进行相对测量。而白光干涉法检测则与之不同,用白光来干涉可以用作来进行干涉光的鉴别以识别干涉光,并且了解它们的数据,属于一种绝对性检测手段,在薄玻璃厚度检测中拥有极其广泛的应用。
 
论文写作模式-薄玻璃厚度的光学测量研究
  2.4光学测量方法的对比
 
  其实在光学测量领域中,所应用到的测量方法还有很多,由于论文篇幅缘故不再赘述,故此先针对如上所述的三种光学测量方法进行总结并列举相应的对比表,具体如表2.1所示:
 
  表2-1常见光学测量方法对比
 
  方法机械法反射法干涉法
 
  适用范围半导体、金属薄膜以及多层膜系材料固体、液体、气体等纳米级别的材质厚度检测
 
  精度0.01nm,具有非常高的检测精度0.1nm 0.003nm
 
  特征优点:可规模化开展检测工作,具有高精度特征;
 
  缺点:操作难度交稿,可能会对检测样品产生损伤优点:可规模化测量,具有无损检测特征;
 
  缺点:稳定性比较差,干扰因素众多优点:高精度、稳定性优异,检测成本较低;
 
  缺点:无法应用于反射率低的材料检测
 
  从表2.1中可以显然看到,干涉法充分满足了薄玻璃厚度检测工作中所要求的非接触性检测、高精度检测以及规模化检测等,且薄玻璃具有一定的光线反射率,可以充分应用干涉法来开展对薄玻璃厚度的光学测量工作。
 
  3使用迈克尔逊干涉仪方法及其原理分析
 
  根据相关资料记载,来自美国的物理学家MOREY和Michelson首先发明出了第一代迈克尔逊干涉仪,为了纪念他们这台仪器被命名为迈克尔干涉仪器。同时在研究以太漂移时所设计出来的一种具有检测高精度性特征的光学测量仪器。由于干涉仪是应用分振幅法来在其中生成双激光光束,让干涉这一现象一起发生。
 
  33.1迈克尔逊干涉具体工作分析
 
  假若想去知晓迈克尔逊是怎么去工作的,如何加以运用。在这之前得首先了解什么是干涉条纹。当两束光线在产生干涉现象时,干涉区域之间的亮度可能不尽相同,从而能够出现干涉条纹。光在空气中传播是独立的以及叠加的,因为它是以郑玄波来传递的。当非单一束同频光波在相遇的时候,由于相位存在差异而导致光波叠加区域可能会存在不同程度下的增强与减弱现象。因此,条纹就可以看作是一条均匀的光程差。如果干涉条纹在其中产生位移变化,那么就是光程差发生了改变,或者是距离发生了改变,其中最让人感觉可能性大的是介质发生了变化。还有一种可能是因为待检测样品的厚度t出现了变化现象。
 
  图3.1迈克尔逊干涉仪结构图
 
  如图3.1M1M2是一对相互相互垂直的反射镜,M1被紧紧的订在原地,而M2却被杆子所控制可以移动,其中的移动距离可以从刻度转盘中进行实时读数。而在轴线相交位置当中,有两块平面玻璃板可以将其视之为G1与G2,这两块平行玻璃板的厚度与折射率完全相同,与M1和M2形成45°夹角,G1中的第二个平面镀上一层具有半透性的银膜,可以将入射光分为振幅几乎相等的反射光与入射光,即(1)与(2)G1的名字是分光板,同时由于光线(1)和(2)在穿过分光板时因为次数不等,从而在其中出现一定的光程差,而G2即负责补偿这些光程差。因此G2也会被称之为补偿板。当光线穿过分光板并沿着M1方向射入时,(1)和(2)均会在M1和M2两个位置双双进行反射然后同一位置反向回到E。因为相干光的概念,所以在他们的交汇点E,就会出现一种十分明显的现象-干涉
 
  并且,经由M1出来的光线最终还是会回到M2并在它的面上反射一次,这是须向就被叠加出来了。由于光线始于M1,故此可以将该虚像称之为M1′。所以从某种角度上来看,将光从迈克逊干涉仪中进行反射,其中的M2和M1所产生的反射光其实与M2和M1′完全相同。所以,在迈克尔逊干涉仪的工作中,其中所产生的干涉现象与M2和M1′之间的空气薄膜干涉现象完全相等。而当M2和M1处于相互垂直且M2和M1′在平行状态下,附近观察者可以看到环形等倾干涉条纹。在绝大多数情况下,M2和M1会产生空气劈尖,从而导致等厚干涉条纹的出现。
 
  设光源的波长为未知量λ,迈克尔干涉仪就会出现圆环干涉,相关光束和光程差他们之间联系十分紧密。因此,从M2和M1所反射出来的两列相干光波之间的光程差可以用(3-1)所示公式进行表示:
 
  (3-1)
 
  在(3-1)公式中,i属于反射光(1)在M2所形成的入射角,而将条纹数量设为k的情况下可以列出公式(3-2),具体如下:
 
  (3-2)
 
  如果将M1′与M2之间的间距设为d,而当d在不断增加的同时,任意级别的干涉条纹必然会遵循公式(3-2),其中的大小将会不断减少。所以,如果将该干涉条纹视之为k级的情况下,干涉条纹间距会跟随ik所增加的方式而移动,也就是说此时会产生向外扩展的现象。在此时,观察者从旁边可以显然看到,干涉条纹仿佛向外方迸发一般所变化,同时当d值大小增加时,条纹会从中向外所迸发;而其中如果d值大小逐渐变小的情况下,接近中心的条纹会不断与中心相互结合,每一条条纹在结合之际,d值会出现变化,其变化幅度同样可以视之为。
 
  所以,如果M2平面反射镜在移动的同时,而其中又有N条条纹不断向中心所结合,代表M2与M1之间的距离可如公式(3-3)所示:
 
  (3-3)
 
  同样,当N条条纹从中心向外迸发之际,也就代表M2与M1之间的距离如同公式(3-3)所示。因此,为了能够求得入射光波波长λ,可以结合(3-3)所示公式,将M2在移动过程中所产生的移动距离得以计算出来,便可以明确λ值大小,故此可以结合公式(3-2)而列出公式(3-4),如下所示:
 
  (3-4)
 
  在(3-4)所示公式应用中,可以结合干涉条纹数量变化来计算光源波长大小。
 
  3.2迈克尔逊干涉仪的结构和使用方法
 
  因为迈克尔逊干涉仪是一款有着超高级精度的器械,并且价格十分昂贵。所以我们在使用迈克尔逊干涉仪之前,必须要针对其工作原理、仪器结构等进行充分掌握,同时掌握其中的主要操作要点之后,才可以应用该仪器进行调节操作与使用。迈克尔逊干涉仪的具体使用方法如下:
 
  233.13.23.2.1水平调节
 
  图3.2迈克尔逊的整体视图
 
  如果想要横向调节就得对如图中的仪器底部六个部位进行调节,并且在你调试的时候需要在仪器顶部加一个水平测量仪。
 
  3.2.2读数系统调节
 
  (1)粗调
 
  在调节读数系统时需要先进行粗调,即将手柄移动到下方“开”所示位置,它的想法是把两个杆分开。再来转动转轮,尺子刻度大概在三十毫米左右。这是因为其中的M2平面反射镜与G1之间的距离一般在32mm左右。
 
  (2)细调
 
  继而对读数系统进行细调,在测量操作中,需要调节3所示的鼓轮微动装置,切不可应用1所示的手轮而进行细调。调节过程中,将手柄从“开”部位转至“合”部位迅速转动,使它的涡轮和杆子相互咬合。
 
  (3)调零
 
  接下来就需要对计数系统进行调零操作,这是因为尽管读数窗口指示产生变化,但是读数指示并不正常,需要进行调零操作。将鼓轮指示线转到“0”刻度,同时可以看到这时候手轮也会跟着发生转动,其读书窗口刻度线轴也产生变化,先不用理会这一现象,因为属于正常现象。此时需要将手轮转动到1/100mm刻度线的整数线位置中,而这时鼓轮并没有跟随手轮转动而转动,鼓轮刻度指示仍旧处于“0”位置当中,这就代表调零操作已经顺利完成。
 
  (4)消除回程差
 
  最后需要消除回程差,其目的是为了使读数值处于准确状态。因此当在规范操作中依次进行粗调、细调以及调零之后,先不用着急进行测量,而是消除回程差之后再进行测量。何谓为回程差呢?指的是当此刻在转动鼓轮时,在上一步调零操作中,鼓轮转动方向明显相反,而这时候在一定时间段中,尽管鼓轮还在转动,但是计数窗口并没有明确的计数知识,这是由于鼓轮转动处于反方向之后,蜗轮与蜗杆之间的齿轮明没有充分啮合在一起。所以消除回程差时,需要将鼓轮以顺时针方向进行转动,使回程差处于最大值,也可以逆时针方向转动鼓轮而使回程差处于最小值,继而继续以顺时针方向转动鼓轮数周之后,再进行计数与测量即可。
 
  3.2.3光源调整
 
  具体的方法为:1打开He-Ne激光器,把阴极的光束半直角发射到迈克尔逊干涉仪中的玻璃板,注意这一步操作最好以目测法来判断角度即可;将该红光光束视之为S,在G1平面玻璃板与红光光束S之间安装凸透镜,其目的是为了扩散G1平面玻璃板,使其中的干涉条纹变得更加均匀、透亮,方便进行观察与测量。
 
  4迈克尔逊干涉仪应用于薄玻璃厚度的光学测量实验研究
 
  44.1光学平台的应用价值分析
 
  44.1在光学测量实验开展中,迈克尔逊干涉仪的应用环境必须要建立在光学平台上。这是由于实验要求必须要在无振环境下开展实验研究与光学测量,尤其是在薄玻璃厚度测量这样的高精度要求试验,实验环境质量与否有极大可能性会导致最终测量结果与实际相差甚远。从现阶段社会当中,由于交通运输系统等干扰因素,实际光学系统测量中很容易深受这些干扰因素所影响,导致系统性能严重衰退。许许多多实验都是会因为这些肉眼不可见到的细微振动对实验过程带来了严重的阻碍现象,因此为了能够有效达到光学测量的规范测量目的,就必须要安装光学平台。其性能要求主要有几点,其一,该光学平台必须要能够为实验提供一个刚性质量优异的基座平台,可以保持光学元件测量的稳定性,同时不会因为固有共振作用所干扰最终测量结果;其二,光学平台不仅要能够有效地对实验附近所产生的任何振动实现抑制作用,更要能够将实验整体与周围环境所产生的实验室振动相互隔绝开,才能够有效避免实验过程中所产生的不良反应。因此,在这样的研究需求下,光学平台与光学面包板的设计不断涌入市场,如图4.1所示即一种精密光学平台。
 
  图4.1精密光学平台
 
  图4.2面包板的横切面和光学平面的连接图
 
  如图4.2所示,其中1为平台上方表面,2为平台下方表面,3为平台侧面,4为侧面板,5为蜂窝芯。该蜂窝芯以金属材料为主,并夹置于侧面板中间,并且把隔离震动的仪器调平、气垫隔振器和刚性非隔振支撑架一起结合,光学平台具有十分优异的试验应用价值。本文研究应用迈克尔逊干涉仪在开展研究实验之际,需要借助光学平台来搭建迈克尔逊干涉仪以方便进行下一步的实验研究。
 
  4.2基于光学平台应用干涉仪测量薄玻璃厚度及折射率
 
  4.24.2.1组装迈克尔逊干涉仪装置
 
  (1)实验仪器
 
  本次实验属于设计性实验,故此需要将迈克尔逊干涉仪的必要仪器装置摆放于光学平台中进行选用与组建。其中主要实验仪器包括直尺、光屏、支架、凹透镜、凸透镜、分束镜、可变光栅、He-Ne激光器、压电晶片、反射镜、半透镜等。(确保每个仪器都有足够数量供给实验测量所需)
 
  (2)组装步骤
 
  首先对光学平台进行检查,观察其外观是否美观,同时各部位是否存在锐角、锐边等,孔口倒角是否一致;让它的频率不能大于2HZ,平面度≤0.06mm/㎡,表面密笛纹理与粗糙度≤0.8μm,实验工作台面振幅≤2μm,待这些参数均保持规定范围之内可继续进行下一步组装步骤;
 
  将光屏、半透镜、反射镜与凸透镜利用支架连接在一起,具体进行调整,一定让镜片中心在同一个直线上,待确认无误后将支架固定好,并根据所设计的光路图来将各个部件搭建并摆放至固定位置,将He-Ne激光器进行固定,同时调整至水平状态,将其与x轴相互平行,明确凸透镜水平坐标。注意要保证He-Ne激光器所射出的激光束可以穿透凸透镜,此时需要固定好凸透镜;
 
  固定好半透镜M1,同时确保激光光束可以穿过M1中心处,再将M2半透镜位置进行调节,同样确保激光光束可以穿过M2中心处,将两个反射镜所在位置进行合理调节,使激光反射满足干涉条纹成立的基本要求;
 
  最后将半透镜M1与M2进行反复调试,将反射镜、光屏等位置进行仔细检查,直至可以观察到清晰地干涉条纹为之,此时需要将这些仪器所在坐标进行记录。
 
  (3)实验数据
 
  将迈克尔逊干涉仪在光学平台上组装完毕之后记录实验基础数据,并制定表4-1,具体如下所示:
 
  表4.1迈克尔逊干涉仪实验基础数据
 
  仪器x轴坐标(cm)y轴坐标(mm)
 
  光屏60 450
 
  凸透镜45 500
 
  反射镜M1 60 730
 
  反射镜M2 80 475
 
  半透镜G1 70 190
 
  半透镜G2 60 480
 
  (4)实验注意事项
 
  在激光器应用中,切记不可以直接触及He-Ne激光器两端高压电极,以防止无伤;同时在射出激光的时候要注意,不要让激光照到自己否则会出现严重的后果;在组装光路装置之前,必须要做好光学平台检测工作,保证平台条件符合实际光学测量分析的需求。对于各类光学镜片在取放操作中要注意以轻拿轻放的原则去操作,切记不可在附近随意走动,也不能对着光学平台讲话,否则很有可能导致平台出现振动干扰而影响最终测量结果;待光路装置调整完毕之后,最好等待一分钟之后,使光学平台充分进入稳定状态之后再开展下一步的实验研究。
 
  4.2.2观察扩展电源等倾干涉条纹并测量波长
 
  首先将钠光灯显然,并将其与G1行等高位置,且处于M1中心线水平位置,同时粗调手轮,将M1镜距与G1之间的中心位置距离,调整至与M2镜距与G1之间的中心位置距离基本保持一致,此时确保拖板标志线处于主尺32cm位置当中;
 
  确保两组针孔像可以处于一个重合的状态。如果实在很难使得这两组针孔像重合在一起,这时可以将M2后面的调节螺钉进行一个缓慢的调节,确保两组针孔像重合在一起之后,改为毛玻璃这时候圆环干涉就出现。如果该干涉圆环看起来比较模糊的情况,需要缓慢粗调手轮,将M2缓缓移动位置,直至清晰的干涉圆环所出现;
 
  确定干涉圆环在清晰显示之后,将M1拉簧螺丝进行缓慢调节,使干涉圆环中心位置处于视野中心位置,同时确保视野与干涉环中心保持一致移动,如果在移动过程中干涉圆环没有出现迸射、重合的现象,代表此时的干涉条纹属于真正的等倾干涉条纹;
 
  此时需要测量钠光D双线的平均波长,将指数调0,正向微微扭动轮盘,同时观察读书窗口刻度轮此时的旋转方向,让轮盘刻度为位置不变,然后右转轮盘,让刻度数和显示数一致,原因是为了让刻度轮与微型轮盘相结合。
 
  4.2.3等厚和白光(干涉条纹)的有效观测
 
  为了能够有效观察等厚干涉条纹以及白光干涉条纹,需要在先前等倾干涉条纹基础条件下将M2进行缓慢移动,其目的是为了使之前清晰的干涉圆环变成稀疏状态,等到她变为一个双曲线的时候,那么他们就已经重合,这个时候只需横向调节螺丝,让M1M2之间的角无限小,我们可以立马看到条纹,直接观测条纹外形、特点等进行记录;
 
  同时取白炽灯并照亮毛玻璃,注意此时钠光灯无需熄灭,将微动手轮进行缓慢调节,确保M2与M1′之间达到零程状态之后,M2与M1′交线位置会产生彩色条纹。这时候需要将钠光灯进行遮挡,并缓慢调节微调手轮并看到中心条纹之后,将所看到的条纹形状与颜色分布状况进行记录。
 
  4.2.4测量钠光D双线波长差
 
  (1)实验步骤
 
  因为纳光由两条不同的谱线589.0nm,和589.6nm,此时需要缓慢移动M2,待其中的光程差与两列光波(1)、(2)之间的光程差相互等于λ1整数倍,同时满足λ2的半整数倍之后,可列出如(4-1)所示公式:
 
  (4-1)
 
  此时λ1光波形成亮环,且与λ2光波形成暗环的位置基本一致。假如(1)与(2)光波强度基本相同,而这时候的干涉条纹视见度基本为零,表示得到的干涉条纹已经全部失踪。光程差公示如下:
 
  (4-2)
 
  可以将该公式进行整合与简化,形成如(4-3)及(4-4)所示公式:
 
  (4-3)
 
  ↓
 
  (4-3)
 
  从以上公式中的λ即代表λ1、λ2之间的平均波长大小。而在视场中心中,如果将M2在连续两次视见度保持为零的时候,其中的移动距离可以用△d进行表示,故光程差变化△L的大小与2倍△d一致,所以可以列出如(4-4)所示公式:
 
  (4-4)
 
  由于可以预先得知钠光波长为589.3nm,所以当两次所测视见度处于最小状态时,M2在移动过程中的距离△d可以借助公式(4-4)来计算其中的钠光D双线波长值大小。
 
  注意在求波长差时,已知λ=589.3nm,故此可列如下公式进行计算:
 
  (4-5)
 
  此时需要结合(3-4)公式来求得λ以及其标准差,可构建如下公式:
 
  (4-6)
 
  4.2.5测量薄玻璃板厚度并记录处理数据
 
  (1)调整等厚干涉花样
 
  等顷干涉的原型条纹需要的是单色光波,让M2G1大于M2G2,转动螺丝,确保M2与M1′之间形成小夹角,此时干涉条纹在显示出来之后,把M2推往分光镜,额把中央的条纹向中心移动。再转动微动谷轮,将M2进行前后移动,从而改变d值大小,再从主尺位置上观察M2位置发生改变时条纹的数量变化。
 
  (2)测量透明薄玻璃板厚度
 
  先将M2朝向分束镜方向进行移动,使条纹变的清晰直观,同时当中央条纹出现在市场中央位置之后,将单色光束替换为白光,再继续根据原先调整方向来缓慢转动鼓轮,使M2朝向前方进行移动,待白光干涉条纹出现之后,将中央条纹进行移动,并对M2此刻所在位置d1进行记录,同时将待检测的薄玻璃样品放在G1与G2之间光路位置,同时确保薄玻璃样品与镜面相互平行,此时需要将M2朝向前方进行移动,待中央条纹重新回到视场位置之后,将此时的M2所在位置d2进行记录,而M2在朝向镜面移动的距离可以代表△d。
 
  (3)记录并处理数据
 
  先对没有加入待检薄玻璃样品时的等厚干涉条纹在出现时,M2所在位置d1进行记录;再对加入待检薄玻璃样品时的等厚干涉条纹在出现时,M2所在位置d2进行记录;继而应用公式来结合公式计算该玻璃样品的折射率n,同时列出测量数据结果。
 
  (4)注意事项
 
  对于迈克尔逊干涉仪中的部件我们要用心保护,不要让镜面模糊,切记不可用手去触摸镜面,避免镜面被沾污而影响光学测量精准度。同时,在改变d过程中,避免触及拖板以引起仪器损坏的现象。在整个测量实验过程中需要注意操作安全,再次强调避免被激光器射伤眼睛。
 
  (5)实验所测数据
 
  最终在测量中所得实验数据如表4.4,具体内容如下所示:
 
  表4-4玻璃板厚度测量结果
 
  测量次数读数结果测量值
 
  1 1.056 1.101
 
  2 1.055 1.100
 
  3 1.054 1.099
 
  4 1.053 1.098
 
  5 1.057 1.102
 
  平均值1.055 1.100
 
  在测量等厚干涉条纹时M2镜所在位置的相应数据d1与d2,具体如表4.5所示:
 
  表4-5 M2镜所在位置测量结果
 
  测量次数无样品时d1(mm)有样品时d2(mm)△d值大小
 
  1 42.79954 42.42099 0.37855
 
  2 42.80056 42.42080 0.37985
 
  3 42.80215 42.42159 0.38056
 
  4 42.80911 42.42168 0.38743
 
  5 42.81130 42.42185 0.38945
 
  千分尺分度值=0.01mm,且仪器误差在0.004mm以内;
 
  迈克尔逊干涉仪分度值=0.0001mm,且仪器误差在0.0001mm以内。
 
  (6)数据处理、整合计算
 
  此时玻璃板厚度计算如下公式所示:
 
  在求得光程差值大小时可以用如下公式进行计算:
 
  在求得折射率时可以借助如下公式进行计算:
 
  继而借助间接法球的不确定度,可如下所示:
 
  所以的相对不确定度在计算时可以如下公式进行计算:
 
  故此,实验测量最终结果表明,该薄玻璃样品折射率n=1.348&viewmn;0.009,同时误差程度Ur=&viewmn;0.67%。
 
  (7)存在问题与对策
 
  1没有扩散的光线为什么不能直接让我们是用肉眼去看?
 
  因为这些激光束具有极强的激光能量与光强度,当射入人体眼睛之后可以直接导致视网膜产生永久性损害,引起失明,其后果自然不堪设想;
 
  2本次光学测量实验为什么要用复杂的逐差法来计算并处理实验数据?
 
  这是由于利用分组隔项逐差法,可以保证所记录的数据能够充分得以应用,提升计算结果估算准确性,确保所估算的测量值以及不确定度均满足合理误差范围中;
 
  3如果M1与M2没有达到相应垂直标准时,此时在屏上观察到的干涉条纹分布现象具有怎样的特点?
 
  M1M2他们的中间会形成一个倒三角的空气薄膜,一束平行的光束照在上面产生的条纹与空气能形成一个稳定光程差,同时形成同一级干涉条纹,从外观上来看,可以呈现一系列等间距的直形条纹现象。
 
  4对实验结果带来影响的相关因素有哪些?
 
  首先是光源因素,由于光源是迈克尔逊干涉仪在操作与测量过程中的唯一光源,而光源质量可能会对其中所产生的干涉现象带来一定的负面影响。一般来说,无论是激光光束或者钠光灯,都会存在一定的振动现象,但是这两类光源的振动现象对实验结果并不会带来很大的影响。而一些光源振动比较大的情况下,干涉仪会产生一定的噪音,导致干涉条纹会出现抖动现象,这就需要用手来扶持光源外壳,使其中的振动幅度得到有效控制以避免影响测量结果。注意,如果需要应用激光灯作为光源,就必须要用扩束镜来提升视场范围;而如果要用钠光灯作为光源,就不要给纳灯套罩子直接往灯管上装纸质的白色桶装物,注意在白纸筒表面事先画好一条黑色十字叉标志,可以显著提高测量质量,更方便实验操作;
 
  最后即仪器方面的因素,由于干涉仪在长期应用下,一些部件可能会产生一定的磨损、脱落现象,同时由于人为因素导致仪器上的螺丝也有可能出现脱落现象。而事先所搭建的光路装置如果没有满足规范标准要求的情况下,也有可能会对实际测量结果带来较大的负面影响。这就要求迈克尔逊干涉仪在日常维护中必须要规范操作,在实验操作中也要严格遵循相关标准,避免因为仪器因素而造成最终测量结果准确性不足等现象。
 
  5研究总结与展望
 
  55.1研究总结
 
  在长达数个月的努力中,本论文终于如愿完成。现将论文总结如下:
 
  在第一章中讲解了背景介绍,同时针对课题国内外研究现状开展综合阐述,列举了本篇论文的主要研究方向
 
  在第二章中将薄玻璃厚度光学测量常用到的测量方法进行简单介绍,如机械法、反射法、干涉法等三大常见测量方法,继而将这三种方法根据适用范围、精度、特征等指标进行直观性对比,提出干涉法应用于薄玻璃光学测量的优势所在;
 
  在第三章中提出了迈克尔逊干涉仪的基本工作原理,并绘制出相应的光路示意图,结合公式、概念与计算来了解干涉仪在测量光源波长大小的基本原理,继而阐述了迈克尔逊干涉仪的检测操作方法,如水平调节、读数系统调节以及光源调整等,为下一章进行铺垫;
 
  在第四章中先提出了光学平台的应用价值,继而开展基于光学平台应用中,利用迈克尔逊干涉仪开展薄玻璃厚度与折射率的光学测量实验,提出了组装迈克尔逊干涉仪的基本操作,与实验基础数据、实验注意事项,区分观测等顷的条纹,研究出测量方法;再列举出了钠光D双线波长差的测量步骤、方法以及实验数据等,列举相应的计算公式;最后针对薄玻璃板待测样品开展测量,先调整等厚干涉花样,并在数据记录、公式应用中计算所测数据、求出最终的厚度与折射率结果。提出了在其中可能会存在的问题以及相应解决对策、实验结果影响相关因素等;
 
  第五章讲的是本片论文的总结,并对本设计提出展望。
 
  5.2研究展望
 
  正所谓实践见真知,在经历四年的专业知识学习中,如果仅仅依赖扎实的理论知识而不能将其应用于实践当中,完全有违背于大学四年的求学初衷。正所谓科学实验是科学理论的源泉与动力,更是现如今自然科学的根基。在本论文中,我应用了所学习到的专业知识,将研究课题的相关理论、概念等进行深入分析,并在实验中计算出相应的数据结果。由于我国在光学测量领域这一块一直落后于西方发达国家,但是我相信,我国优秀学子的不断出现,必然会在未来推动我国光学测量技术水平的先进化发展,对于提升我国综合国力而言具有十分重要的意义。我会在毕业之后继续从事专业工作,以期待能够为我国光学测量技术发展提供微薄之力。


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