雷射幹涉技術在硬度計量中的應用

　　本文簡單介紹應用雷射幹涉技術進行洛氏硬度計量。洛氏硬度是通過測量壓頭在一定壓力下，垂直壓入硬度塊的深度，而後經換算，得出該硬度塊的硬度值。應用雷射幹涉技術，可精確得出壓頭壓入硬度塊的深度，從而大大減少測量不確定度。

　　洛氏硬度是通過一定形狀的金剛石壓頭或鋼球壓頭測量壓入標準硬度塊的壓痕深度，再經過換算，最終確定硬度塊的硬度值。測量過程中會有多項不確定度，壓痕深度測量不確定度為其中主要的參數之一。為了最大限度地降低它，在我國雷射洛氏硬度國家副基準裝置中採用雷射幹涉技術及現代電子技術，將壓痕深度的測量不確定度減小到納米級。幹涉測量裝置由穩頻雷射源、偏振幹涉儀、光電轉換器，可逆計數器4部分構成，最終將計數結果輸入微機，進行計算得出硬度值。裝置框圖如圖1所示。

　　下面，將雷射幹涉技術與硬度裝置的結合，作一簡單介紹。

　　1　雷射幹涉測量原理

　　雷射波長值是硬度值的溯源標準。它是用幹涉儀來實現的。波長穩定的雷射光束入射至幹涉儀中，分光鏡將其分為兩束，這兩束光再重合時將發生幹涉，形成了幹涉帶。幹涉帶的亮度由兩束光的相位差決定。兩束光中，一束稱為參考光束，其相位是固定不變的，另一束為測量光束，其相位隨測量反射鏡的移動而變化。安裝在主軸上的測量反射鏡與主軸一起移動，從而使幹涉帶的亮度產生了連續的變化。故亮度變化的幹涉帶與主軸位移相對應，即主軸位移可用雷射幹涉帶即雷射波長測量。如主軸及測量反射鏡移動0~λ/4~λ/2(λ為標準雷射光源的波長)，參考光束與測量光束間的光程差相應變化了0~λ/2~λ，則其相位變化了0~π~2π，則幹涉帶變化了一個條紋。為提高測量精度，用電路系統將幹涉帶二十細分，以細分後的脈衝即λ/40 (15.825nm)為單位，進行計數。就可使計數不確定度減至納米量級。

　　2　雷射幹涉裝置在硬度副基準上的應用

　　該幹涉測量裝置的結構採用了偏振幹涉儀，光路如圖3所示。雷射光源L為半內腔雷射器，其輸出為線偏振光，偏振面與水平方向成45°。雷射光束由可調反射鏡M1和M2反射至偏振分光鏡PBS，雷射光束被PBS分成偏振方向互相垂直的兩條同頻同幅光束，透射光為參考光束，射至安裝在主板上的角隅稜鏡C1，反射回PBS；另一路是反射光，為測量光束，射至安裝在主軸上端的角隅稜鏡C2並被反射回PBS。C1和C2反射的互相垂直的參考光束和測量光束在PBS的分光面上重新匯合，兩者疊加為旋轉偏振光，經λ/4波長後，變為線偏振光，其相位變化與C2位移相應。C2的位移即為主軸與壓頭的位移。