4079

Исследование качества полированной поверхности с помощью микроинтерферометра Линника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы – знакомство с явлением интерференции света и с его использованием в метрологии. Получение практических навыков работы с высокоточным измерительным оптическим прибором и определение качества полированной поверхности исследуемого обр...

Русский

2012-11-12

788.5 KB

63 чел.

Цель работы – знакомство с явлением интерференции света и с его использованием в метрологии. Получение практических навыков работы с высокоточным измерительным оптическим прибором и определение качества полированной поверхности исследуемого образца.

Приборы и принадлежности :

  •  микроинтерферометр Линника МИИ-4;
  •  винтовой окулярный микрометр МОВ-1-15;
  •  исследуемый образец;
  •  пакет компьютерных программ по моделированию процесса определения шероховатости поверхности исследуемого образца.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Теоретическую основу данной лабораторной работы составляет явление интерференции, подтверждающее волновую природу света.

Световое излучение представляет собой электромагнитные волны, длины волн которых в вакууме лежат в пределах от 380 до 770 нм; более короткие и более длинные волны (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение) не вызывают у человека зрительные ощущения и регистрируются специальной аппаратурой.

Электромагнитная волна представляет собой процесс распространения в пространстве периодически изменяющегося электромагнитного поля. Изменение электромагнитного поля в каждой точке пространства удобно характеризовать колебаниями двух взаимно перпендикулярных векторов: вектора напряженности электрического поля  и вектора индукции магнитного поля . Электромагнитную волну можно графически представить в виде двух синусоид, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 1). Одна синусоида отражает колебания вектора , а другая – вектора . Оба вектора колеблются в одинаковых фазах. Это означает, что векторы  и  одновременно и в одних и тех же точках пространства достигают своего максимального или минимального значения.

Вектор скорости распространения электромагнитной волны перпендикулярен векторам  и . В электромагнитной волне векторы  и  совершают гармонические колебания с одинаковой частотой . Если в некоторой точке пространства  (см. рис. 1) в данный момент времени напряженность электрического поля

,

где  –

амплитуда;

круговая частота,

то в точке , отстоящей от  на расстоянии , согласно уравнению волны, напряженность будет описываться выражением

. (1)

Здесь  –

период колебаний;

 

скорость света в вакууме;

длина волны.

Рис. 1

По аналогичным формулам вычисляется значение вектора , но поскольку зрительные органы человека не реагируют на магнитную составляющую электромагнитного поля, то расчет полей обычно ведут по вектору .

Интерференцией света называется явление усиления волн в одних точках пространства и ослабление их в других в результате наложения двух или нескольких световых волн. Пространство, в котором волны накладываются и интерферируют, называют интерференционным полем.

Если в интерференционное поле поместить отражающий экран, то на нем будет наблюдаться интерференционная картина, представляющая собой набор чередующихся полос с максимальной и минимальной освещенностью. Устойчивую во времени и достаточно контрастную интерференционную картину дают только одинаково поляризованные когерентные волны, т.е. волны с взаимно параллельными векторами E одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз.

Первая экспериментальная установка для демонстрации интерференции света была создана в 1802 г. Юнгом. Он же впервые и объяснил это явление, хотя до него такие попытки делались Ньютоном.

Опыт Юнга состоит в следующем: малое отверстие  в непрозрачном экране освещается интенсивным источником (рис. 2). Отверстие, согласно принципу Гюйгенса, становится новым источником полусферических волн. Эти волны достигают два узких щелевых отверстия  и , которые в свою очередь становятся источниками волн, накладывающихся друг на друга и образующих интерференционное поле.

Рис. 2

Щели  и  расположены на равных расстояниях от источника , поэтому световые волны достигают их в одно и то же время и в одинаковых фазах. В результате щели становятся вторичными источниками когерентных волн. Накладываясь друг на друга в некоторой точке M интерференционного поля, волны, в зависимости от их разности фаз, усиливают или ослабляют друг друга.

Существуют различные методы получения интерференционной картины, например, с помощью зеркала Ллойда, бизеркала или бипризмы Френеля и др., но все они сводятся к образованию и наложению одинаково поляризованных когерентных волн.

Произведем расчет интерференционной картины от двух когерентных источников (рис. 3). Для простоты рассмотрим случай интерференции монохроматических световых волн. Очевидно, что фазы колебаний векторов  и , определяющие их значения в некоторой точке M, согласно уравнению волны (1), зависят только от расстояний  и , а мгновенные значения напряженностей в этой точке будут описываться выражениями:

и ,

где  – амплитудное значение вектора напряженности каждой из волн в точке M.

Рис. 3

Для определения модуля вектора E результирующей волны в точке M произведем сложение:  и, воспользовавшись преобразованием

,

получим

. (2)

Таким образом, в результате сложения получилась волна с той же частотой , но с результирующей амплитудой , зависящей от :

. 3)

Разность  называют геометрической разностью хода волн, приходящих в точку M от источников  и .

Максимально возможное значение амплитуды, как следует из (3), , а минимально возможное – . Интенсивность света, а, следовательно, и освещенность экрана, помещаемого в интерференционное поле, пропорциональны квадрату амплитуды напряженности электрического поля. В результате, темными окажутся те точки, где  и, соответственно,  буду равны нулю. В этих точках аргумент косинуса в формулах (2) и (3) должен быть равен нечетному числу , т. е.

(4)

Подставляя  в формулу (4), найдем расположение точек, в которых происходит полное взаимное «гашение» двух монохроматических световых волн, имеющих в этих точках одинаковую амплитуду :

,

где  - целое число.

Откуда

, (5)

т.е. в точках, отстоящих от источников света  и  на расстояниях, удовлетворяющих выражению (5), света не будет.

Расположение точек, в которых амплитуда A результирующей напряженности E имеет максимум, определим из условия:

,

которое выполняется, если

. (6)

Подставляя  в формулу (6), получим

. (7)

Пусть источники когерентных волн  и  находятся друг от друга на некотором расстоянии d (рис. 4).

Рис. 4

Экран Э установлен от источников на расстоянии . На экране будет наблюдаться интерференционная картина, и освещенность экрана в некоторой точке M будет зависеть, как это было показано выше, от разности хода . Получим формулу для вычисления разности хода. Как видно из рис. 4, при условии, что d и l много меньше L, можно записать , или

. (8)

Так как пропорциональна l, то с ростом l периодически будут выполняться то условия минимума, то максимума, и на экране будет наблюдаться интерференционная картина в виде периодически чередующихся темных и светлых полос.

Интерференционную картину, создаваемую когерентными волнами, можно наблюдать визуально, фотографировать, измерять расстояние между светлыми и темными полосами и т.д. Некогерентные лучи не дают стабильной интерференционной картины. Непрерывное изменение фаз складываемых колебаний в каждой точке пространства создает быстро меняющуюся картину, которую невозможно использовать для измерительных целей.

Явление интерференции света широко применяется в технике в частности, для прецизионных измерений длин, углов, оценки качества обработки поверхности и др.

2. ОПИСАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА
И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИ
Й

Оптические измерительные приборы, действие которых основано на использовании интерференции света, называют интерферометрами. Для получения двух когерентных световых волн в интерферометрах используют светоделитель, выполненный либо в виде полупрозрачного зеркала, либо в виде призмы-куба с полупрозрачной гипотенузой. Светоделитель расщепляет световую волну на две части – отраженную и прошедшую через него. Полученные таким образом когерентные волны проходят различные оптические пути, отражаются от специальных зеркал и с помощью того же светоделителя направляются в объектив микроскопа или зрительной трубы, с помощью которых и наблюдают интерференционную картину. На рис. 5 показана оптическая схема интерферометра Линника. В качестве светоделителя в интерферометре используется призма-куб с полупрозрачной гипотенузой. Роль одного из зеркал выполняет изучаемая поверхность.

                                             Исследуемая поверхность

Рис. 5

Плоская световая волна (параллельный пучок света) от источника направляется на светоделитель и разделяется им на две волны 1 и 2 .

Первая волна, отразившись от зеркала и от полупрозрачной гипотенузы светоделителя, попадает в объектив микроскопа. Вторая волна, отразившись от исследуемой поверхности и пройдя сквозь посеребренную гипотенузу куба, также поступает в микроскоп. Эти волны когерентны и интерферируют. В микроскопе наблюдается интерференционная картина. Ее характер определяется разностью хода, возникающая при прохождении волн (пучков) 1 и 2 от полупрозрачной гипотенузы куба до соответствующих зеркал и обратно. Если исследуемая поверхность – идеально плоское зеркало, установленное перпендикулярно основному зеркалу, то все поле зрения микроскопа будет ровно освещено, т.к. в любой его точке обе волны будут иметь одну и ту же разность хода. Степень освещенности поля микроскопа будет зависеть от того, чему равна эта разность хода. Если , то освещение максимально, а если , то поле темное. Если одно из зеркал повернуть на небольшой угол, то разность хода волн будет линейно изменяться от точки к точки поверхности этого зеркала и в микроскопе будет наблюдаться интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Если исследуемая поверхность имеет дефекты, то в местах выступов или впадин интерференционные полосы искривляются. Искривление полос вызывается изменением длины пути, проходимого световой волной при ее отражении от впадин или выступов. Величина искривления полос тем больше, чем больше высота неровности или глубина царапины (рис. 6).

Рис. 6

В данной работе используется микроинтерферометр Линника МИИ-4, предназначенный для визуальной оценки, а также измерений и фотографирования высоты неровностей обработанных поверхностей.

В поле зрения микроинтерферометра МИИ-4 видны одновременно исследуемая поверхность и интерференционные полосы [при использовании полихроматического (белого) света - это цветные линии].

Измерение величины искривления и расстояния между полосами (интервала или периода интерференционной картины) осуществляется винтовым окулярным микрометром МОВ-1-15 , который прилагается к интерферометру.

Прибор МИИ-4 позволяет измерять высоты неровностей в пределах от 1 до 30 мкм, что соответствует чистоте обработки поверхности от 10 до 14 класса включительно по ГОСТ 2789–73 (всего, в зависимости от качества обработки, поверхности оцениваются по ГОСТу 14 классами шероховатости).

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
НА МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРЕ

3.1. Настройка микроинтерферометра

1. Включите лампу 12 и положите испытуемую деталь 11 на столик прибора исследуемой поверхностью вниз (к объективу) (рис. 7). Для настройки правильного освещения необходимо обратиться к лаборанту. 

Рис. 7

2. Поверните рукоятку 2 так, чтобы отгравированная на ней стрелка расположилась вертикально, и с помощью микрометрического винта 4 сфокусируйте интерферометр на исследуемую поверхность (получите ее резкое изображение).

3. Поворотом рукоятки 2 включите головку объектива 5 (стрелка на рукоятке должна расположиться горизонтально); при этом в поле зрения должны быть видны интерференционные полосы (аналогичные, изображенным, на рис. 6).

4. С помощью микрометрического винта 1 добейтесь наиболее резкого изображения полос и такого положения, при котором в поле зрения будут видны одновременно изображение контролируемой поверхности и интерференционная картина.

5. Для получения бóльшей контрастности полос рекомендуется поворотом кольца 7 несколько уменьшить отверстие апертурной диафрагмы.

6. Необходимый для работы интервал между полосами интерференционной картины установите вращением головки винта 3 вокруг собственной оси.

7. Поворотом винта 3 вокруг оси головки объектива 5 установите интерференционные полосы перпендикулярно штриху (исследуемой царапине) на испытуемой поверхности.

8. Для работы с монохроматическим светом включите один из светофильтров сдвинув пластину 6 до упора.

3.2. Измерение с помощью винтового окулярного микрометра
и обработка результатов

Оценка качества полированной поверхности производится по результатам ряда измерений, выполняемых с помощью окулярного микрометра. Перед началом измерений следует, поворачивая окулярный микрометр 8 вокруг своей оси, выставить его так, чтобы подвижный индекс, состоящий из двух рисок, совпал с направлением интерференционных полос (в неискривленной их части) (рис. 8).

Рис. 8

Затем для определения высоты или глубины одной из находящихся в поле зрения микроинтерферометра неровностей, выполните следующие операции:

а) измерьте интервал между интерференционными полосами d;

б) измерьте высоту изгиба полосы N;

в) вычислите глубину или высоту неровности h по формуле

,  (9)

где  среднее значение длины волны используемого освещения: для белого света (в отсутствии светофильтра) принимается 0,54 мкм., в случае желтого светофильтра – 0,59 мкм., а в случае зеленого светофильтра – 0,55 мкм.

Для определения интервала между интерференционными полосами   и высоты их изгиба перекрестие в поле зрения окулярного микрометра совместите с серединой одной из темных полос, а затем по неподвижной шкале в поле зрения и по барабану микрометрического винта произведите отсчет величины . Полные миллиметры отсчитываются по шкале, десятые и сотые доли миллиметра – по барабану винта. Вращая барабан микрометрического винта, совместите перекрестие с серединой соседней темной полосы и производите отсчет величины , а затем наведите перекрестие на вершину изгиба этой полосы и произведите отсчет величины . По формулам

,  (10)

(11)

вычислите интервал между интерференционными полосами и  высоту изгиба. Локальную глубину неровности определите по формуле (9).

Таблица 1

№ цара-

пины

№ изме-рения

, мм

, мм

, мм

, мм

, мм

, мкм

, мкм

, мкм

1

1

2

3

2

1

2

3

3

1

2

3

Пункты «а», «б» и «в» для одной и той же царапины следует повторить еще два раза, выбирая в качестве начальной каждый раз другую интерференционную линию. Среднее значение глубины выбранной неровности найдите путем усреднения

, (12)

где  - измерений, выполненных для -ой царапины.

Все измеренные и вычисленные величины занесите в табл. 1.

Перемещая столик с образцом винтами 9 и 10, (см. рис. 7), в поле зрения окулярного микрометра введите другую неровность и для нее произведите описанные выше измерения и расчеты.

Для получения усредненного значения неровности по всей исследуемой поверхности

 (13)

необходимо найти среднюю высоту или глубину как минимум трех неровностей на этой поверхности. В формуле (13)  - число исследованных царапин.

Получив значение , определите класс шероховатости поверхности по табл. 2, в которой приведены предельные значения  для пяти классов шероховатости поверхности по ГОСТ 2789–73.

Таблица 2

Класс шероховатости

10

11

12

13

14

, мкм

0,5–0,8

0,25–0,5

0,12–0,25

0,06–0,12

до 0,06

Примечания:

Если царапина имеет глубину h за пределами классов 10–14, то прибор МИИ-4 измерения не выполнит.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
НА КОМПЬЮТЕРНО
М ИМИТАТОРЕ

  1.  На экране монитора в меню «Физическая лаборатория», подведя курсор и щелкнув левой кнопкой мыши, откройте раздел «Оптика и квантовая физика». Затем этой же кнопкой выберите лабораторную работу «Исследование качества полированной поверхности с помощью микроинтерферометра Линника» и, подведя курсор, активируйте клавишу «Выполнить». При этом откроется окно с изображением и описанием имитируемого прибора. Ознакомившись с прибором, активируйте левой кнопкой мыши клавишу «Выполнить» и войдите в окно с изображением поля зрения окулярного микрометра, вспомогательного рисунка и таблицы, в которую компьютерная программа будет заносить результаты измерений.
  2.  Выберите в поле зрения окулярного микрометра одну из царапин.
  3.  Совместите перекрестие окулярного микрометра с центральной линией любой темной интерференционной полосы этой царапины (в пределах неискривленного участка линии, т.е. выше или ниже изгиба). Управляйте перекрестием с помощью стрелок клавиатуры.
  4.  Нажав кнопку «Записать», занесите значение  в экранную таблицу.
  5.  Переместите перекрестие на соседнюю центральную линию и, нажав кнопку «Записать», занесите значение  в экранную таблицу.
  6.  Перемещая перекрестие вверх или вниз, а затем вправо или влево наведите его на вершину изгиба этой линии. Нажмите кнопку «Записать», и занесите значение  в экранную таблицу.
  7.  Повторите п.п. 3-6 еще два раза, выбирая в качестве начальной линии каждый раз центральную линию другой темной интерференционной полосы. Результаты измерений перенесите с экранной таблицы в табл. 1 тетради.
  8.  Нажмите кнопку «Новый опыт» и, выбрав в поле зрения окулярного микрометра новую царапину, повторите п.п. 3-7 с тем, чтобы получить девять наборов параметров ,  и для трех царапин.
  9.  Используя формулы (10), (11), (9) и (12) вычислите значения локальных интервала между интерференционными полосами , высоты изгиба , глубины царапины , а также  среднее значение глубины каждой из трех исследованных царапин .
  10.  По формуле (13) вычислите усредненное значение глубин царапин по всей исследуемой поверхности , а результаты всех вычислений занесите в табл. 1.
  11.  Используя  полученное значение  и данные табл. 2 определите класс шероховатости исследованной поверхности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое электромагнитные волны, какими физическими величинами они характеризуются?

2. В чем заключается явление интерференции света? Какие волны называются когерентными? Опыт Юнга.

3. Каковы условие максимума и минимума интерференционной картины?

4. Каков принцип работы интерферометров?

5. Почему искривляются интерференционные полосы в интерферометре?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. 17-е изд. стереотипное – М.: Академия ИЦ, 2008. 560 с.

2. Курс общей физики: В 3 кн. Кн. 2. Электромагнетизм. Волновая оптика. Квантовая физика: Учебное пособие / Б.В.Бондарев, Н.П.Калашников, Г.Г. Спирин. – М.: Высшая. школа, 2005. 438 с.

3. ГОСТ 278973. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.


Царапина

арапина

Царапина


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23300. Англійський романтизм 16.96 KB
  13 Англійському романтизму передував значно довший ніж у Німеччині або Франції період предромантизму. Ці дві тенденції заглиблення в суто національне провінційне сільське життя з одного боку й опанування простором далеких країн і континентів аж до космічного простору включно з іншого складають своєрідність національного варіанту романтизму. стала першим естетичним маніфестом англійського романтизму. романтизму Байрон Скотт ств.
23301. Байрон. Еволюція творчості 24.95 KB
  Байронізм. Поема Манфред Байронічна течі байронізм не прийняття дійсності відторгнення. Мазепа Цікавою особливо для українського читача є романтична поема Мазепа останній з творів про сильну особистість байронічного типу.
23302. Історія української культури 22.5 KB
  Українська наука та національна культура. Народна культура та її матеріальні і духовні складові та їх елементи. Культура і побут населення України 1. розвитку і представлений кількома історикогеографічними регіонами: Полісся та Волинь Волинська Рівненська Житомирська Чернігівська частина Київської та Сумської областей Карпати Львівська ІваноФранківська Закарпатська Чернівецька області Поділля Хмельницька Рівненська частина Житомирської областей Наддніпрянська Україна або середина Подніпровя Черкаська Кіровоградська...
23303. Культурно-мистецьке життя Київської держави 26 KB
  Запровадження християнства Образотворче мистецтво Київської держави архітектура Літературний процес Київської держави Література: 1. Перша стадія Київської держави умовно поділяється на два великих етапи згідно з археологічними розкопками та літописами: VIII початок ІХ ст. про хрещення Київської держави за князя Аскольда.
23304. Культурно-мистецьке життя Київської держави. Літературний процес 16 KB
  Літературний процес Традиції писемності давніх словян зокрема давньословянських племен Київської держави повязані з писемністю цивілізацій Давнього Світу свідченням чого є написи малюнковозвукового письма у кургані €œКамяна Могила€ у Запорізькії області в якій відображена історична самосвідомість зокрема уявлення про те як вони з Індії з Месопотамії прийшли до Карпат. Отже на території Київської держави існували цивілізації при чому в ІХХ ст. Літературні памятки Київської держави умовно поділяються на: Перекладна література:...
23306. Етномовні макроспільності первісності - загальна хар-ка; індоєвропейська родина 19 KB
  Ностратична макроспільнота Ескалеутська родина екімоси алеути мови народів Півночі Алтайська родина тюркська татарська узбецька киргизька туркменська турецька монгольська бурятська калмицька Уральські мови фіноугорські мови та діалекти Дравідійська родина еламська протоіранська Картвельська грузинська та діалекти народів Закавказзя Індоєвропейська 12 мов та мовних груп: 1. індоіранські давньоіндійські мови зокрема мова Вед санскрит давньоіранські мови Авести 3. тохарські мови 7. альбанські мови 8.
23307. Археологічні культури первісності на території України 18.5 KB
  ; €œІсторія української культури€ т. 1 Основні етапи розвитку матеріальної та духовної культури первісного суспільства на території України 1. Головним обєктом дослідження історії первісних суспільств зокрема на території України є так звані археологічні культури група або декілька груп чи комплексів груп матеріальних викопних археологічних знахідок які харся трьома спільностями: спільність території поширення цих памяток часу або хронологічного періоду поширення технології виготовлення 1 знаряддя праці з природних та штучних...