Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ НАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНОК

Цель работы: 1.Овладение интерференционными методами определения качества обработки поверхности с помощью микроинтерферометра Линника МИИ–4

Оборудование: 1. Микроинтерферометр Линника МИИ–4

2. Набор исследуемых образцов, пластинки из меди. Теория

При наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение энергии светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией света.

Явление интерференции применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь конструкционно.

На рис. 1. представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона. Монохроматический свет от источника S падает под углом 45 на плоскопараллельную пластинку Р₁. Сторона пластинки, удаленная от S, посеребренная и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч 1 (отражается от посеребренного слоя) и луч 2 (проходит через него). Луч 1 отражается от зеркала Z₁ и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку Р₁ (луч 1′). Луч 2 идет к зеркалу Z₂, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки Р₁ (луч 2′). Так как первый из лучей проходит сквозь пластинку Р₁ три раза, то для компенсации возникающей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р₂ (точно такая же, как Р₁ , только не покрытая слоем серебра).

Р ис. 1

Лучи 1′ и 2′ когерентны; следовательно, будет иметь место интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала Z₁ и, луча 2 от точки О до зеркала Z₂. При перемещении одного из зеркал на расстояние разность хода обоих лучей увеличится на и произойдет смена освещенности зрительного поля. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр Майкельсона для точного (порядка 10^-7 м) измерения длин.

Если световой пучок от источника S слегка расходящийся, а зеркала Z₁ и Z₂ – перпендикулярны, то наблюдаются полосы равного наклона, имеющие вид концентрических колец.

Если световой пучок от источника S параллельный, а зеркала Z₁ и Z₂ не перпендикулярны, то будет наблюдаться полосы равной толщины как от клиновидной пластинки.

Теория метода

Российский физик В.П. Линник использовал принцип действия интерферометра Майкельсона для создания микроинтерферометра (комбинация интерферометра и микроскопа), служащего для контроля чистоты обработки поверхности.

Микроинтерферометр Линника МИИ–4 предназначается для визуальной оценки, измерения и фотографирования высоты неровностей тонко обработанных поверхностей. Он применяется в лабораториях, занимающихся вопросами чистоты обработки поверхностей.

На практике для получения двух систем волн способных интерферировать, пользуются разделением пучка лучей, (как и в интерферометре Майкельсона) исходящих из одной точки источника света, на два пучка. В микроинтерферометре МИИ–4 в качестве разделяющей системы используется наклонная плоскопараллельная пластинка, имеющая полупрозрачное светоделительное покрытие. Половину падающего на неё света пластинка отражает, половину пропускает, вследствие чего образуются две системы волн, способных интерферировать. В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы. Разность хода интерферирующих лучей от центра поля к краям увеличивается и проходит все значения: 0; и так далее, где  – длина волны света. В точках поля, где разность хода равна , 2, 3 и так далее, в результате интерференции пучков получаются светлые полосы, а в точках, где разность хода равна и так далее – темные полосы.

В поле зрения микроинтерферометра наблюдаются одновременно интерференционные полосы и исследуемая поверхность. Перемещение исследуемой поверхности 24 вверх или вниз на какую-либо малую величину вызывает изменение хода луча на двойную величину перемещения поверхности, так как свет проходит это расстояние дважды.

Изменение хода луча в одной ветви прибора вызовет изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего полосы в поле зрения сместятся. При смещении исследуемой поверхности на величину, соответствующую половине длины световой волны , полосы в поле зрения сместятся на один интервал между ними. Длина волны выбирается в середине видимого участка спектра.

Если на исследуемой поверхности имеется бугор или впадина, то в этом месте меняется разность хода и, следовательно, полосы смещаются. Так, например, высота неровности на поверхности величиной 0,275 мкм вызовет искривление полосы в поле зрения прибора на величину всего интервала между полосами (на одну полосу). При измерении величину искривления выражают в долях интервала между интерференционными полосами. Зная длину волны света, можно получить высоту неровности в микрометрах или миллиметрах.

При измерении высоты неровности на цилиндрических деталях в поле зрения наблюдаются две системы интерференционных полос, расположенных симметрично относительно образующей цилиндра. При установке сферических объектов в поле зрения наблюдаются кольца. Вид поля зрения при установке сферических объектов показан на рис. 2, цилиндрических объектов на  рис.3

Рис. 2 Рис. 3

Оптическая система

Оптическая схема интерферометра показана на рис. 4.

Рис.4

Лучи от источника света 1 проходят систему линз 2, апертурную диафрагму 3, проекционный объектив 4 и параллельным пучком падают на разделительную пластинку 5, на одной стороне которой нанесено светоделительное покрытие. Разделительная пластинка делит падающий на нее пучок света пополам: одну половину она отражает, другую – пропускает.

Пучок лучей, отраженный от пластинки 5, собирается в фокусе объектива 6 на исследуемой поверхности 24, после отражения от которой снова проходит через объектив 6, пластину 5 и собирается в фокусе объектива 7, где наблюдается изображение исследуемой поверхности. Зеркало 8 направляет пучки лучей в визуальный тубус.

Второй пучок лучей, пройдя через разделительную пластинку 5, падает на компенсатор 9, после чего собирается в фокусе объектива 10 на эталонном зеркале 11, отразившись от которого снова падает на пластинку 5 и, отражаясь от нее, интерферирует с лучами первой ветви интерферометра, образуя резкое изображение интерференционных полос в бесконечности. Это изображение объективом 7 переносится в фокальную плоскость окуляра 12.

Таким образом, изображение интерференционных полос и исследуемой поверхности получаются в фокальной плоскости окуляра и налагаются друг на друга.

Для работы с монохроматическим светом, то есть светом определенной длины волны прибор снабжен двумя интерференционными светофильтрами 13, которые включаются и выключаются из хода лучей перемещением направляющей. Светофильтры отличаются друг от друга своими характеристиками.

Конструкция микроинтерферометра МИИ–4 показана на рис. 5.

24

Рис. 5

Подготовка прибора к работе

1. Поверните регулятор яркости света 18 на блоке питания 22 до упора влево, после этого включите прибор в сеть.

2. Полностью откройте апертурную диафрагму 3, поставив кольцо 15 на метку «1/1».

3. Рукоятку 16 поверните так, чтобы стрелка на ней стала вертикально.

4. Включите осветительную лампу 17 (выключатель 23 в рабочее положение) и положите на предметный столик 14 объект 24 исследуемой поверхностью вниз.

5. С помощью микрометрического винта 19 сфокусируйте микроинтерферометр на исследуемую поверхность.

6. Включите правую часть интерференционной головки, для чего поверните рукоятку 16 так, чтобы стрелка на ней была в горизонтальном положении, при этом в поле зрения должны быть видны интерференционные полосы.

7. С помощью микрометрического винта 19 добейтесь наиболее резкого изображения полос и исследуемой поверхности.

8. Уменьшите отверстие апертурной диафрагмы 3, повернув кольцо 15 до метки «1/8», для получения большей контрастности.

9. Вращением винта 20 вокруг оси установите интерференционные полосы перпендикулярно к неровностям («царапинам») на исследуемой поверхности.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЧИСТОТЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

При правильной настройке микроинтерферометра в его поле зрения должны быть видны одновременно исследуемая поверхность и интерференционные полосы, изогнутые в местах, где проходят царапины, причем интерференционные полосы должны быть ориентированны перпендикулярно к направлению «царапин».

Глубина царапины определяется по формуле:

Н = 0,27ΔN (мкм), (1)

где Н – глубина «царапины»,

ΔN – величина изгиба полосы в долях интервала.(Методика определения ΔN описана ниже)

Для проведения измерений винтовой окулярный микрометр МОВ – 1 – 15^х (21) следует повернуть так, чтобы одна из нитей перекрестия совпала с направлением интерференционных полос, а другая – с направлением царапин на исследуемой поверхности (рис. 6).

Для определения величины неровностей необходимо измерить величину интервала между полосами, величину изгиба полос и вычислить высоту неровности поверхности.

Рис. 6

На рис. 7. показан вид узкой полоски поля зрения прибора в увеличенном масштабе, и указано правильное расположение горизонтального штриха перекрестия винтового окулярного микрометра при измерении.

Рис. 7

Первый отсчет N₁ (точка А) производится по шкале винтового окуляра микрометра при совмещении одной из нитей перекрестия подвижной сетки с минимумом одной из интерференционных полос (нижней). Целое число делений снимается со шкалы подвижной сетки микрометра (рис. 7), десятые и сотые доли – со шкалы барабана.

Затем эту же нить перекрестия совмещают с минимумом следующей (верхней) полосы и снимается второй отсчет N₂ (точка В). В данном случае число интервалов между полосами n = 1

Величину изгиба полос N₃ N₄ также выражают в делениях шкалы барабана винтового окулярного микрометра. Отсчет N₃ совпадает с отсчетом N₁ (точка А).

Нить перекрестия совмещают с максимумом нижней полосы и получают отсчет N₄ (точка С).

Величина изгиба полосы в долях интервала между полосами выражается формулой:

. (2)

Отсчеты N₁ и N₂ получены при измерении интервала между полосами, а N₃ и N₄ – при измерении величины изгиба полосы.

Искривление в одну интерференционную полосу (это значит изгиб равен величине одного интервала) соответствует высоте неровности на исследуемой поверхности, равной 0,27 мкм = , где  соответствует середине видимого диапазона (0,54 мкм) Высота неровности Н вычисляется по формуле:

(мкм), (3)

где n – число интервалов между полосами, в нашем случае n = 1.

Измерения и выполнение работы

1. Произведите настройку прибора на образце, указанном преподавателем.

2. Добейтесь четкого изображения интерференционных полос.

3. Снимите отсчеты N_1, N₂, N₃, N₄. Измерения произведите не менее трех раз для данного участка поля зрения.

4. По формуле (3) вычислите высоту неровности.

5. Полученные данные занесите в табл.1. и вычислите значение высоты неровности.

Таблица 1

№ п/п	N1, дел	N2, дел	N3, дел	N4, дел	Н, мкм
1
2
3
Среднее