光的干涉原理与白光干涉测厚仪

严循东  2022年8月24日

1、光的干涉原理

光的干涉原理是多列光速在某些空间中相遇，这种情况就互相折叠，在某些区域里面始终加强，当然在另一些区域里始终减弱，形成了一个强弱分布的视觉现状。干涉现象通常表现为光场强度在空间作相当稳定的明暗相间条纹分布；有时则表现为，当干涉装置的某一参量随时间改变时，在某一固定点处接收到的光强按一定规律作强弱交替的变化。

2、干涉（interference）

指两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加，形成新的波形现象。这是从光是一种波（即波动性）的角度来解释干涉现象，对于两束电磁波的干涉，我们也可以将其描述为：彼此振动的电场强度向量叠加的结果。而在实验中，光会体现出一种波粒二象性，即光是一种概率波。当光的粒子数密度极高（或数量极高），且探测仪器分辨本领远低于一个光子的能量时，则可以看做是经典电磁波，遵循麦克斯韦方程组。因此，从光的粒子性角度来描述干涉，就是：光的干涉也是光子自身的概率幅（probability amplitude，描述粒子的量子行为的复函数）叠加的结果。

虽然光在某种程度上表现出粒子性，但是在当前（二十一世纪初）以干涉术为手段的量测手段中，我们大多数情况下只考虑光的波动性，即以光是电磁波为主的几何光学原理作为参考。

在波恩与沃尔夫的《光学原理：光的传播、干涉和眼内设的电磁理论》书中，通过一段实验上的现象描述引入干涉的概念：

例如，如果用适当的仪器把光源来的光分成两束，然后把他们叠加起来，就会发现叠加区域中的强度在极大与极小之间逐点变化：极大超过二光束强度之和，极小可能是零。这种现象称为干涉。

看似很随性、甚至叙述语言很不像定理的一句话，囊括了形成干涉现象的四大条件：

光的理想干涉条件（The conditions of light's interference）

频率相同/波长相同；

电磁场振动方向相同；

相位差恒定；

两光波光程差小于波列长度/相干波路径间距小于相干长度。

这里第四点的两个名词非常容易产生误区：光程、波列。

光程字面意思是光的路程，英文为optical path，但是光程并不是指光在空间坐标系中行进的路程，也就是说，空间距离不被作为描述光程的物理量。光作为一种电磁波，描述电磁波的物理量有频率、波长、振幅，在不同介质中光的频率不变，波长改变，因此空间距离来描述光的“路程”是非常不严谨的。因此，光程在定义上就有了与字面含义截然不同的意思：

光程是一个折合量，可理解为在相同时间内光线在真空中传播的距离。在传播时间相同或相位改变相同的条件下，把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程。在数值上，光程等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程。也就是说，光程是按波长数量/相位周期算的（电磁波在不同折射率介质传播中，频率不变，波长改变），两束初始相位相同的光，在经过不几何同路径汇集与空间内一点，两束电磁波经过的相位周期之间的差值即为光程差。只是在不同折射率下，都可以换算成该电磁波在真空中传播的距离，即光行径的几何路径的长度 s 与光在该介质中的折射率 n 的乘积，用 Δ 表示，即：

Δ = n.s

如果折射率沿光的路径有变化，则光程为：

Δ = ∫_c n(s)ds

两条光线光程的差值叫做光程差。光程的重要性在于确定光的相位，相位决定光的干涉和衍射行为。

波列（wavetrain）这个概念就要从光源的特点讲起了。波列是一种延伸与移动于空间的波动，在任意时刻，可以用周期函数来描述。我们使用的光源，无论是钨丝灯还是LED还是天空中的自然日光，光源发光的原理都是原子重复地被激发至能量较高的激发态，然后跃迁至能量较低的稳定态并释放出光子（LED是电子和电洞结合释放光子，某种意义上也是一种电子跃迁的表现），这持续大约10^-8秒的过程中，会发射出有限延伸的光波波列，只含有有限个光波振荡。普通光源所发射出的光波是由很多有限波列组成，但是由于是不同原子受激发产生光子（波列）的时间点不尽相同，因此在宏观下这些波列并不能产生稳态的干涉，只可能在某个瞬间两波列相遇在一起形成短暂的干涉然后就又消失了，并不能被我们在宏观尺度下观测。

而我们现实中看到的稳定干涉现象，需要达成波在空间中重叠，且是在相当长的一段时间/空间内形成稳定的重叠，即具有相当大的相干长度 coherence length（相干长度定义：相干波（例如电磁波）保持一定的相干度进行传播的距离），因此干涉现象对光的波列有以下限制：两光波光程差小于波列长度/相干波路径间距小于相干长度。意思就是，两束有限延伸的光波波列得满足互相有接触到的条件才有相互干涉的可能性。

3、白光干涉测厚仪的基本原理

光源发出的光经过扩束准直后经分光棱镜后分成两束，一束经被测表面反射回来，另外一束光经参考镜反射，两束反射光汇聚并发生干涉，显微镜将被测表面的形貌特征转化为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量表面三维形貌。

利用白光作光源的干涉仪克服了单色相干光干涉相位不确定的缺点，能够进行绝对测量。同时，白光光源的稳定性和低廉的价格也是此项目技术的优势，因此白光干涉测量法在近年来得到了很大的发展。利用白光干涉原理进行金属箔（铜箔、铝箔）的厚度，其测量误差能做到小于6nm，开辟了白光干涉法测量非透明物体厚度的新思路。

图中，可根据光谱曲线解得参考反射镜1与金属上表面A的光程差即d1，及参考反射镜2与金属上表面B的光程差即d2,于是得出待测金属箔的厚度D为：

D = L – d1 – d2 （L为参考反射镜1、2之间的相对距离）

白光干涉在线测厚仪

蓝冰河（常州）精密测量技术有限责任公司研发的白光干涉测厚仪使用显微光谱法在微小区域内通过绝对反射率进行测量，可进行高精度膜厚度/光学常数分析。可通过非破坏性和非接触方式测量涂膜的厚度，例如各种膜、晶片、光学材料和多层膜。测量时间上，能达到1秒/点的高速测量，并且搭载了即使是初次使用的用户，也可容易出分析光学常数的软件。

白光干涉测厚仪特点：

头部集成了薄膜厚度测量所需功能；

通过显微光谱法测量高精度绝对反射率（多层膜厚度，光学常数）；

  1点1秒高速测量；

显微分光下广范围的光学系统（紫外至近红外）；

区域传感器的安全机制；

易于分析向导，初学者也能够进行光学常数分析；

独立测量头对应各种inline客制化需求；

支持各种自定义。

5、白光干涉在线测厚仪应用领域

白光干涉在线测厚仪是用来测量材料及物体厚度的在线系统，在工业生产中常用来连续或抽样测量产品的厚度，可应用于如钢板、钢带、薄膜、纸张、金属箔片等材料。

 

 

蓝冰河技术有限责任公司拥有一支在光电测量和传感器探测领域有多年研发与应用经验的资深技术团队，是一家专注材料厚度/面密度一致性在线测量与控制的技术驱动型企业。公司掌握在线测量两大关键核心技术，即超高信噪比和超高重复精度的测量传感器技术，以及自主知识产权的测量软件核心算法。公司坚持以“质量为魂、技术为核”的经营理念 ，以“引领行业技术进步”为使命，坚持持续创新和领先，助力客户，不断为客户提供最佳测量解决方案，创造客户价值。公司产品和服务已得到国内如宁德时代、中航锂电、CATL、BYD、孚能科技、新嘉拓、赢合、先导、浩能、盟固利、捷威、塔菲尔、鹏辉、冠宇等知名客户的认可与赞誉。

打造中国精密稳定易用的系列化在线测量系统是我们的终极目标，您的需求就是我们的事业，蓝冰河公司将服务好每一位客户。

 

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