Изготовление прецизионных элементов лазеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Обзор литературы

2. Метод фазосдвигающей интерферометрии

2.1 Описание прибора лазерного интерферометра Физо с фазовой разверткой

2.2 Применение метода фазосдвигающей интерферометрии для исследования оптического контакта

2.3 Применение метода фазосдвигающей интерферометрии для исследования свильности материалов

3. Результаты экспериментальных измерений и их анализ

3.1 Результаты измерения формы поверхностей

3.2 Результаты исследования свилей в деталях из ситалла СО-115М

4. Раздел по безопасности жизнедеятельности

4.1 Пожарная безопасность

4.2 Микроклимат в рабочей зоне

4.3 Освещенность в рабочей зоне

5. Экологическая часть

5.1 Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека

5.2 Классы опасности лазерного излучения

6. Экономическая часть

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время среди оптических и электронных приборов огромным спросом пользуются лазерные приборы и устройства. Приборы на основе лазеров условно можно поделить на два типа по требуемым свойствам их излучения. В таких областях применения как медицина, машиностроение, обработка материалов и химическая, энергетическая и военная промышленности важными характеристиками излучения являются высокая яркость и мощность. При создании лазерной информационной, метрологической аппаратуры, приборов связи, контроля и анализа сред важными свойствами являются монохроматичность, когерентность и малая мощность излучения.

При разработке и производстве залогом точности и износостойкости функционирования лазерного оборудования является изготовление прецизионных элементов лазеров. Конструкционным материалом при создании лазерного гироскопа (ЛГ) является стеклокерамика с низкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР), изготовляемая из стеклокристаллических материалов, полученных путем объемной кристаллизации. При изготовлении оптических деталей для ЛГ повышаются требования к использованным композитам и общему состоянию поверхности, что требует более точного измерения физико-химических свойств материала и оптического производственного контроля детали.

При контроле оптических деталей ЛГ неприменимы многие методы, используемые в макроскопических масштабах, так как отклонение рабочей поверхности детали на уровне нескольких микрометров может привести к полной негодности детали. Поэтому важным вопросом является создание прецизионных и неразрушающих методов контроля качества оптических деталей. Так же остается открытым вопрос об однородности материала внутри заданного объема детали в виду неточности существующих методов измерения и классификаций качества однородности деталей. В настоящее время при данном уровне развития лазерного оборудования и приборов на основе лазеров возможно получение информации о состоянии прецизионных оптических деталей в трехмерном виде с достаточно высокой точностью.

Полированные поверхности оптических деталей наиболее рационально измерять бесконтактными оптическими способами, среди которых различают методы, основанные на законах геометрической оптики (теневые, автоколлимационные) и методы, использующие волновые свойства света (интерференционные).

Получение информации о качестве оптической детали возможно без непосредственного физического контакта со значительного расстояния. Основные принципы интерферометрии были выведены около века назад. Так, например, существует класс приборов называемые интерферометрами, использующие картины интерференции при наложении лучей для получения информации о пришедшем свете. Возможность компьютерной обработки полученной информации повышает точность интерпретации данных в отличие от визуального метода контроля. Интерферометры имеют разнообразные конструкции, методы и области применения.

1. Обзор литературы

Интерферометрия

Интерферометрия - метод визуализации процессов и явлений, а также измерения физических величин, основанный на явлении интерференции волн. Интерферометрия позволяет измерять с высокой точностью очень маленькие и очень большие расстояния и толщины, показатель преломления в объекте, а также другие связанные с ним физические и химические величины.

Интерференционные методы основаны на измерении разности фаз или разности длин оптических путей двух волн. Из-за разности фаз деформированного волнового фронта по отношению к сравнительному волновому фронту в результате интерференции происходит изменение интенсивности излучения и, таким образом, структура волнового фронта становится видимой.

Интерференция является наиболее ярким проявлением волновой природы света. Она заключается в пространственном перераспределении объемной плотности энергии в области наложения двух или нескольких волн.

Интерференция

Интерференция - явление образования чередующихся полос усиления и ослабления интенсивности света, наблюдаемое при наложении друг на друга двух или более световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. Частным случаем явлением интерференции является стоячая волна, образованная при наложении отраженной волны на падающую волну, в ней наблюдаются пучности и узлы, максимума и минимумы интенсивности соответственно.

Существенный прогресс в истолковании явления интерференции произошел благодаря выдающимся физикам XIX века, юркие представители - Френель, Юнг.

Основным условием, при котором волны могут интерферировать - это одинаковая частота и их согласованность по фазе. Результат интерференции определяется разностью фаз интерферирующих волн в месте наблюдения, а эта последняя зависит от начальной разности фаз волн, а также от разности расстояний, отделяющих точку наблюдения от источников каждой из волн.

Для появления минимума интенсивности волн в какой-то точке пространства необходимо, чтобы в этой точке складываемые волны постоянно (длительное время волны находились бы точно в противофазе, когда разность их фаз оставалась бы постоянной и была равна р) гасили друг друга.

Рассмотрим однородную и изотропную среду в которой два точечных источника возбуждают сферические синусоидальные волны s1 и S2 , при их наложении в некоторой точке М.

s1 = A sin (щt-kx1+ц1)

s2 = A sin (щt-kx2+ц2)

здесь х1 и х2 - расстояния от источников волн до точки пространства, в которой мы наблюдаем результат наложения. Квадрат амплитуды результирующей волны (пропорциональный интенсивности волны) выражается:

I ~ A2 = a12+ a22+2a1 a2cos (2рm) = (a1 - a2)2 + 4a1 a2cos2рm.

Максимум этого выражения есть 4A2, минимум - 0; всё зависит от разности начальных фаз и от так называемой разности хода волн:

Д = x1-x2

Из этого выражения следует, что интерференционный максимум (светлая полоса) достигается в тех точках пространства, в которых Д = mл (m = 0, ±1, ±2, ...). При этом Imax = (a1 + a2)2 > I1 + I2. Интерференционный минимум (темная полоса) достигается при Д = mл + л / 2. Минимальное значение интенсивности Imin = (a1 - a2)2 < I1 + I2.

Когерентность

Итак, необходимым условием интерференции волн является их когерентность, т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны - неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Так как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны. Спектр частот реальной волны имеет конечную ширину. Если в какой-то момент времени волны были в фазе, через некоторое время разность фаз будет уже равна р (волны в противофазе). Такую волну можно приближенно считать монохроматической только в течение времени

Дt<<фког=р/Дщ - время когерентности немонохроматической волны.

За промежуток времени фког разность фаз колебаний изменится на р.

Время когерентности - время, по истечении которого разность фаз волны в некоторой, но одной и той же точке пространства изменяется на р.

Волна с циклической частотой щ и фазовой скоростью распространяется за это время на расстояние

lког = хфког = рх/Дщ

где lког - длина когерентности (длина гармонического цуга, образующегося в процессе излучения одного атома) - расстояние между точками, разность фаз в которых р.

Таким образом, длина когерентности есть расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Отсюда следует, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, которые меньше длины когерентности для используемого источника света.

Чем ближе волна к монохроматической, тем меньше ширина Дщ и тем больше длина когерентности, следовательно, и время когерентности.

Когерентность колебаний, определяемая степенью монохроматичности волн, которая совершаются в одной и той же точке пространства, называется временной когерентностью.

Интерференционная картина не будет наблюдаться, если максимум m-порядка для л+Дл будет совпадать с минимумом (m+1)-порядка для л.

Принципы измерений с помощью интерференционных приборов

До изобретения интерферометра волны можно было наблюдать только в какой-либо среде, например жидкости. Впервые попытку поиска среды, в которой распространяется свет, произвел в 1881 г. Майкельсон с помощью изобретенного им интерферометра. Данный опыт привел к исследованиям, проведённым и описанным в конце 19 века Майкельсоном и Морли с более совершенной аппаратурой. Так как «эфир» должен был двигаться со скоростью света, они создали прибор, который должен был зафиксировать это движение. Эксперимент не показал наличие какого-либо движения, но его нулевой результат дал фундамент для развития новых областей науки. Факт того, что невозможно зафиксировать абсолютное движение дал Эйнштейну идею специальной теории относительности, а установка Майкельсона-Морли получила название интерферометра.

В 1890 году Майкельсон после предложения Физо разработал идею астрономических измерений с помощью интерферометра и открыл тонкую структуру спектральных линий. В 1920 году такой интерферометр был построен в обсерватории Маунт-Вильсон, и были проведены измерения диаметров звёзд, подтверждающие идею Физо о том, что свет может быть применён в качестве эталона длины и что интерферометр может быть инструментом метрологических измерений.

С середины XX века развитие интерферометрии набирало обороты, давая возможность использования в различных физических экспериментах. Интерферометры нашли своё применение в таких областях науки и техники, как волоконная оптика, океанография, сейсмология, квантовая механика, ядерная физика, физика элементарных частиц, физика плазмы, дистанционное зондирование. Также было создано немалое количество новых схем интерферометров. [26]

Интерферометр -- измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В точке схождения пучков наблюдаются интерференционные максимумы или минимумы. Форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, их оптической разности хода, спектрального состава света.

Интерферометры применяются как при точных измерениях длин, в частности в станкостроении и машиностроении, так и для оценки качества оптических поверхностей и проверки оптических систем в целом.

Если поверхность мало отличается от сферы, то ее отклонение от сферы можно измерить путем наложения пробного стекла с ближайшей сферической поверхностью и по распределению интерференционных колец определить действительную форму поверхности и сравнить ее с теоретической. Осуществление этого метода возможно лишь в тех случаях, когда ширина интерференционных колец доступна для измерения их диаметра. Расстояние между интерференционными кольцами зависит не от абсолютной величина отступления асферической поверхности от ближайшей сферы, а от угла воздушного клина, образованного асферической поверхностью и сферой. [28]

Интерферометр Физо является одним из двухлучевых интерферометров, который широко используется в метрологической области в основном для оценки поверхностей оптических деталей и оптических систем. Интерферометр Физо является интерферометром с общим ходом пучков.

Эталон обычно закрепляют совместно с линзой коллиматора и предварительно юстируют так, чтобы изображение точечной диафрагмы, отраженное от поверхности эталона, совпадало с самим предметом. Для устранения света, отраженного от нижней поверхности пробного стекла, ее покрывают просветляющим слоем или эталон изготавливают в форме клина с углом 10-20'. Для наблюдения полос светоделитель помещают вблизи точечной диафрагмы, а контролируемую деталь - под пробным стеклом и регулируют воздушный зазор до получения минимально возможного значения. После этого подвижками контролируемой поверхности уменьшают клиновидность промежутка между деталями, наблюдая за двумя изображениями точечной диафрагмы в плоскости Р и заканчивая процесс юстировки при их совмещении. Помещая глаз в плоскость Р и фокусируя его на промежуток между деталями, наблюдатель видит интерференционные полосы, возникающие из-за изменения толщины воздушного зазора.

При контроле плоских поверхностей на интерферометре Физо воздушный зазор, как правило, очень мал, общая разность оптического хода не превышает нескольких миллиметров и в качестве источника света может быть использована любая ртутная лампа низкого давления с зеленым фильтром. Правда, в этом случае имеется ограничение на толщину контролируемых по клиновидности стеклянных пластин. Например, в этом случае имеется ограничение на толщину контролируемых по клиновидности стеклянных пластин. Например, пластина толщиной 25 мм эквивалентна 75- мм воздушному зазору между интерферирующими волновыми фронтами, а для ламп указанного типа это значение является, очевидно, предельным. При контроле более толстых пластин контрастность интерференционных полос сильно падает, поскольку лампа не дает резких спектральных линий. Схожая ситуация имеет место при контроле толстых менисков или сферических пробных стекол одним эталоном, так как воздушный зазор в некоторых случаях может быть бульшим. Указанное ограничение может быть устранено, если применить высокохроматический источник, например лазер. Наиболее подходящим является гелий-неоновый лазер, работающий в одномодовом режиме ТЕМ00 на длине волны 632,8 нм. Используя его, можно получить высококонтрастные полосы Физо при разности хода до 2м и более.

На рис.2.2 представлен интерферометр Физо, в котором в качестве источника света используют гелий-неоновый лазер. Выходящие из лазера лучи проецируются микрообъективом на точечную диафрагму и хорошо скорригированной линзой преобразуются в параллельный пучок. Между объективом коллиматора и точечной диафрагмой помещают светоделитель, для того чтобы полосы можно было наблюдать со стороны.

Рис.2.2 Интерферометр Физо на основе гелий-неонового лазера

Желательно иметь матовый экран для проецирования на него интерференционной картины, так как смотреть непосредственно в прибор при использовании лазерного источника опасно. На данном этапе развития существует цифровая обработка полученного сигнала и возможность построить трехмерную модель, помимо построения двухмерной картины. Плоскости эталона, закрепленного неподвижно, и контролируемой детали установлены так, чтобы создать в схеме автоколлимационный ход лучей. Для обеспечения предварительной юстировки прибора используют экран, на который проецируют два изображения точечного источника от двух отражающих плоских поверхностей. Отрицательную линзу при этом удаляют из хода лучей и регулированием положения контролируемой пластины добиваются совмещения в центре экрана обоих изображений. После этого, возвратив линзу в исходное положение, наблюдают возникающие на экране полосы Физо, число и направление которых можно дополнительно отрегулировать. С помощью второго светоделителя часть пучка можно направить на фотокамеру и получить интерферограмму. Установка должна быть смонтирована на изолированном от вибрации основании. [27]

Принципиальная схема интерферометра Майкельсона изображена на рис.2.3. Пучок света от источника света S0 падает на полупрозрачную посеребренную светоразделительную пластинку P1, где он расщепляется на два луча 1 и 2. Луч 1, продолжая и после прохождения через пластинку P1 распространяться в прежнем направлении, падает на зеркало З1. После отражения от этого зеркала и вторичного отражения от светоразделительной пластинки P1 он распространяется по направлению наблюдения T. Луч 2 после выхода из светоразделительной пластинки достигает зеркала З2, отражается от него назад и через светоразделительную пластинку P1 идет также по направлению наблюдения T.

Легко видеть, что световые волны в лучах 1 и 2, распространяющиеся по направлению наблюдения T, будут иметь между собой разность фаз, при условии, что оптические длины плеч интерферометра не равны друг другу. Плечами интерферометра принято называть расстояния от светоразделительной пластинки до зеркал прибора.

Широкое пространственное разделение плеч интерферометра Майкельсона делает его особенно удобным для создания разности фаз между лучами, разность фаз достигается за счет введения в плечи прибора сред с различными показателями преломления.

Наличие двух когерентных лучей 1 и 2 определяет возможность получения интерференционной картины в приборе Майкельсона. Эту картину можно сфотографировать (или наблюдать глазом), если поместить объектив аппарата (глаз) на пути лучей, распространяющихся по направлению Т.

Светоразделительная пластинка P1, имеющая конечную толщину, сама вносит некоторую разность хода для световых волн в лучах 1 и 2, Луч 1, прежде чем пойти по направлению наблюдения, пересекает светоразделительнуо пластинку один раз, а луч 2 - три раза. Для компенсации этой разности хода на пути луча 1 вставлена компенсационная пластинка P2, через которую этот луч пройдет два раза.

Существенной особенностью конструкции рассматриваемого интерферометра является возможность поступательно перемещать зеркало З2, тем самым изменяя длину плеча, соответствующего этому зеркалу.

Перемещения зеркала З2 изменяют разность хода интерферирующих лучей. С измерениями перемещений зеркала связаны все возможности применения интерферометра как оптического измерительного прибора. Этот интерферометр дает возможность производить прямые измерения длин световых волн по сдвигу подвижного зеркала. Поэтому механизм перемещения этого зеркала представляет собой главную механическую деталь всей конструкции прибора. Этот механизм должен обеспечивать такое перемещение зеркала, при котором отражающая поверхность зеркала остается все время параллельной самой себе.

Другое зеркало З1 не может совершать поступательных перемещений, но зато имеются возможности изменять его наклон по отношению к зеркалу З2. В частности, зеркало З1 может быть ориентировано и строго перпендикулярно зеркалу З2. Зеркало З1 мы будем условно называть неподвижным зеркалом.

В самом деле, перемещения зеркала З2 (если зеркало З2 строго перпендикулярно зеркалу З1) изменяют разность хода лучей 1 и 2, не изменяя их направлений. Это значит, что между зеркалами З1 и З2 фактически реализуется плоскопараллельный воздушный слой, толщина которого задается разностью длин плеч интерферометра. Этот слой удобно себе представить, построив изображение зеркала З1 в светоразделительной пластинке P. С помощью такого слоя можно получать локализованные в бесконечности интерференционные картины так называемых полос равного наклона. Очевидно, что в этом случае на зеркала должен падать расходящийся пучок лучей, обеспечивающий широкий набор различных пространственных направлений интерферирующих лучей. Наблюдения интерференционной картины осуществляются в этом случае с помощью зрительной трубы, наведенной на бесконечность.

Локальные искажения прямолинейной формы интерференционных полос от клина, очевидно, бывают связаны с дефектами поверхностей зеркал. Параллельные прямолинейные полосы могут быть получены только при достаточно плоских отражающих поверхностях зеркал.

Интерференцию при большой разности хода можно наблюдать только с помощью источника монохроматического света, или, по крайней мере, с помощью источника света, имеющего линейчатый спектр с редкими и тонкими спектральными линиями. Источник белого света допускает лишь наблюдение нескольких интерференционных полос низкого порядка. Источник белого света, используемый со светофильтром, допускает наблюдение несколько большего числа интерференционных полос.

Получив четкую картину прямолинейных полос равной толщины, надо изменением наклона зеркала З1 предельно расширять эти полосы, что будет соответствовать уменьшению угла клина и приближению зеркал к перпендикулярности. Только в том случае, когда все поле зрения заполнится одноцветной широкой интерференционной полосой, имеет смысл переходить к поискам полос равного наклона. Для этого надо заменить осветительную входную щель прибора матовым стеклом.

Видимые кольца могут быть расположены часто или редко, в зависимости от того, насколько толст воздушный плоскопараллельный слой, образованный зеркалами.

Очевидно, что для изменения диаметров колец надо поступательно перемещать зеркало З2. При уменьшении толщины воздушного слоя диаметр каждого кольца будет уменьшаться. При увеличении толщины этого слоя - кольца будут расширяться. Изменение диаметров колец, без их деформации, возможно только при строго поступательных перемещениях подвижного зеркала. В противном случае кольца будут деформироваться в систему параллельных полос. Тогда после каждого существенного перемещения зеркала З2 надо корректировать форму интерференционных колец легким изменением наклона зеркала.

Традиционные методы анализа качества оптических деталей состоят на основе, например, интерферометра Тваймана-Грина, который получает результаты методом наложения интерференционной картины от исследуемого образца на картину эталона и простого визуального анализа. Где при получении результатов существуют несколько неудобств. Точность техники ограничивается нахождением местоположения центров края и при изменении интенсивности или изменении чувствительности в фотодатчике могут возникнуть ошибки при интерпретации интерференционной картины поверхности. Полученные результаты дают некоторые неточности ввиду того что интерферограммы получаются путем получения картины только в одной плоскости, исключая возможные отклонения по вертикальной оси, давая возможность получения несколько не точной картины ввиду малых габаритов детали.

Интерферометр на базе фазосдвигающего метода имеет свои преимущества. Сканирование происходит в каждой точке исследуемой детали, не усредняя полученные данные, и построение интерферограмм происходит относительно разности полученной путем сравнения точек. И если получены данные о выходящих из общего случая грубых скачках, то путем анализа можно исключить как артефакт или же дополнением данных увидеть сильное искажение детали.

Работа интерферометра Физо на базе метода сдвига фаз для измерения расстояний, заключается в том, что синусоидально модулированный оптической мощностью лазерный луч направляется на цель. Отслеживается отраженный свет (рассеянный или зеркально отраженный), и фаза модуляции мощности по сравнению с переданным светом. Расстояние определяется по полученной разности фаз. Более высокие частоты модуляции позволяют получить более высокую точность. Изменение фазы путем сдвига можно осуществить путем установки опорной пластины на пьезоэлектрическом актюаторе. Кроме того, они подходят для целей с рассеянным отражением от шероховатой поверхности. Что касается интерферометра, метод фазового сдвига предполагает неопределенность в отношении расстояния, потому что с увеличением расстояния фаза будет периодически меняться. Однако, периодичность гораздо больше, чем в интерферометре, так как частота модуляции значительно ниже, чем оптическая частота. Неопределенность может быть легко удалена, например, путем измерения с двумя различными частотами модуляции.

При макроскопических измерениях возникают некоторые неточности, но при исследовании оптических деталей в данной работе с малыми размерами самих оптических деталей и расстояний при их измерении полученные результаты дают достаточное представление и точность (хотя требуется точность порядка нескольких микрометров).

Рассматриваемая далее используемая в настоящей работе установка предназначена для измерения профиля полированных поверхностей и оценки качества однородности внутреннего объема оптических деталей. Полная автоматизация процесса измерений и компьютерная обработка их результатов позволяет использовать установку, как при решении исследовательских задач, так и в условиях производства для контроля качества оптических деталей.

В настоящее время интерферометры на основе фазосдвигающего метода работают на He-Ne лазерах в качестве источника. Работа интерферометра на базе фазосдвигающей интерферометрии приведена ниже на двух примерах (в зависимости от исследуемого параметра), а именно на примере измерения параметра профиля полированной поверхности оптической детали и контроль бессвильности в прецизионных деталях, выполненных из прозрачной стеклокерамики.

2. Метод фазосдвигающей интерферометрии

2.1 Описание прибора лазерного интерферометра Физо с фазовой разверткой

В работе использовалась установка на основе фазосдвигающего лазерного интерферометра Физо фирмы Zygo. Ее ключевые элементы представлены на схеме, приведенной на Рис.3.1. Прибор отображает, измеряет и обеспечивает структурный поверхностный анализ, не контактируя с исследуемой поверхностью.

He-Ne лазер является источником когерентного излучения для проведения интерферометрических измерений. Используется непрерывный одномодовый ТЕМоо лазер с круговой поляризацией излучения, мощностью до 1 мВт. Включение и выключение лазера производится клавишным выключателем на гранитной плите интерферометра.

Луч He-Ne лазера с помощью коллиматора на базе линз и полупрозрачного зеркала преобразуется в параллельный пучок света, проходящий через опорную пластину и возвратное зеркало, их плоские грани обращенны друг к другу, установлены параллельно и обеспечивают условия интерференции отраженных от них волн. Изображение интерференционной картины с помощью линзы коллиматора (4) и объектива формируется на экране, который представляет собой шлифованную поверхность оптического стекла и позволяет регистрацию проецируемого изображения с обратной стороны посредством цифровой видеокамеры, сопряженной с компьютером. Пластина экрана выполнена в форме плоского диска и установлена на валу двигателя, приводящего ее во вращение, для усреднения во времени получаемой картины и повышения качества интерферограмм.

Для опорной пластины и возвратного зеркала характерна небольшая клиновидность, обеспечивающая выведение из интерференционных процессов нежелательного влияния нерабочих поверхностей. В пространстве между опорными пластинами располагается исследуемый образец с целью выявления вносимых им искажений плоского волнового фронта. Образец крепится на держателе, позволяющем производить регулировку наклона образца в двух взимноперпендикулярных направлениях. Образец представляет собой пластину с полированными плоскопараллельными гранями.

Опорная пластина интерферометра Физо установлена на пьезоэлектрическом актюаторе, с его помощью можно производить управляемые микроперемещения опорной пластины для выполнения фазовой развертки, в ходе которой специальная компьютерная программа выполняет анализ цифровых изображений интерферограмм, непрерывно регистрируемых видеокамерой. Построение реального профиля поверхности исследуемого образца производится на основе измерения в каждой точке контролируемой детали разности фаз отраженного излучения с использованием метода фазовой развертки, получаемой управляемым пьезоэлектрическим смещением базовой плоскости интерферометра.

Рис.3.1. Принципиальная схема лазерного интерферометра Физо.

1- He-Ne лазер; 2,4- линзы коллиматора, 3- светоделительная пластина (полупрозрачное зеркало); 5- опорная пластина; 6- исследуемый образец; 7- возвратное зеркало; 8- пьезодвигатель; 9- держатель образца; 10- объектив; 11- экран; 12- двигатель; 13- цифровая видеокамера; 14- компьютер с монитором

2.2 Применение метода фазосдвигающей интерферометрии для исследования оптического контакта

В состав лазерного гироскопа входят следующие оптические детали, выполненные из стеклокерамики и подвергаемые процедуре посадки на оптический контакт (ОК): корпуса, подложки/зеркала, диски, ножки.

ОК применяется для устранения отражения и рассеяния света от поверхности раздела сред, а также для получения высокопрочных соединений в оптической технологии.

ОК приводит к высокопрочному сцеплению тел, обусловленному силами взаимодействия между молекулами, адсорбированными из воздуха на контактирующих поверхностях (в случае ОК в воздухе). В прочности ОК существенную роль играет вода, проникающая под действием капиллярных сил в микрошероховатости контактного слоя. С возрастанием её количества прочность ОК на разрыв увеличивается, а сдвиговая -- падает. Показатель преломления ОК зависит от показателей преломления приведённых в контакт тел и количества воды в слое. При слабом неравномерном нагревании ОК легко нарушается. Со временем прочность ОК увеличивается, упрочнение происходит за счет перераспределения слоя воды по поверхностям контактируемых деталей, за счет утончения этого связующего слоя, а также за счет микроперемещений элементов поверхности и изменения свойств поверхностного слоя, которые приводят к уменьшению внутренних напряжений в контакте.

Геометрическая толщина ОК зависит от качества обработки соединяемых поверхностей и не является постоянной величиной в пределах всей контактирующей поверхности. Эффективная геометрическая толщина определяется как сумма средних значений высот микронеровностей обеих контактирующих поверхностей. В качестве приближения за эффективную толщину может быть принято среднее значение толщин слоев молекул воды и углеводородов, адсорбированных в ОК. Толщины слоев воды и углеводородов в ОК в нормальных условиях зависят от технологии и факторов изготовления поверхностей, высот микронеровностей контактирующей.

Прочностные свойства ОК определяются силами сцепления, действующими между контактирующими поверхностями. Различают нормальную составляющую определяющую прочность ОК на разрыв, и тангенциальную составляющую определяющую прочность на сдвиг. ОК достаточно стабилен по механическим свойствам, но с течением времени параметры и имеют тенденцию к небольшому увеличению, предельная величина которого зависит от материала контактирующей пары и качества полировки. После вакуумирования ОК и последующего пребывания его в атмосфере с высокой относительной влажностью увеличивается прочность на разрыв и резко (~ в 3 раза) снижается сдвиговая прочность, что связано с появлением тонкой прослойки воды, образовавшейся между контактирующими поверхностями в результате капиллярного всасывания. Удаляя молекулы углеводородов с поверхности твёрдых тел и пузырьки воздуха из контактного слоя, можно дополнительно увеличить прочность ОК (~ в 2 раза).

В условиях вакуума, когда с поверхности соединяемых твёрдых тел удалены адсорбированные молекулы, прочность ОК определяется ван-дер-ваальсовыми силами, обусловленными перекрыванием флуктуационного электромагнитного поля в отдельных зонах ОК. Для этого случая сила связи взаимодействующих тел определяется через диэлектрические проницаемости веществ, образующих ОК, и веществ, находящихся в зазоре; причём сила сцепления уменьшается пропорционально кубу расстояния между контактирующими поверхностями.

Оптические свойства ОК (отражение, преломление) определяются оптические свойствами контактирующих тел, количеством воды в слое и могут значительно меняться в пределах контакта.

На прочность ОК соединяемых деталей оказывает влияние множество факторов: чистота, шероховатость, неплоскостность соединяемых оптических деталей, различие ТКЛР контактируемых материалов.

Поверхности оптических деталей представляют собой части сферы у линз и сферических зеркал или части плоскости у пластинок, клиньев, призм и плоских зеркал. Такие поверхности могут иметь погрешности как по общей кривизне или плоскости, так и по местным пикам. Допуски на эти погрешности задаются количеством интерференционных колец или полос, или их долей.

На правильность измерения влияют вибрации, воздействующие на точность измерения, а так же температура в помещении.

Рис. 3.2. Контакт выпуклых поверхностей

Взаимодействие выпуклых поверхностей. При большом суммарном отступлении от плоскости в обеих контактирующих поверхностях при малом диаметре ОК силы упругости увеличиваются. Следовательно, для их уменьшения необходимо либо уменьшить высоту шаровых сегментов поверхностей, либо увеличить диаметр контактирующих тел.

Рис. 3.3. Контакт вогнутых поверхностей

Взаимодействие вогнутых поверхностей. Поскольку контактная площадь контактирующих фасок мала, то действие сил упругости аналогично контакту выгнутых поверхностей, будет незначительным. Следовательно, разрушающее напряжение при взаимодействии вогнутых поверхностей должно иметь большую величину, чем при контакте выпуклых.

Видно, что при контакте выпуклых поверхностей силы упругости составляют значительную величину от прочности оптического контакта.

Была установлена практически линейная зависимость прочности ОК от величины неплоскостности соединяемых поверхностей, кроме того, прочность соединения оптических деталей пропорционально увеличивается со временем вследствие уменьшения напряжений, которые возникают из-за отклонений от плоскостности сопрягаемых поверхностей.

При взаимодействии вогнутых поверхностей контактная площадь контактирующих фасок мала, следовательно, действие сил упругости, аналогичное контакту выгнутых поверхностей, будет незначительным. Поэтому разрушающее напряжение при взаимодействии вогнутых поверхностей должно иметь большую величину, чем при контакте выпуклых. Это утверждение было подтверждено экспериментально.

Также была установлена практически линейная зависимость прочности ОК от величины неплоскостности соединяемых поверхностей, кроме того, прочность соединения оптических деталей пропорционально увеличивается со временем вследствие уменьшения напряжений, которые возникают из-за отклонений от плоскостности сопрягаемых поверхностей.

Помимо этого, указываются максимально допустимые значения величины неплоскостности оптических элементов для различных диаметров сопрягаемых деталей. Величины возможных отклонений от плоскостности значительно превышают принятые в оптическом приборостроении. [25]

Способы измерения формы оптических деталей

Визуальный контроль плоскостности оптических деталей

Контроль формы полированных поверхностей на основе визуального анализа интерферометрических картин применялся в оптическом производстве еще на начальных этапах развития и по-прежнему имеет широкое распространение. Модернизации процесса контроля формы полированных поверхностей развиваются в незначительной степени. Так, например, внедряются системы наблюдения на основе цифровых видеокамер. Они облегчают работу оператора, позволяют оперативно создавать базу данных контролируемых изделий. Тем не менее, алгоритм получения числовых характеристик зачастую остается за рамками автоматизации. В соответствии со стандартизованной методикой, общую неплоскостность исследуемой поверхности визуально определяют по изгибу интерференционной полосы в долях полосы N (рис.3.4а). Местные ошибки ДN поверхности, которые являются нарушением равномерности ее профиля, определяют по изгибу интерференционных полос (рис.3.4б).

Рис.3.4. Определение общей (а) и местной (б) ошибок при визуальном контроле плоскостности полированных элементов

При контроле комплектующих датчиков лазерных гироскопов к оптическим деталям предъявляются высокие требования, ограничивающие значения N и ДN величинами в диапазоне 0,3... 0,5. Масштаб измеряемых величин приводит к трудностям применения методики. В ряде случаев возможности однозначного разграничения общей и местной ошибок оказываются ограничены. Невозможно определение тех же количественных оценок отдельных, выделенных областей исследуемой детали, хотя практическое значение имеет характеристика именно конкретных зон, предназначенных для соединений посредством оптического контакта.

Поэтому в общей системе контроля оптических деталей для датчиков лазерных гироскопов метод анализа поверхностей по простой интерпретации интерферограмм может рассматриваться в качестве лишь одного из составляющих в системе мер, обеспечивающих качество оптического производства при выпуске приборов. [24]

Методика исследований профиля полированных поверхностей посредством компьютерного анализа цифровых изображений

В настоящей работе [24] исследования оптических элементов производились на интерференционном профилометре производства ОАО «НИИ «Полюс». Принцип построения профилометра соответствует аналогам широкого класса приборов на базе фазосдвигающей интерферометрии. Его основой является интерферометр Физо с фазовой разверткой, которая производится при микроперемещениях опорной пластины, установленной на пьезоэлектрическом двигателе. Компьютерная программа выполняет анализ цифровых изображений интерферограмм, непрерывно регистрируемых CCD видеокамерой, и производит построение на экране компьютера профиля поверхности исследуемого образца.

При линейном смещении базовой плоскости со скоростью V в каждой точке образца (x, y) регистрируемая интенсивность I(x, y, t) является синусоидальной от времени t функцией с определенной амплитудой A(x, y) > 0 и фазой, пропорциональной величине локальной высоты профиля исследуемого образца h(x, y). То есть I(x, y, t)=C(x, y)+A(x, y)cos(2р(Vt+h(x, y))/л), (1)

где C(x, y) - набор констант, л - длина волны лазерного интерферометра.

В реальных условиях наблюдаемые функции имеют заметные отклонения от синусоидального характера, что связано с наличием шумов различного характера. Выделить основную гармоническую форму сигнала в каждой точке из записанных данных позволяет применение известных математических методов. Эффективным оказывается метод, основанный на преобразовании Фурье, а также метод среднеквадратичной аппроксимации данных синусоидальными кривыми.

На рис.3.5 представлена типичная картина одной из поверхностей (для установки диска с интерференционным зеркалом) корпуса датчика лазерного гироскопа из стеклокерамики в 3D формате.

Рис. 3.5. Интерфейс программы с 3D изображением профиля поверхности грани корпуса датчика лазерного гироскопа.

Полная числовая характеристика исследуемой поверхности дает возможность вывода целого ряда критериев, формализующих вопросы контроля оптических деталей: амплитудного значения PV (пик-впадина), среднеквадратичного отклонения, радиуса кривизны поверхности и других. Интерфейс компьютерной программы предоставляет возможность выделения отдельных областей образца с целью выявления локальных параметров плоскости, что необходимо при контроле элементов, предназначенных для соединения посредством оптического контакта. [24]

Метод фазосдвигающей интерферометрии при исследовании профиля прецизионных поверхностей оптических деталей

Рассмотрим работу установки при оценке качества состояния поверхности детали.

Рис.3.6. Принципиальная схема контроля параметра неплоскостности посредством лазерного интерферометра Физо. P1-опорная пластина, P2-исследуемый образец.

Рассмотрим отдельно взятые точки А и B в общей интерференционной картине, фиксируемой цифровой видеокамерой. Преобразованный в параллельный пучок света луч He-Ne лазера, проходит через опорную пластину Р1, разделяясь на два синусоидально модулированных луча одинаковых по фазе луча. Луч Еa1 отразившись от возвратного зеркала, возвращается обратно, в то время как луч Еa2 доходит до поверхности образца и, отразившись от исследуемой поверхности, проходя некий оптический путь LA, суммируется с лучом Еa1 в точке А.

Разность фаз, возникающая в точке А вследствие разности хода отраженных волн Ea1 и Ea2, равна

(При расчете помимо геометрической разности хода интерферирующих волн, необходимо учитывать скачок фазы на , испытываемый волной при отражении от поверхности с большим показателем преломления, чем у окружающего воздуха).

Аналогично в точке В для отраженных волн Eb1 и Eb2:

Процедура измерений посредством фазосдвигающей интерферометрии предполагает перемещение базовой плоскости P1 с постоянной скоростью. В данном устройстве возможность управляемых микроперемещений опорной пластины (для выполнения фазовой развертки) осуществляются путем установки опорной пластины на пьезоэлектрическом двигателе.

При этом в точках А и B регистрируются сигналы, представляющие собой синусоидальные функции с относительным сдвигом фаз.

Для достаточно близко расположенных (соседних) точек А и B из запаздывания фазы регистрируемых сигналов однозначно можно определить разность оптических путей . Профиль поверхности исследуемой детали может быть восстановлен при последовательном сравнении фазовых характеристик (при переходе от точки к точке) всей интерференционной картины.

Эта операция выполняется с помощью специальной компьютерной программы, и результат анализа отражается презентацией профиля поверхности исследуемой детали в различных форматах, выбираемых пользователем. В результате на экране формируется интерференционная картина путем перехода от точки к точке и регистрация проецируемого изображения с обратной стороны посредством цифровой видеокамеры, сопряженной с компьютером.

2.3 Применение метода фазосдвигающей интерферометрии для исследования свильности материалов

Современные стандартизованные методики регистрации свилей и контроль бессвильности оптических материалов.

В настоящее время, несмотря на долгую историю исследований в этой области, не существует, к сожалению, единой системы классификации свилей и общепринятой методики их контроля. Известны несколько довольно распространенных подходов анализа однородности материалов, отраженных в существующих национальных и международных стандартах. Сами принципы их построения не подвергаются критике. Разногласия возникают в вопросах детерминации экспериментальных условий, при определении оптимальных параметров измерительных установок, на путях перехода от качественных оценок к количественных характеристикам, при проверке методик калибровки полученных результатов.

Для контроля бессвильности оптических материалов широко применяется метод, основанный на регистрации и анализе теневых картин [5-8]. При этом используются тенеграфические установки различных конструкций, наиболее типичная из которых схематично представлена на Рис.3.7.

Исследуемый образец (6) освещается пучком света, формируемым с помощью конденсора (2) и диафрагмы (3). В качестве точечного источника излучения (1) служит газоразрядная лампа с близко расположенными электродами. Экран (5) служит для отображения теневой картины образца и последующей ее регистрации с помощью цифровой видеокамеры (8). Оптимальная для восприятия интенсивность падающего на экран излучения выбирается с помощью светофильтра (4). Компьютер с монитором (9) используется для анализа, презентации и хранения данных цифровых изображения. Держатель образца (7) снабжен механическими устройствами его перемещения в трех взаимноперпендикулярных направлениях, а также наклона и поворота образца для получения различных его проекций при тенеграфических исследованиях.

Как видно из описанной схемы, теневая картина образца с объемными неоднородностями получается в условиях расходящегося светового пучка. Это является недостатком проекционной установки, поскольку ограничивает степень максимально достижимой контрастности при исследованиях протяженных деталей. Использование расходящегося пучка не всегда корректно для количественных исследований, так как одинаковые неоднородности образца проявляются по-разному в зависимости от того, в каком месте они находятся. Преодоление указанного недостатка возможно посредством увеличения размеров измерительной системы (вплоть до 3 метров вдоль оптической оси [6]), но это не всегда удобно. Поэтому для изучения свилей широкое распространение также получили установки с исследованием оптических материалов в параллельных световых пучках [10-12].

На Рис.3.8 представлена схема прибора, так называемого свилескопа, с реализацией одного из наиболее простых вариантов такого подхода [10].

В иных вариантах подобных теневых приборов визуальное наблюдение заменено использованием цифровой видеокамеры с объективом и согласующей линзой, а вместо диафрагмы применяется подвижная ширма с острым краем, так называемый нож Фуко [12].

Сопоставление достоинств и недостатков средств измерений, рекомендуемых различными стандартизованными методиками на сегодняшний день представляется непростой задачей [8,13]. Исторически так сложилось, что определенное разделение исследователей в подходах к операции контроля свилей произошло не только по методам, но и установленным критериям оценки экспериментальных результатов в исследованиях качества оптических материалов.

Например, в соответствии с [9] стекла и стеклокристаллические материалы делятся по бессвильности на категории 1-4. Для высших категорий (1 и 2) не допускаются свили, обнаруживаемые при просмотре на установках, градуированных по соответствующим контрольным образцам согласно [5]. К категории 3 (и 3а) отнесены образцы, в которых исключаются потоки свилей, но допускаются одиночные и узловые свили.

Иная классификация материалов должна производиться согласно [10,11] . Как и в [9], стандартизуемые образцы должны быть приведены в соответствие с четырьмя классами : A, B, C и D. К классу A может быть отнесен материал при полном отсутствии свилей, контролируемых по прилагаемой методике. Для образцов более низкой сортности допускается наличие свилей, оговоренных в сравнениях с обязательными при испытаниях контрольными образцами. Данная классификация наравне с оценкой свилей по величине и концентрации учитывает степень жесткости контроля с точки зрения оптимальности направления их визуализации (как, кстати, и в [6]). И это важно, поскольку изображение свили, зарегистрированное при одном положении образца, может полностью исчезнуть на экране при его развороте всего на 5о [6]. В обязательности выбора оптимального для контроля положения есть определенное концептуальное отличие от подхода, изложенного в стандартах, где в зависимости от числа направлений просмотра отдельно установлены классы бессвильности А и Б [5, 9] или VS1 и VS2 [6].

А согласно [14], оптические материалы должны подразделяться на 5 классов при рассмотрении их характеристики на бессвильность. Полностью бессвильные образцы относятся к 5-му классу, в то время как границы между остальными классами установлены в зависимости от относительной доли бездефектных областей (без свилей, дающих искажение волнового фронта 30 нм). Более строгие рекомендации по классификации материалов на основании выявленных локальных искажений предписаны в руководстве [6].

В стандартизованных методиках [5,6,9-11,14] логика контроля не ставит на первый план точное измерение локальных искажений волнового фронта и сравнение полученных значений с какой-либо принятой шкалой. Инструментами для количественных оценок устанавливаются наборы контрольных образцов сравнения (с предельно допустимыми дефектами), которые предназначены для определения пороговых уровней искажений волнового фронта, границ, характерных для соответствующих классов при сертификации оптических материалов по свильности.

В частности, у образцов сравнения, обязательных для контроля согласно [5,9], разность хода, вносимая в волновой плоский фронт искусственной свилью 1-й категории, составляет 50 нм, а свилью 2-й категории - 100 нм [13]. В стандарте [14] установлен единственный ориентир - свили с соответствующим искажением величиной 30 нм. А наиболее детальная шкала указана в [6]: 10, 15, 30 и 60 нм.

Естественно, отсутствие единой методики и общепринятой шкалы качества оптических материалов с точки зрения свильности затрудняет сопоставление результатов разных исследователей и принятие адекватного решения в производимых оценках. Более того, особенности самих процедур выполнения испытаний могут быть причиной разногласий в итогах испытаний [13].

Есть и еще одно неудобство существующих методик. Сложившиеся традиции в сфере контроля свилей, к сожалению, не предусматривают нормировку их интенсивности (отнесение обусловленных ими искажений волнового фронта к соответствующей толщине образца), как это принято, например, при оценках двулучепреломления в материалах [15]. Действующие нормы количественных оценок изначально складывались в предположении контроля крупных заготовок стекла. Для образцов меньшей толщины необходима более тонкая детализация оценочной шкалы.

Наряду с установившимися правилами существуют попытки создания методик прямых количественных оценок свилей на основе полученных теневых картин. В работе [16] показано, что попытки внесения высокой степени детерминизма в оценку результатов опытов тенеграфического метода в ряде случаев могут оказаться вполне удовлетворительными. Эффективным может быть применение средств математического моделирования при реконструкции фазовых искажений, обусловленных присутствием свилей в объеме исследуемого материала. Тем не менее, при таком подходе остается немало вопросов относительно границ применимости используемых допущений.

Как более плодотворный, видимо, может рассматриваться простой выход из существующей ситуации - переход на прямой метод интерферометрического контроля локальных неоднородностей оптического материала. Если с его помощью производится метрологическая аттестация образцов сравнения, применяемых для определения границ в различных классификациях качества материала, то в ряде случаев целесообразно отказаться от применения теневых методов и набора контрольных образцов (промежуточного и лишнего звена). Конечно, речь не идет о крупногабаритных заготовках или предварительном грубом контроле. В первую очередь, это рационально для анализа относительно тонких деталей с плоскопараллельными полированными гранями.

...