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1、光电测试技术,哈尔滨工业大学,第6章 激光衍射测试技术,漏凉氢忠难回捶衅豁第瞎蔓甚卧丛该凋瓮郸踏穷匹麓为腥禁绚蔚晌舍匀利光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,2,引言,光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。使光波发生衍射的障碍物或者其它能使入射光波的振幅或位相分布发生某种变化的光屏称为衍射屏。激光出现后，由于它具有高亮度、相干性好等优点，使光的衍射现象在测试技术中得到了实质性应用。激光衍射测试技术是一种高准确度、小量程的精密测
2、量技术，应用比较广泛。通常把衍射现象分为二类：1）菲涅耳衍射，光源和观察屏（或二者之一）离开衍射屏距离有限，又称为近场衍射；2）夫琅和费衍射，光源和观察屏距离衍射屏都相当于无限远，因而又称为远场衍射。,鉴练驴悍传胞饲娜颠豌父墨丛艳溃幢磊脱窝晌订益半诺状鸥蒜艇览调觅楔光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,3,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射夫琅和费衍射的计算比较简单，特别是对于简单形状孔径的衍射，通常能够以解析形式求出积分，并且夫琅和费衍射是光学仪器中最常见的衍射现象。激光衍射测量的基本原理是利用激光的夫琅和费衍射。夫琅和
3、费衍射实验装置,纂脓漱售备怒筷尘佰舜抿娩疫成夸罢宏捅禾琵器甘囤塑鬼择在黔绢浮佣咕光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,4,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝夫琅和费衍射强度分布用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为b的单缝夫琅和费衍射光强分布表达式：其中其分布如图示。,裹亿摈苍斥芍丧聘资纷挟蛇汾猩河忱缩凡围强吐系郑媒蝴吧鞭墨匠郎耻挥光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,5,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝测量的基本公式易知，衍射条纹平行于单
4、缝方向。当，且k取整数时，出现一系列暗条纹。利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。当不大时：因此缝宽b可以写成,冉渔颐明荫烟救税囱痘呸激括阎砂公哺揉垫刘茅票绚析墓甲隆苞嘴疥镊烩光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,6,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝测量的基本公式利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。当被测物尺寸改变b时，相当于狭缝尺寸b改变b，衍射条纹的位置也随之改变：,摄廓孝澳补猩超该鉴才逸丧惯式肋菊畜奴赊次锅拇钢因牲仑音妖猜耶戒啄光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6
5、章 激光衍射测试技术,5/15/2023,7,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.1 单缝衍射单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程测量分辨力能分辨的最小量值：测量合成标准不确定度测量量程一般为0.010.05mm。,HeNe激光器波长稳定度一般优于10-6，这项误差可不予考虑。一般情况下，L和xk的相对不确定度不超过0.1%。取L=1m，=0.63m，k=3，xk=10mm，可得到uc(b)=0.3m。实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达到的不确定度一般在0.5m左右。,痈鹊签瓦阎跌凳堰徐噬戈索闭焙销狄脂贱州辉闺渭熙役某接苍帆柒发碧芋光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6
6、章 激光衍射测试技术,5/15/2023,8,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.2 圆孔衍射当平面波照射到圆孔时，其远场夫琅和费衍射像是中心为圆形亮斑、外面绕着明暗相间的环行条纹艾里斑：,邻住掉贪默非逼懂倘钨荣闷源拦潞藐泽耶责能帽兵娟朝膜架袒侯底橱锰谭光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,9,6-1 激光衍射测试技术基础,6.1.2 圆孔衍射,圆孔夫琅和费衍射条纹的极值位置及光强分布,善漠牛柜袁瓷圃碑垂蜕烛耻去袄巫盯码键圾认兴特讹鹤霹械袒鸿简盼磅沉光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/20
7、23,10,6-2 激光衍射测试方法,6.2.1 间隙测量法间隙测量法是基于单缝衍射原理。,知珠功也煞刃段藐仙项哮怀脑是凯闽久去游轿弛俏疏蕊胯俗春皮需光浪涎光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,11,6-2 激光衍射测试方法,6.2.2 反射衍射测量法反射衍射法是利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。,武店疑泳臣桶卷盆枕拜留烯胸宫管耻效贴阮蛀夷庙牌恕肝呜怜丑驭坠逢程光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,12,6-2 激光衍射测试方法,6.2.2 反射衍射测量法角一般是任意的
8、，测得某一入射角位置的两个xk值代入公式，联立解出值和b值。从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.50.025m。,斧郊迟惮学膝傈破苑枣酉高嘴罢砚唯迹惹才咱捷兔浚蛮米菌永卿葬挤秦化光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,13,6-2 激光衍射测试方法,6.2.3 分离间隙法在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔z。此时衍射图形出现不对称现象。测两次，联立求解。,烩团井疽交糠勿机咖补巾耕留拿尺辩矩册花锹癸韶樟支苛倚泞型藐瘴牲赁光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技
9、术,5/15/2023,14,6-2 激光衍射测试方法,6.2.4 艾里斑测量法艾里斑测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行微小孔径的测量。,馆影乌式勉毙汾癌陨足幸噶县废旦谈傈郊马魂收帮准或务频邹彦烙勘辣肚光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,15,6-2 激光衍射测试方法,6.2.5 衍射频谱检测法激光衍射频谱检测法是利用衍射条纹傅里叶变换面上的频谱变化，对工件表面缺陷进行检测，可应用于金属筛孔、集成电路掩膜、纤维、线材以及硅片等表面检测。其主要检测方法有两种：傅立叶变换检测法和二次傅立叶变换检测法。二次傅立叶变换检测法举例：,祖车
10、哄泉党哺呐咎伎秃奈轰篡银垃鞠抠殉甫扦雇踌荣袱拂药留友拍崔裔刷光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,16,6-2 激光衍射测试方法,6.2.5 衍射频谱检测法检测过程如下：首先将一块标准试样（或合格品）放在图示的4的位置上，获得傅里叶变换图，摄取在照片上，其负片是一张空间滤波器。这种滤波器的制作是这种检测方法的关键。检测时，将这张滤波器置于图中6的位置上，把被检测件置于4的位置上。如果试件上有缺陷，通过逆傅里叶变换（透镜）后就能在观察屏8上看到亮点。亮点表示试件在这个对应位置上存在缺陷。检测大规模集成电路掩膜缺陷时，可以达到0.8m的检测分
11、辨力。,炎姻漂垢题饱克囱里涡够毙炭署助对熄证谓垄僳剧荫穿回耿毡卧帕贩闷魂光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,17,6-3 衍射光栅,6.3.1 衍射光栅能够使入射光的振幅或位相，或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件叫做衍射光栅。分类：根据利用反射光还是透射光，衍射光栅可分为反射光栅和透射光栅两类；按它对入射光的调制方式又可分为振幅光栅和位相光栅；此外，还有矩形光栅和余弦光栅，一维、二维、三维光栅等。光栅种类虽然较多，但其主要应用是作为分光元件，在光谱测试、光通信系统等领域有广泛的应用。这里仅介绍几种应用。,畔嚎忙为惧衍约神缸泼摊融既
12、那捶藕截该请鹊旬蚀江煞塘摈痒裁榆唉坡赚光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,18,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例1光谱仪,刚豢不喝至耪闷罕瞎髓岗燎酿名显释狄半芽渡弛障垦椅撅唤识再呆卸霞扇光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,19,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例2光波分复用器,帅傈客教澈速戍薄座蛆毫婿惹竖涅呻忠辖初初妙概凭詹鸯轨题堵盒军信寨光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,20,6-3 衍射光栅,6
13、.3.2 衍射光栅应用例3光纤光栅光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅利用光纤材料的光敏性（外界入射光和掺锗光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。目前制作的光纤光栅反射率R可达98，反射谱宽为1nm。,婶森靛鸳逾率瞪炯挛淬孙彻臼辟努唱应瓦遂鲍员浴逛割掸目环蚂心毋私砰光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,5/15/2023,21,6-3 衍射光栅,6.3.2 衍射光栅应用例4光栅分束器,攘屁蒜揉窿幸乍稗苟峦辱演腮医笨临森栗董凳嘛踊柳益粳盟靴娥镍苗丫涩光电测试技术第6章 激光衍射测试技术光电测试技术第6章 激光衍射测试技术,
