3分钟了解剪切干涉术

作者：徐德衍、王向朝、戴凤钊、曾爱军、孙建锋，中国科学院上海光学精密机械研究所

光学在现代科学技术中占有重要地位。在光学应用中，光干涉有其特殊的意义。许多精密测试工作，都是依靠光干涉技术实现的，对于某些测试任务的解决，干涉法甚至是唯一可行的理想选项。

干涉仪出现距今已有100多年历史。一般来说，普通干涉仪器的价格昂贵、使用效率较低，工作环境（温度、湿度、振动、气流等）要求较苛刻，而且往往需要专门技术人员操作，调整花费时间，仪器又不能随身携带使用。因此，在应用上受到一定的限制。

光学工程技术人员渴望一种对外界干扰不甚灵敏、制作简单、携带方便、操作容易、造价低廉的干涉仪，能够检验大口径普通镜面、特殊镜面或大范围的气场流动等。

另外，对于运转中的激光器的输出波面参数与性能的干涉检验，很难想象可以预先制作一个与之相比较的标准激光波面。

所有这些，导致一种不需要标准波面的波前“剪切”干涉术应运而生。

这种干涉仪的基本原理是，以被检验波前自身的、与其被剪开的波前之间在重叠范围内相干涉，来评价被检验波前本身的缺陷。

已经实现的剪切干涉仪有几种类型：

就波前的剪切方式而言，可分为横向的、径向的、旋转的、翻转的等；

按剪切量固定与否，可分为固定剪切干涉仪和可变剪切干涉仪两种。从研究深度和使用广度的观点出发，横向剪切干涉仪获得了最为广泛的应用。

剪切干涉仪的发展史，伴随着解析剪切干涉图形各种方法不断完善的历史。新兴现代光学技术的发展，为其进一步发展与应用开拓了新的领域。

剪切干涉仪是干涉仪的重要一类，它具有普通干涉仪的某些特性，又有它本身的某些独特性能。

（1）所有干涉仪都是以光波长的倍数或份数为度量单位，精度高、灵敏度高；

（2）各种干涉检验方法，大都可以进行定量检验，剪切干涉仪也能进行定量检验，获得定量结果。只是由于没有标准波面，被测波面变化与干涉条纹弯曲的对应关系不如普通干涉仪条纹那样明显、直观。分析波面变形比较麻烦，不像普通干涉仪那样方便；

（3）剪切干涉仪不受口径大小的限制，从原理上讲可以检验任意尺寸的镜面或系统，加上一定的辅助元件可使检验范围十分广泛；

（4）一般说来，普通干涉仪必须使用单色光源或准单色光源才能获得对比度良好的干涉图样。对于某些剪切干涉仪，由于相干的两束光之间程差很小，接近于等程干涉，因而对光源无特殊要求，一般一起用的白炽灯泡即可清洗观测到彩色剪切干涉图样。如果适当控制光源狭缝宽度，非常容易得到对比度很高的剪切干涉图样；

（5）剪切干涉仪一般属于等程干涉，对外界干扰不甚灵敏，无防振条件下也能清洗、稳定的观测干涉条纹；

（6）对棱镜剪切干涉仪来说，对被检验镜面或系统无反射（透过）率要求。在光学车间的加工过程中，随时擦干净镜面，便可以进行剪切干涉检验。一强光进入干涉仪分成等强度的两束较强的光，一弱光进入干涉仪，同样分成等强度的两束较弱的光，因而，总可以得到对比度良好的干涉图样；

（7）各种（棱镜、平板、光栅）剪切干涉仪，结构都十分简单，加工制作容易，与普通干涉仪相比，成本费用及其低廉。由于体积小、简单，因而携带方便，随处可以使用。调整也较简单、方便，无需专门的操作人员，经过简单培训的一般工人很容易掌握、使用。

剪切干涉仪存在某些不足，也确实有其特色及可取之处，因而在选取检验方式时，应权衡各方面的利弊，确定廉价、简易而又满足要求的检验方法。

目前，剪切干涉仪的日趋发展和广泛应用，正说明它是一种可取的检验方法。

剪切干涉术与剪切干涉仪的应用可概括为如下内容：

在光学检验中，它可以用来检验一般光学零件、大型光学镜面及各种光学系统的质量；在光学测量中，应用剪切干涉仪可以测量光学零件参数，检验仪器精度和评定光学仪器装配质量等；应用剪切干涉法，可以检验各种大尺寸光学材料玻璃、晶体等的均匀性及其他缺陷；在监测激光束波面，剪切干涉仪对监测运转中的高功率铁玻璃多级放大器的激光束波面有其特殊的意义，成为获得激光光速性能及参量的重要手段之一；在特殊光学元件，尤其是在非球面检验中的应用也是其一个重要方面；在气体动力学的流场研究中，它也展现了新的应用前景。

众所周知，实现计算光学传递函数的两大方法之一即自相关法。在光学传递函数测量上，实现自相关法的手段，就是各种不同形式的剪切干涉法，有多板复杂型的、单板简单型的、光栅型的、偏光棱镜型的；有固定剪切的、可变剪切的等。所有这些不同类型的剪切干涉仪，在不同目的的光学传递函数测量中，都获得了实际应用。

近年来剪切干涉术的应用领域还在不断地开拓。例如，用其精确控制焦点位置，以便测量单透镜材料的折射率。在一些高端光学与激光工程技术中也获得了特殊的应用，如激光通信领域，在紫外、深紫外波段光刻镜头的质量评定方面，在高功率激光工程等领域都获得了无可替代的应用。