光栅技术在高灵敏度位移场测量中的应用

1.衍射光栅

云纹法所用光栅，其频率通常为每毫米几线至几十线，测量灵敏度很低。为了克服这一困难而发展起来的云纹干涉法采用的光栅，通常为频率为1200线/mm（或2400线/mm）的衍射光栅，并采用激光衍射和干涉技术实现位移场的高灵敏度测量。

当波长为λ的平行光以α₀为入射角照射栅距为p的光栅时，会发生衍射，如图3-12所示。各级衍射的衍射角可以由二维光栅方程确定，其第n级光栅及其对应的衍射角θ的光栅方程为

p（sinθ+sinα₀）=nλ （3-29）

式中，p为栅距，λ为波长。反射式光栅衍射角θ为正，透射式光栅为负，除一些透明材料可以采用透射式光栅外，云纹干涉一般都是采用反射式光栅。

2.全息光栅

图3-12 振幅型光栅示意图^[7](www.xing528.com)

a）反射式光栅 b）透射式光栅

如图3-13所示，两束准直的激光以一定角度在空间相交时，在其相交的重叠区域，将产生一个稳定的、具有一定空间频率的空间虚栅，虚栅的节距p与激光波长λ及两束激光之间夹角2α有关，其关系式为

图3-13 全息光栅示意图^[7]

3.光栅的制备

光栅是云纹干涉方法的基本元件，从它的栅线组成来分有单线栅、正交栅（两组栅线成90°角）、三线栅（相间45°或相间120°角的三组栅线组成）、圆形栅（由一组节距相等或不等的同心圆组成）及辐射栅（由一组圆心角相同的射线组成）等。从制造方法可以分为机械可划栅、光刻胶栅、腐蚀栅、金属模栅、感光软片栅及位相栅等。云纹干涉法测试中需要两块栅，一块是随着试件表面一起变形的试件栅，另一块是不随变形，可以同试件栅叠放的基准栅。实际上，目前应用的云纹干涉技术，基准栅大多是利用高度准直的激光在空间相交的全息光栅作为基准栅，这种基准栅称为参考栅。一般试件栅的制备方法有两种：直接制栅和光栅复制法。直接制栅就是利用光刻机在试件表面直接刻出栅线。光栅复制法须首先制造一块高质量的母版，由它复制出试件栅。母版通常是在高度平行的光学玻璃上利用光刻机刻出栅线。而母版制成后，为了延长寿命，一般不用它直接复制，而是利用它在其他材料上复制的模版来制造试件栅。也可以利用旋转点光源制栅系统在玻璃平片表面制作光刻胶全息光栅，然后在光刻胶光栅表面蒸镀一层铝膜作为反射膜，以提高衍射效率。