Mieszkanie optyczne

Mieszkania optyczne w etui. Około 2,5 cm (1 cal) średnicy. Trzecie mieszkanie od lewej stoi na krawędzi, pokazując grubość.

Płaskie optycznie λ/20, które zostało pokryte aluminium, tworząc zwierciadło pierwszej powierzchni

Dwa płaskie powierzchnie optyczne przetestowane przy użyciu światła laserowego o długości fali 589 nm. Przy średnicy 2 cali (5,1 cm) i grubości 0,5 cala (13 mm) obie powierzchnie są płaskie z dokładnością do 1/10 długości fali światła (58,9 nm), na co wskazują idealnie proste prążki.

Powierzchnia optyczna to kawałek szkła klasy optycznej docierany i polerowany tak, aby był wyjątkowo płaski z jednej lub obu stron, zwykle z dokładnością do kilkudziesięciu nanometrów (miliardowych części metra). Są używane ze światłem monochromatycznym do określania płaskości (dokładności powierzchni) innych powierzchni, optycznych, metalowych, ceramicznych lub innych, poprzez interferencję . Kiedy mieszkanie optyczne zostanie umieszczone na innej powierzchni i oświetlone, fale świetlne odbijają się zarówno od dolnej powierzchni mieszkania, jak i od powierzchni, na której spoczywa. Powoduje to zjawisko podobne do interferencji cienkowarstwowej . Odbite fale interferują, tworząc wzór prążków interferencyjnych widoczne jako jasne i ciemne pasy. Odstępy między prążkami są mniejsze tam, gdzie szczelina zmienia się szybciej, co wskazuje na odejście od płaskości na jednej z dwóch powierzchni. Jest to porównywalne z poziomicami, które można znaleźć na mapie. Płaska powierzchnia jest oznaczona wzorem prostych, równoległych prążków w równych odstępach, podczas gdy inne wzory wskazują nierówne powierzchnie. Dwa sąsiadujące ze sobą prążki wskazują różnicę wysokości o połowę długości fali użytego światła, więc licząc prążki, różnice w wysokości powierzchni można zmierzyć z dokładnością większą niż jeden mikrometr.

Zwykle tylko jedna z dwóch powierzchni płaskiej powierzchni optycznej jest płaska do określonej tolerancji, a powierzchnia ta jest oznaczona strzałką na krawędzi szkła.

Płaskie powierzchnie optyczne są czasami pokrywane powłoką optyczną i używane jako precyzyjne lustra lub okna optyczne do specjalnych celów, takich jak interferometr Fabry-Pérot lub wnęka laserowa . Mieszkania optyczne mają również zastosowanie w spektrofotometrii .

Badanie płaskości

Badanie płaskości powierzchni za pomocą flatów optycznych. Lewa powierzchnia jest płaska; prawa strona jest astygmatyczna , z krzywiznami w dwóch ortogonalnych kierunkach.

Płaski test optyczny, w którym rozmiar kątowy źródła światła jest zbyt mały. Prążki interferencyjne pojawiają się tylko w odbiciu, więc światło musi wyglądać na większe niż mieszkanie.

Powierzchnia optyczna jest zwykle umieszczana na testowanej płaskiej powierzchni. Jeśli powierzchnia jest czysta i wystarczająco odblaskowa, po oświetleniu badanej części białym światłem utworzą się tęczowe pasma prążków interferencyjnych. Jeśli jednak do oświetlania przedmiotu zostanie użyte światło monochromatyczne, takie jak hel, niskociśnieniowe sód lub laser, powstanie seria ciemnych i jasnych prążków interferencyjnych. Te prążki interferencyjne określają płaskość przedmiotu obrabianego w stosunku do powierzchni optycznej z dokładnością do ułamka długości fali światła. Jeśli obie powierzchnie są idealnie równe i równoległe do siebie, nie utworzą się żadne prążki interferencyjne. Jednak zazwyczaj między powierzchniami znajduje się trochę powietrza. Jeśli powierzchnie są płaskie, ale małe optyczny klin powietrza, a następnie utworzą się proste, równoległe prążki interferencyjne wskazujące kąt klina (tj. więcej, cieńsze prążki oznaczają bardziej stromy klin, podczas gdy mniej, ale szersze prążki oznaczają mniejszy klin). Kształt prążków wskazuje również kształt badanej powierzchni, ponieważ prążki z zagięciem, konturem lub pierścieniami wskazują wysokie i niskie punkty na powierzchni, takie jak zaokrąglone krawędzie, wzniesienia lub doliny, lub powierzchnie wypukłe i wklęsłe.

Przygotowanie

Zarówno płaszczyzna optyczna, jak i badana powierzchnia muszą być wyjątkowo czyste. Najdrobniejszy pył osadzający się między powierzchniami może zrujnować wyniki. Nawet grubość smugi lub odcisku palca na powierzchniach może wystarczyć, aby zmienić szerokość szczeliny między nimi. Przed badaniem powierzchnie są zwykle bardzo dokładnie czyszczone. Najczęściej aceton jest stosowany jako środek czyszczący, ponieważ rozpuszcza większość olejów i całkowicie odparowuje, nie pozostawiając osadu. Zazwyczaj powierzchnia będzie czyszczona metodą „przeciągania”, w której niestrzępiąca się, pozbawiona zarysowań chusteczka jest zwilżana, rozciągana i przeciągana po powierzchni, ciągnąc za sobą wszelkie zanieczyszczenia. Proces ten wykonywany jest zwykle kilkadziesiąt razy, dzięki czemu powierzchnia jest całkowicie wolna od zanieczyszczeń. Za każdym razem trzeba będzie użyć nowej chusteczki, aby zapobiec ponownemu zanieczyszczeniu powierzchni z wcześniej usuniętego kurzu i olejów.

Testy są często przeprowadzane w pomieszczeniu czystym lub innym środowisku wolnym od kurzu, co zapobiega osadzaniu się kurzu na powierzchniach między czyszczeniem a montażem. Czasami powierzchnie można łączyć, zsuwając je ze sobą, co pomaga zeskrobać kurz, który mógłby wylądować na mieszkaniu. Testy są zwykle przeprowadzane w środowisku o kontrolowanej temperaturze, aby zapobiec zniekształceniom szkła i muszą być wykonywane na bardzo stabilnej powierzchni roboczej. Po przetestowaniu mieszkania są zwykle ponownie czyszczone i przechowywane w etui ochronnym, a często są przechowywane w środowisku o kontrolowanej temperaturze do ponownego użycia.

Oświetlenie

Aby uzyskać najlepsze wyniki testu, do oświetlania mieszkań stosuje się światło monochromatyczne, składające się tylko z jednej długości fali. Aby prawidłowo pokazać prążki, podczas ustawiania źródła światła należy wziąć pod uwagę kilka czynników, takich jak kąt padania między światłem a obserwatorem, wielkość kątowa źródła światła w stosunku do źrenicy oka, oraz jednorodność źródła światła po odbiciu od szkła.

Można zastosować wiele źródeł światła monochromatycznego. Większość laserów emituje światło o bardzo wąskim paśmie i często zapewnia odpowiednie źródło światła. Laser helowo-neonowy emituje światło o długości fali 632 nanometrów (kolor czerwony), podczas gdy laser Nd:YAG o podwojonej częstotliwości emituje światło o długości fali 532 nm (kolor zielony). Różne diody laserowe i lasery półprzewodnikowe pompowane diodami emitują światło w kolorze czerwonym, żółtym, zielonym, niebieskim lub fioletowym. Lasery barwnikowe można dostroić tak, aby emitowały prawie każdy kolor. Jednak lasery doświadczają również zjawiska zwanego plamką laserową , które pojawia się na prążkach.

Można również zastosować kilka lamp gazowych lub metalowych. Podczas pracy przy niskim ciśnieniu i prądzie, lampy te generalnie wytwarzają światło w różnych liniach widmowych , przy czym jedna lub dwie linie są najbardziej dominujące. Ponieważ linie te są bardzo wąskie, lampy można łączyć z filtrami o wąskim paśmie, aby wyizolować najsilniejszą linię. Lampa wyładowcza helowa wytworzy linię przy 587,6 nm (żółta), podczas gdy lampa rtęciowa wytworzy linię przy 546,1 (żółtawo-zielona). Pary kadmu tworzą linię przy 643,8 nm (czerwona), ale sód pod niskim ciśnieniem tworzy linię przy 589,3 nm (żółta). Ze wszystkich lamp sodowych o niskim ciśnieniu jako jedyne wytwarza jedną linię, która nie wymaga filtra.

Prążki pojawiają się tylko w odbiciu źródła światła, więc płaską optykę należy oglądać dokładnie pod takim kątem padania, pod jakim pada na nią światło. Patrząc pod kątem zerowym (bezpośrednio z góry), światło musi być również ustawione pod kątem zerowym. Wraz ze zmianą kąta widzenia musi się również zmieniać kąt oświetlenia. Światło musi być ustawione tak, aby jego odbicie było widoczne na całej powierzchni. Ponadto rozmiar kątowy źródła światła musi być wielokrotnie większy niż oko. Na przykład, jeśli używane jest światło żarowe, prążki mogą być widoczne tylko w odbiciu żarnika. Przesuwając lampę znacznie bliżej mieszkania, rozmiar kątowy staje się większy, a żarnik może wydawać się pokrywać całe mieszkanie, dając wyraźniejsze odczyty. Czasami A dyfuzor , taki jak malowanie proszkowe wewnątrz matowych żarówek, aby zapewnić jednorodne odbicie od szkła. Zazwyczaj pomiary będą dokładniejsze, gdy źródło światła znajduje się jak najbliżej mieszkania, ale oko jest jak najdalej.

Jak powstają prążki interferencyjne

Jak działa interferencja. Odległość między jasnym prążkiem (a) a ciemnym prążkiem (b) wskazuje na zmianę długości drogi światła o 1/2 długości fali, a więc zmianę szerokości przerwy o 1/4 długości fali. Tak więc odległość między dwoma jasnymi lub ciemnymi prążkami wskazuje na zmianę przerwy o 1/2 długości fali. Szczelina między powierzchniami i długość fali fal świetlnych są znacznie przesadzone.

Diagram po prawej stronie przedstawia płaską powierzchnię optyczną spoczywającą na badanej powierzchni. O ile dwie powierzchnie nie są idealnie płaskie, między nimi będzie niewielka szczelina (pokazana) , która będzie się różnić w zależności od konturu powierzchni. Światło monochromatyczne (czerwone) świeci przez płaską szybę i odbija się zarówno od dolnej powierzchni płaskiej powierzchni optycznej, jak i od górnej powierzchni elementu testowego, a dwa odbite promienie łączą się i nakładają . Jednak promień odbijający się od dolnej powierzchni pokonuje dłuższą drogę. Dodatkowa długość ścieżki jest równa dwukrotności odstępu między powierzchniami. Ponadto promień odbijający się od dolnej powierzchni ulega odwróceniu fazowemu o 180°, podczas gdy wewnętrzne odbicie drugiego promienia od spodu płaskiej powierzchni optycznej nie powoduje odwrócenia fazy. Jasność odbitego światła zależy od różnicy długości dróg dwóch promieni:

Konstruktywna interferencja : w obszarach, w których różnica długości drogi między dwoma promieniami jest równa nieparzystej wielokrotności połowy długości fali ( λ/2) fal świetlnych, fale odbite będą w fazie , więc „doliny” i „szczyty” „fal zbiegają się. Dlatego fale będą się wzmacniać (dodawać), a wynikające z tego natężenie światła będzie większe. W rezultacie zostanie tam zaobserwowany jasny obszar.
Niszcząca interferencja : w innych miejscach, gdzie różnica długości drogi jest równa parzystej wielokrotności połowy długości fali, fale odbite będą przesunięte w fazie o 180° , więc „dolina” jednej fali pokrywa się ze „szczytem” druga fala. Dlatego fale będą się anulować (odejmować), a wynikające z tego natężenie światła będzie słabsze lub zerowe. W rezultacie zostanie tam zaobserwowany ciemny obszar.

obserwowanie na powierzchni wzoru jasnych i ciemnych linii lub pasm zwanych „ prążkami interferencyjnymi ”. Są one podobne do linii konturowych na mapach, ujawniając różnice wysokości dolnej powierzchni testowej. Szczelina między powierzchniami jest stała wzdłuż prążka. Różnica długości drogi między dwoma sąsiednimi jasnymi lub ciemnymi prążkami wynosi jedną długość fali światła, więc różnica w szczelinie między powierzchniami wynosi połowę długości fali. Ponieważ długość fali światła jest tak mała, ta technika może mierzyć bardzo małe odchylenia od płaskości. Na przykład długość fali światła czerwonego wynosi około 700 nm, więc różnica wysokości między dwoma prążkami jest o połowę mniejsza, czyli 350 nm, czyli około 1/100 średnicy ludzkiego włosa.

Wyprowadzenie matematyczne

Zmianę jasności odbitego światła w funkcji szerokości szczeliny $,$ wyprowadzając wzór na sumę dwóch odbitych fal. Załóżmy, że z jest zorientowana w kierunku promieni odbitych. Załóżmy dla uproszczenia, że intensywność A dwóch odbitych promieni świetlnych jest taka sama (prawie nigdy nie jest to prawdą, ale rezultatem różnic w intensywności jest po prostu mniejszy kontrast między jasnymi i ciemnymi prążkami). Równanie pola elektrycznego sinusoidy promień światła odbity od górnej powierzchni poruszający się wzdłuż osi z wynosi

{\ Displaystyle E_ {1} (z, t) = A \ sałata \ lewo ({\ Frac {2 \ pi z} {\ lambda }}-\omega t\po prawej)}

gdzie $długość$ szczytowa amplituda, λ $częstotliwość$ kątowa fali . Promień odbity od dolnej powierzchni zostanie opóźniony o dodatkową długość ścieżki i odwrócenie fazy $fazowe$ 180 ° przy odbiciu, powodując przesunięcie w stosunku do górnego promienia.

{\ Displaystyle E_ {2} (z, t) = A \ sałata \ lewo ({\ Frac {2 \ pi z} {\lambda}}-\omega t+\phi \right)\,}

gdzie ${\textstyle \ phi \,}$ jest różnicą faz między falami w radianach . Dwie fale nałożą się i dodadzą: suma pól elektrycznych obu fal wynosi

{\ Displaystyle E = E_ {1} + E_ {2} =A\left[\cos \left({\frac {2\pi z}{\lambda }}-\omega t\right)+\cos \left({\frac {2\pi z}{\lambda} }-\omega t+\phi \right)\right]\,}

Używając tożsamości trygonometrycznej dla sumy dwóch cosinusów: ${\ Displaystyle \ sałata a + \ sałata b = 2 \ sałata \ left({a+b \over 2}\right)\cos \left({ab \over 2}\right)\,} ,$ można to zapisać

{\ Displaystyle E = 2A \ sałata \ lewo ({\ phi \ ponad 2} \ prawo) \ sałata \ lewo ( {2\pi z \over \lambda}-\omega t+{\phi \over 2}\right)\,}

Reprezentuje to falę o pierwotnej długości fali, której amplituda jest proporcjonalna do cosinusa $,$ odbitego światła jest oscylującą, sinusoidalną funkcją przerwy szerokość D. _ $}$ faz jest równa sumie przesunięcia fazowego ${\ textstyle {2 \ pi \ ponad \ lambda} (2d) \,}$ ze względu na różnicę długości ścieżki ϕ {\ textstyle \ phi 2 dni oraz dodatkowe przesunięcie fazowe o 180° przy odbiciu

{\ Displaystyle \ phi = {4 \ pi d \ nad \ lambda} + \ pi = 2 \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda }+{1 \ponad 2}\prawo)}

więc pole elektryczne fali wynikowej będzie wynosić

{\ Displaystyle E = 2A \ sałata \ lewo [\ pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)\right]\cos \left[{2\pi z \over \lambda }-\omega t+\pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)\right]\,}

Reprezentuje to oscylującą falę, której wielkość zmienia się sinusoidalnie od $zera$ $do$ ze .

Konstruktywna interferencja : Jasność będzie maksymalna, gdzie ${\ Displaystyle \ lewo | \ cos \ pi \ lewo ({2d \ ponad \ lambda} + {1 \ ponad 2} \ prawo) \ prawo | = 1 \,} , co występuje,$ gdy
${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ ponad 2} \ prawej) & = n \ pi, \ quad n\in {0,1,2,\ldots }\\\Strzałka w prawo d&=\left(n-{1 \over 2}\right){\lambda \over 2}\end{wyrównane}}}$

${\ Displaystyle \ Strzałka w prawo d = {\ lambda \ ponad 4}, {3 \ lambda \ ponad 4}, {5 \ lambda \ ponad 4}, \ ldots }$

Destrukcyjna interferencja : Jasność wyniesie zero (lub w bardziej ogólnym przypadku minimum), gdzie ${\ Displaystyle \ lewo | \ cos \ pi \ lewo ({2d \ ponad \ lambda} + {1 \ ponad 2} \ prawo) \ prawo | = 0 \,} , co występuje,$ gdy
${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ ponad 2} \ prawej) & = \ lewo (n + { 1 \over 2}\right)\pi ,\quad n\in {0,1,2,\ldots }\\\Strzałka w prawo d&=n{\lambda \over 2}\end{aligned}}}$

${\ Displaystyle \ Strzałka w prawo d = 0, {2 \ lambda \ ponad 4}, {4 \ lambda \ ponad 4}, {6 \ lambda \ ponad 4},\ldkropki }$

Tak więc jasne i ciemne prążki występują naprzemiennie, przy czym rozdzielenie dwóch sąsiednich jasnych lub ciemnych prążków oznacza zmianę długości przerwy o połowę długości fali (λ/2).

Precyzja i błędy

Dwa mieszkania λ/10 przy 589 nm. Chociaż obie powierzchnie mają pewne nieregularności, test pokazuje, że obie są płaskie względem siebie. W miarę postępu wyżymania cienkie frędzle rozszerzają się, aż pozostaje tylko jeden frędzel.

Obraz termiczny płaskiego elementu optycznego po kilkusekundowej obsłudze. Cieplejsze obszary zwiększają grubość płaskiego obszaru w chłodniejszych obszarach, odpowiednio zniekształcając powierzchnię.

Wbrew intuicji, frędzle nie istnieją w szczelinie ani w samym mieszkaniu. Prążki interferencyjne w rzeczywistości powstają, gdy wszystkie fale świetlne zbiegają się w oku lub aparacie, tworząc obraz. Ponieważ obraz jest kompilacją wszystkich zbiegających się frontów falowych, które interferują ze sobą, płaskość próbki testowej można zmierzyć tylko w stosunku do płaskości powierzchni optycznej. Ewentualne odchyłki na płasko zostaną dodane do odchyłek na powierzchni testowej. Dlatego powierzchnia wypolerowana do płaskości λ/4 nie może być skutecznie przetestowana za pomocą płaskownika λ/4, ponieważ nie jest możliwe określenie, gdzie leżą błędy, ale jej kontury można ujawnić, testując dokładniejsze powierzchnie, takie jak λ /20 lub λ/50 płaski optyczny. Oznacza to również, że zarówno oświetlenie, jak i kąt widzenia mają wpływ na dokładność wyników. Gdy światło jest oświetlone lub oglądane pod kątem, odległość, jaką światło musi przebyć przez szczelinę, jest dłuższa niż w przypadku patrzenia i oświetlania na wprost. Tak więc, gdy kąt padania staje się bardziej stromy, prążki również będą się poruszać i zmieniać. Kąt padania zero stopni jest zwykle najbardziej pożądanym kątem, zarówno do oświetlenia, jak i oglądania. Niestety, zwykle nie da się tego osiągnąć gołym okiem. Wiele interferometry wykorzystują rozdzielacze wiązki do uzyskania takiego kąta. Ponieważ wyniki odnoszą się do długości fali światła, dokładność można również zwiększyć, stosując światło o krótszych falach, chociaż linia 632 nm z lasera helowo-neonowego jest często używana jako standard.

Żadna powierzchnia nigdy nie jest całkowicie płaska. Dlatego wszelkie błędy lub nieprawidłowości występujące na powierzchni optycznej będą miały wpływ na wyniki testu. Płaskie powierzchnie optyczne są niezwykle wrażliwe na zmiany temperatury, co może powodować chwilowe odchylenia powierzchni wynikające z nierównomiernej rozszerzalności cieplnej . Szkło często ma słabe przewodnictwo cieplne , a osiągnięcie równowagi termicznej zajmuje dużo czasu . Samo obchodzenie się z mieszkaniami może przenosić wystarczającą ilość ciepła, aby zrównoważyć wyniki, więc szkła takie jak topiona krzemionka lub borokrzemian stosowane są materiały o bardzo niskich współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Szkło musi być twarde i bardzo stabilne i zwykle jest bardzo grube, aby zapobiec zginaniu . Podczas pomiaru w skali nanometrów najmniejszy nacisk może spowodować ugięcie szkła na tyle, aby zniekształcić wyniki. Dlatego potrzebna jest również bardzo płaska i stabilna powierzchnia robocza, na której można przeprowadzić test, zapobiegająca uginaniu się zarówno płaskiego, jak i badanego elementu pod ich łącznym ciężarem. Często precyzyjnie oszlifowana powierzchnia płytki służy jako powierzchnia robocza, zapewniając stabilny blat do testowania. Aby zapewnić jeszcze bardziej płaską powierzchnię, czasami test można przeprowadzić na innej płaskiej powierzchni optycznej, z powierzchnią testową umieszczoną pośrodku.

Absolutna płaskość

Płaskość bezwzględna to płaskość obiektu mierzona względem skali bezwzględnej , w której płaszczyzna odniesienia (standard) jest całkowicie pozbawiona nieregularności. Płaskość dowolnego płaskiego elementu optycznego jest względna w stosunku do płaskości oryginalnego wzorca , który został użyty do jego kalibracji. Dlatego, ponieważ obie powierzchnie mają pewne nieregularności, istnieje kilka sposobów poznania prawdziwej, absolutnej płaskości dowolnego płaskiego elementu optycznego. Jedyną powierzchnią, na której można osiągnąć niemal absolutną płaskość, jest powierzchnia cieczy, na przykład rtęci, i czasami można uzyskać odczyty płaskości z dokładnością do λ/100, co odpowiada odchyleniu wynoszącemu zaledwie 6,32 nm (632 nm/100). Jednak płynne płaskowniki są bardzo trudne w użyciu i prawidłowym wyrównaniu, dlatego są zwykle używane tylko podczas przygotowywania standardowego płaskiego do kalibracji innych płaskich.

Inną metodą określania absolutnej płaskości jest „test trzech płaskich”. W tym teście porównuje się ze sobą trzy mieszkania o jednakowej wielkości i kształcie. Analizując wzory i ich różne przesunięcia fazowe , można ekstrapolować bezwzględne kontury każdej powierzchni. Zwykle wymaga to co najmniej dwunastu indywidualnych testów, porównujących każde mieszkanie z każdym innym mieszkaniem w co najmniej dwóch różnych orientacjach. Aby wyeliminować wszelkie błędy, mieszkania mogą być czasami testowane, gdy spoczywają na krawędzi, zamiast leżeć płasko, co pomaga zapobiegać zwiotczeniu.

Wyżymanie

Płaskowniki optyczne używane do kalibracji części metalowych

Wyżymanie występuje, gdy prawie całe powietrze zostaje wypchnięte spomiędzy powierzchni, powodując zablokowanie powierzchni, częściowo przez próżnię między nimi. Im bardziej płaskie powierzchnie; tym lepiej będą się wykręcać, zwłaszcza gdy płaskość rozciąga się aż do krawędzi. Jeśli dwie powierzchnie są bardzo płaskie, mogą zostać ściśnięte razem tak mocno, że do ich rozdzielenia może być potrzebna duża siła.

Prążki interferencyjne zazwyczaj tworzą się dopiero wtedy, gdy płaska powierzchnia optyczna zaczyna się wykręcać w kierunku testowanej powierzchni. Jeśli powierzchnie są czyste i bardzo płaskie, zaczną się wykręcać niemal natychmiast po pierwszym kontakcie. Po rozpoczęciu wyżymania, gdy powietrze jest powoli wypychane spomiędzy powierzchni, między powierzchniami tworzy się optyczny klin. Prążki interferencyjne tworzą się prostopadle do tego klina. W miarę jak powietrze jest wypychane, prążki wydają się przesuwać w kierunku najgrubszej szczeliny, rozszerzając się i stając się szersze, ale rzadsze. Gdy powietrze jest wypychane, podciśnienie utrzymujące powierzchnie razem staje się silniejsze. Zwykle nie należy dopuścić do całkowitego wykręcenia powierzchni optycznej, w przeciwnym razie może dojść do zarysowania lub nawet złamania podczas ich rozdzielania. W niektórych przypadkach, jeśli pozostawi się je na wiele godzin, może być potrzebny drewniany klocek, aby je poluzować. Testowanie płaskości za pomocą płaskiego elementu optycznego jest zwykle przeprowadzane, gdy tylko pojawi się realny wzór interferencji, a następnie powierzchnie są rozdzielane, zanim będą mogły się całkowicie wykręcić. Ponieważ kąt klina jest bardzo płytki, a szczelina bardzo mała, wyżymanie może zająć kilka godzin. Przesuwanie płaskiej powierzchni w stosunku do powierzchni może przyspieszyć wyżymanie, ale próba wypchnięcia powietrza nie przyniesie większego efektu.

Jeśli powierzchnie nie są wystarczająco płaskie, jeśli na powierzchni znajdują się warstwy oleju lub zanieczyszczenia lub jeśli między powierzchniami osiadają niewielkie cząsteczki kurzu, mogą one w ogóle się nie wykręcać. Dlatego powierzchnie muszą być bardzo czyste i wolne od zanieczyszczeń, aby uzyskać dokładny pomiar.

Określanie kształtu powierzchni

Wstępne wyżymanie, 532 nm,
Wstępne wyżymanie, białe światło,
Wyżymanie, 1 godzina,
Wyżymanie, 2 godziny,
W pełni wyciśnięte,
W pełni wykręcona w białym świetle. Okno jest raczej wklęsłe niż wypukłe.

Test płaskości okna optycznego ze szkła float . Umieszczając linijkę w poprzek obrazu, obok frędzli i licząc, ile frędzli ją przecina, płaskość powierzchni można zmierzyć wzdłuż dowolnej linii. Okno ma płaskość 4–6λ (~ 2100–3100 nm) na cal.

Optyczny płaski test zarówno w kolorze zielonym, jak i czerwonym. Długości fal są prawie harmonicznymi przeciwieństwami (zielona jest λ/4 krótsza), więc prążki zachodzą na siebie co czwarte czerwone prążki (co piąte zielone prążki), zakłócając się, tworząc żółte prążki.

Prążki zachowują się bardzo podobnie do linii na mapie topograficznej , gdzie prążki są zawsze prostopadłe do klina między powierzchniami. Kiedy zaczyna się wyżymanie, w klinie powietrza występuje duży kąt, a prążki będą przypominać linie topografii siatki. Jeśli frędzle są proste; wtedy powierzchnia jest płaska. Jeśli pozwolimy, aby powierzchnie całkowicie się wykręciły i stały się równoległe, proste prążki rozszerzą się, aż pozostanie tylko ciemny prążek, i całkowicie znikną. Jeśli powierzchnia nie jest płaska, linie siatki będą miały pewne zagięcia, wskazując topografię powierzchni. Proste frędzle z zagięciami mogą wskazywać na podwyższenie lub obniżenie. Proste frędzle z kształtem litery „V” pośrodku wskazują grzbiet lub dolinę biegnącą przez środek, podczas gdy proste frędzle z zakrzywionymi końcami wskazują krawędzie, które są albo zaokrąglone, albo mają podniesioną krawędź.

Jeśli powierzchnie nie są całkowicie płaskie, w miarę postępu wyżymania frędzle będą się rozszerzać i dalej się wyginać. Po całkowitym wykręceniu będą przypominać linie topografii konturów, wskazując odchylenia na powierzchni. Zaokrąglone frędzle wskazują na powierzchnie lekko nachylone lub lekko cylindryczne, podczas gdy ciasne rogi na frędzlach wskazują na ostre kąty na powierzchni. Małe, okrągłe kółka mogą wskazywać na wypukłości lub wgłębienia, podczas gdy koncentryczne okręgi wskazują na kształt stożka. Nierównomiernie rozmieszczone koncentryczne okręgi wskazują powierzchnię wypukłą lub wklęsłą. Zanim powierzchnie całkowicie się wykręcą, te prążki zostaną zniekształcone z powodu dodanego kąta klina powietrza, zmieniając się w kontury, gdy powietrze jest powoli wypychane.

Pojedyncza ciemna grzywka ma taką samą grubość przerwy, biegnącą wzdłuż linii biegnącej przez całą długość grzywki. Sąsiednie jasne prążki wskażą grubość, która jest albo o 1/2 długości fali węższa, albo o 1/2 długości fali szersza. Im cieńsze i bliższe są frędzle; im bardziej strome jest zbocze, podczas gdy szersze prążki, bardziej oddalone od siebie, wskazują na płytsze nachylenie. Niestety, nie można stwierdzić, czy prążki wskazują nachylenie pod górę, czy w dół na podstawie tylko jednego widoku samych prążków, ponieważ sąsiednie prążki mogą przebiegać w obie strony. Pierścień koncentrycznych kół może wskazywać, że powierzchnia jest wklęsła lub wypukła, co jest efektem podobnym do iluzja pustej maski .

Istnieją trzy sposoby sprawdzania kształtu powierzchni, ale najczęstszym jest „test nacisku palca”. W tym teście lekko naciska się płaską powierzchnię, aby zobaczyć, w którą stronę poruszają się frędzle. Frędzle odsuną się od wąskiego końca klina. Jeśli powierzchnia testowa jest wklęsła, po przyłożeniu nacisku na środek pierścieni płaska powierzchnia nieco się wygina, a prążki będą się wydawać przesuwane do wewnątrz. Jeśli jednak powierzchnia jest wypukła, mieszkanie będzie stykać się punktowo z powierzchnią w tym miejscu, więc nie będzie miało miejsca na zginanie. W ten sposób frędzle pozostaną nieruchome, jedynie nieco się poszerzą. Jeśli nacisk zostanie przyłożony do krawędzi mieszkania, dzieje się coś podobnego. Jeśli powierzchnia jest wypukła, mieszkanie będzie się lekko kołysać, powodując przesuwanie się frędzli w kierunku palca. Jeśli jednak powierzchnia jest wklęsła, płaska powierzchnia nieco się ugnie, a frędzle odsuną od palca w kierunku środka. Chociaż nazywa się to próbą ciśnieniową „palcem”, często używa się drewnianego patyczka lub innego narzędzia, aby uniknąć nagrzania szkła (przy czym sam ciężar wykałaczki często wystarcza do naciśnięcia).

Inna metoda polega na wystawieniu płaskiego światła na białe światło, co pozwala na utworzenie tęczowych frędzli, a następnie naciśnięcie środka. Jeśli powierzchnia jest wklęsła, nastąpi punktowy kontakt wzdłuż krawędzi, a zewnętrzna krawędź stanie się ciemna. Jeśli powierzchnia jest wypukła, w środku będzie styk punktowy, a środkowa obwódka stanie się ciemna. Podobnie jak w przypadku hartowanych kolorów stali, frędzle będą lekko brązowawe po węższej stronie frędzli i niebieskie po szerszej stronie, więc jeśli powierzchnia jest wklęsła, niebieski będzie po wewnętrznej stronie pierścieni, ale jeśli wypukła, niebieski będzie być na zewnątrz.

Trzecia metoda polega na przesuwaniu oka względem płaszczyzny. Podczas przesuwania oka od kąta padania zerowego do kąta ukośnego, prążki będą się wydawać ruchome. Jeśli powierzchnia testowa jest wklęsła, prążki będą się wydawać przesuwane w kierunku środka. Jeśli powierzchnia jest wypukła, prążki odsuną się od środka. Aby uzyskać naprawdę dokładny odczyt powierzchni, test należy zwykle przeprowadzić w co najmniej dwóch różnych kierunkach. Jako linie siatki, prążki reprezentują tylko część siatki, więc dolina biegnąca w poprzek powierzchni może być widoczna tylko jako lekkie zagięcie prążka, jeśli biegnie równolegle do doliny. Jeśli jednak płaszczyzna optyczna zostanie obrócona o 90 stopni i ponownie przetestowana, prążki będą biegły prostopadle do doliny i będą widoczne jako rząd konturów w kształcie litery „V” lub „U” na prążkach. Testując w więcej niż jednej orientacji, można sporządzić lepszą mapę powierzchni.

Stabilność długoterminowa

Przy rozsądnej pielęgnacji i użytkowaniu płaskie powierzchnie optyczne muszą zachować swoją płaskość przez długi czas. Dlatego do produkcji często stosuje się twarde szkła o niskich współczynnikach rozszerzalności cieplnej, takie jak topiona krzemionka . Jednak kilka pomiarów laboratoryjnych temperatury pokojowej wykazało, że płaskie powierzchnie optyczne ze stopionej krzemionki poruszają się zgodnie z lepkością materiału rzędu 10 ¹⁷ – 10 ¹⁸ Pa·s . Odpowiada to odchyleniu o kilka nanometrów w ciągu dekady. Ponieważ płaskość powierzchni optycznej jest względna w stosunku do płaskości oryginalnej powierzchni testowej, rzeczywistą (bezwzględną) płaskość w momencie produkcji można określić jedynie poprzez wykonanie testu interferometru z użyciem płaskiej cieczy lub wykonanie „trzech płaskich test”, w którym komputerowo analizowane są wzory interferencji wytwarzane przez trzy mieszkania. Kilka przeprowadzonych testów wykazało, że czasami na powierzchni topionej krzemionki występuje odchylenie. Jednak testy pokazują, że odkształcenie może być sporadyczne, przy czym tylko niektóre płaskowniki odkształcają się podczas okresu testowego, niektóre odkształcają się częściowo, a inne pozostają takie same. Przyczyna deformacji jest nieznana i nigdy nie byłaby widoczna dla ludzkiego oka za życia. (płaska powierzchnia λ/4 ma normalne odchylenie powierzchni 158 nanometrów, podczas gdy płaska λ/20 ma normalne odchylenie ponad 30 nm). lepkość 10 ⁴¹ Pa·s, czyli o wiele rzędów wielkości więcej.

Zobacz też

pierścienie Newtona
Optyczne wiązanie kontaktowe
Płytka wzorcowa , inny rodzaj elementu przeznaczonego do płaskości
- Płytka powierzchniowa