淺析激光干涉技術在洛氏硬度計量中的應用

摘 要：激光技術是近年來發展速度較快及應用領域較為廣泛的一項現代化電子技術，由于該技術的精確度較高，因此我國激光洛氏硬度國家副基準裝置中運用了該項技術，該技術將壓痕深度測量的誤差控制在納米級別范圍內，實際應用價值較高。文章從激光干涉技術原理介紹入手，詳述了激光干涉裝置在硬度副基準上的應用，分析了誤差引起的硬度標準不確定度。旨在為該技術在硬度計量中的應用提供一些參考。

關鍵詞：激光干涉；洛氏；硬度計量

硬度一詞是屬于物理學范疇的專業術語，它表示材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱之為硬度。而硬度計量則分屬于力學計量范疇，是為了表示硬度塊的具體硬度值的大小，通常都是通過洛氏硬度來進行計算。洛氏硬度是用具有較為規則形狀的金剛石、鋼球壓頭通過外力來測量壓入對象即標準硬度塊所形成的壓痕深度，通過換算之后來確定硬度塊的硬度。但是在此過程中往往會有較多的不確定因素存在會影響最終的測定結果，在眾多不確定因素之中對其最終結果影響較大的一個因素為壓痕所形成的深度測量準確與否。

1 激光干涉技術的基本原理

在硬度值測量過程中激光干涉技術的應用過程中主要采取的標準是由激光干涉儀所發射的激光波長值，波長穩定的激光是通過穩頻激光源發射而來，當這一束波長穩定的激光投射在偏振干涉儀之內后，通過分光鏡可將上述激光分成兩束激光，此后通過幾次傳輸兩束激光會再次重合，但此時較之前不同會發生干涉現象，干涉帶的亮度也由激光的相位差來決定。干涉帶的亮度持續發生變化是由于固定兩束激光中某一束相位，另一束必然會通過反射鏡隨著主軸移動發生相位的改變，由此便會是干涉帶亮度連續變化。由此可以得出，要想測量出干涉帶亮度變化就可以測量主軸所發生的位移，進而也就可以得出投射激光的波長值。

2 在硬度副基準上的應用

激光干涉裝置主要采用的是偏振干涉儀，以L代表激光光源的半內腔激光器，所發射出的激光為線偏振光，偏振面水平夾角為45度。M1和M2為可調反射鏡，當激光發射到M2和M2之后反射到PBS即偏振分光鏡，通過PBS之后光束被分成與偏振方向成90度的2條頻率和幅度相同的激光束，其中透射光會射到C1即角隅棱鏡，安裝于主板之上，經過反射后回到PBS；另一束反射光則被稱之為測量光束，被射到C2即角隅棱鏡，安裝于主軸上端，經過C2之后反射到PBS。此時相互垂直的兩條光束即參考光束和測量光束通過兩個角隅棱鏡C1/C2反射后均回到PBS，實現重合，兩條光束疊加之后形成旋轉偏振光，通過λ/4波長后，轉變為線偏振光，相位變化則與角隅棱鏡C2位移相對應。

上述兩條經過疊加之后的光束，通過BS（分光鏡）之后再次被分為兩個光束即透射光和反射光。這兩束光分別聚焦后被偏振分光束鏡PBS2和PBS3分成兩對信號，經由D1、D1'及D2、D2'接收后進行信號放大，此后將對光電信號進行轉換，兩對電信號相差∏，后經差分放大后這兩組信號變為相差1/2∏，兩路信號一個信號為正弦，另一個信號為余弦。這兩組信號彼此可實現正反計數，同時還可以實現對干涉帶的細分。該干涉裝置所使用的是電系統二十細分后的干涉帶。從細分后的λ/40為基本單位（或者15.825nm），進行計數，之后將計數值輸入到計算機中，通過相關計算之后便可以得到主軸以及壓頭的位移數值。位移數值就是被壓物壓痕深度及硬度值。在這其中經由D1、D1'及D2、D2'接收后進行信號放大，此后將對光電信號進行轉換，兩對電信號相差∏，后經差分放大后不單單提高了信號信噪比，同時消除了零點漂移以及直流變化對此影響。

在硬度測量過程中，會有兩個過程，第一個過程為初試驗力，第二過程為主試驗力。當第一過程保荷時間到達時，計數器會自動清零，之后進入到主試驗力計數階段。當進入第二階段之后，計數器會接受相應信號，進行計數。在第二階段即將結束的時候，此時的計數器已經記錄下壓頭壓入測量物的N1個量程。在第二階段過程中會受到來自兩個方面的綜合影響，一方面是塑性變形；另一方面是彈性變形。當這一過程結束后，壓頭則會回彈產生位移，此時可逆計數器則記錄下壓頭回彈次數為N2個量程，我們最終所需數據即：N1-N2。

副基準上用的激光波長通常情況為633nm，每一個量程均為λ/40（15.825nm）。這也就說明，壓頭壓入被測對象0.015825μm時，可逆計數裝置變開始進行記錄。所得數據代入下述公式便可計算出硬度值。

H=K-（h1-h2）/0.002 （1）

公式（1）中一個量程為標準單位λ/40（15.825nm）；h1為N1個量程的距離；h2為N2個量程的距離；H代表最終算出的硬度；K為硬度系數。

h1-h2=（N1-N2）×λ/40 （2）

K=130（洛B標尺）；K=100（洛氏C標尺、A標尺）。

3 干涉儀的調整步驟

干涉儀調整可以分為以下7個具體步驟：第一步安裝L即半內腔激光器，安裝中注意將激光器的光束偏振與干涉儀成45度夾角；第二步為了使激光束通過PBS1偏振分光鏡，需要對M1、M2反射鏡進行相應調整。第三步為了確保測量光束與光軸之間相互平行，需要將位于主軸上的立體棱鏡進行拆解，而后安裝軸與端面垂直的套筒，同時將平面反射鏡平行放置于套筒端，最后調整反射鏡M2，最終使測量光束垂直返回與光軸重合；第四步摘除套筒安裝C2主體棱鏡；第五步調節角隅棱鏡C1，可以將測量與參考光束重合，目的是最終得到同心圓環干涉帶；第六步調節分光鏡BS，通過調節后可使光束分別通過PBS2和PBS3偏振分光鏡中心；第七步轉動第六步的兩個分光鏡，為的是使輸出相位差在1/2∏，此后為了獲得圓環小波圖形再對電路進行調節便可。

4 誤差引起的硬度標準不確定度u

在標準條件下，1×10-6是不確定度的一個衡量標準，當不確定度由于此標準時均可忽略。常見的不確定度有，空氣折射率變化所帶來的不確定度；真空中波長同激光波長的不確定度；主軸移動方向與測量臂光軸不平行的不確定度。此外，計數器誤差主要是由于激光干涉計算所引起的硬度標準不確定度常規情況是將其歸類為B類不確定度進行評定。以+1或者-1脈沖計算，可以得出壓頭在標準硬度塊深度的最大誤差應當為±15.825nm，由此可知與其向對應的硬度最大誤差為±0.0075HR，計數器誤差標準不確定度為0. 00045HR，可知這一不確定度很小，由此得出激光干涉技術可以將硬度計量誤差控制在很低水平。

5 結束語

在激光干涉中可以通過利用這一原理，先測量光束相變位移量，通過計算得出主軸和壓頭的位移量，進而得出在標準硬度塊上留下的壓痕深度和硬度值。此外，由于激光干涉電路被細分為20個區域，因此測量單位也都達到了λ/40，在驗證后，所測得的標準硬度塊的硬度值最大標準誤為0.00045HR，由于其不確定度非常小，所以激光干涉技術在洛氏硬度計量中的應用具有較大優勢，其實際應用價值較高。

參考文獻

[1]許素安，鐘紹俊，孫堅，等.基于偏振激光干涉技術的波長計[J].計量學報，2013，34（3）：217-220.