臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一個利用多光束干涉與外差干涉術之原理，量測微小位移變化之特性。當p-偏振光進入我們所設計的系統，系統包括一個平行四邊形棱鏡和玻璃平板，並在中間夾著一層空氣薄膜，當此系統發生多光束干涉現象時，會因為玻璃平板中的空氣薄膜厚度，而產生不同的相位變化，其相移的變化可以用外差干涉術精確地測定，並可推算出正確的位移量。此方法經過實驗驗證，可證明實驗是可行性的，本系統靈敏度至少可達S=0.2045degree/nm，解析度R=0.147nm，且此架構具有靈敏度及測量範圍可調、簡單的光學裝置與即時量測之優點。

The thesis proposes a method for measuring small displacements based on the characteristic of multiple beam interference and heterodyne interferometric technique. When a p-polarized light beam is obliquely incident into a special apparatus, consisting of a parallelogram prism and a glass plate sandwiching a thin film of air, the multiple-beam interference occurs within the apparatus. A small displacement of the glass plate will introduce a variation of the phase shift of the light beam reflected from the apparatus. The phase-shift variation can be precisely determined with heterodyne interferometry, and the associated displacement can be estimated. The feasibility of this method was verified by the experimental results, and the sensitivity of S=0.2045 degree/nm and the resolution of R=0.147 nm can be achieved. The method of measurement has the merits of tunable measurement sensitivity and range, simple optical setup, easy operation and rapid measurement.

目錄

頁次
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi

第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究目的 5
1-4 論文架構 5

第二章 外差干涉術原理 7
2-1 簡介 7
2-2 傳統干涉術原理 7
2-3 外差干涉原理 8
2-4 外差光源 10
2-4-1 機械式調制 10
2-4-2 電子式調制 12
2-5 電光晶體調制方法 13
2-6 電光晶體調制原理 15
2-7 外差干涉術誤差分析 19
2-8 小結 25

第三章 實驗原理與架構 26
3-1 簡介 26
3-2 多重干涉所引起之反射p- 偏振相位移 26
3-3 實驗架構與原理 28
3-4 小結 31

第四章 實驗結果與討論 32
4-1 簡介 32
4-2 模擬分析 32
4-3 實際結果 36
4-4 結果討論 40
4-5 小結 42

第五章 結論與建議 43
5-1 結論 43
5-2 建議 43
參考文獻 44

圖目錄
圖. 1.1 雷射探頭量測原理圖 3
圖. 1.2 麥克森干涉儀 3
圖. 1.3 干涉術與表面電漿共振裝置 4
圖. 2.1 傳統干涉原理架構圖 7
圖. 2.2 外差訊號及其干涉波形示意圖 8
圖. 2.3 外差干涉訊號波形圖 9
圖. 2.4 旋轉波片法 11
圖. 2.5 繞射光柵法 11
圖. 2.6 橫向電光調制架構圖 14
圖. 2.7 電光晶體調制器之光學架構圖 15
圖. 2.8 鋸齒波的電壓訊號 18
圖. 2.9 旋轉偏振誤差 20
圖. 2.10 偏振旋轉誤差關係圖 22
圖. 2.11 偏振混合誤差△m與的關係圖 25
圖. 3.1 多重干涉示意圖 26
圖. 3.2 外差干涉術測量微小位移之系統架構圖 28
圖. 4.1 石英玻璃平板之Φ、h與θi的關係圖，當θi=-10˚、0˚、10˚ 33
圖. 4.2 BK7玻璃平板之Φ、h與θi的關係圖，當θi=-10˚、0˚、10˚ 33
圖. 4.3 SF11玻璃平板之Φ、h與θi的關係圖，當θi=-10˚、0˚、10˚ 34
圖. 4.4 Φ、h與θi的關係圖θi=-10˚、-15˚、-20˚、-25˚與-30˚ 35
圖. 4.5 實際裝置架構圖 38
圖. 4.6 入射角θi=-20˚之Φ、h實驗模擬比較圖 39
圖. 4.7 入射角θi=-30˚之Φ、h實驗模擬比較圖 39
圖. 4.8 不同角度入射光與靈敏度之關係圖 40
圖. 4.9 不同角度入射光與解析度之關係圖 41

[1] P. De Groot, A. Dergevorkian, T. Erickson, and R. Pavlat “Determining the optical constants of read-write slider during flying-height testing”, Appl. Opt. 37, 5116-5125 (1998).
[2] S. Mori, H. Sugawara, and K. Kinoshita, “A spacing sensor for magnetic disk systems”, IEEE Trans. Magn. 31, 4287-4292 (1995).
[3] S. Mori, H. Sugawara, H. Tokisue, and H. Kohira, “Effective refractive index method for frustrated total reflection : application to measurement of flying height”, IEEE Trans. On Magn. 34, 568-574 (1998).
[4] 周至忠，“近場光碟機飛行讀寫頭模擬與實驗”，國立交通大學 機械工程研究所 碩士論文，(2001).
[5] 陳威宇，“以共光程外差干涉儀作微小位移量測”，國立中央大學 光電科學研究所 碩士論文，(2005).
[6] 潘安勝，“相位移干涉系統之平坦度量測”，國立台灣科技大學 機械工程研究所 碩士論文，(2004).
[7] J. D. Smith, “Vibration Measurement and Analysis,” Butterworths (1989).
[8] M. Francon, “Optical interferometry” , Academic, New York, 23-52 (1966).
[9] 鄭文揚，“創新式多感測器三角雷射探頭之設計與製作”，國立台灣科技大學 機械工程研究所 碩士論文，(2005).
[10] T. Zhang and M. Yonemura, “Multipass Michelson interferometer with the use of a wavelength-modulated laser diode,” Appl. Opt., vol.35, 5650-5656 (1996)
[11] 陳南興，“設計麥克森干涉儀系統應用於微小位移之量測”，國立屏東科技大學 機械工程研究所 碩士論文，(2005).
[12] K. H Chen, C. C Hsu, D. C Su, “Measurement of wavelength shift by using surface plasmon resonance heterodyne interferometry,” Opt. Commun., 209,167-172 (2002).
[13] M. H. Chiu, B. Y. Shih, C. H Shih, L. C. Kao and L. H. Shyu, “Small displacement measurement based on surface plasmon resonance and heterodyne inteferometry, ” Proc SPIE 6038,60381C-1–60381C-6 (2006).
[14] J. Y. Lin, K. H Chen, J. H. Chen，“Measurement of small displacement based on surface plasmon resonance heterodyne interferometry”，Opt Lasers Eng 49, 811–815 (2011).
[15] E. Ikonen and K. Riski, “Gauge-block Interferometer Based on One Stabilized Laser and a White-light Source,” Metrologia 30, 95-104 (1993).
[16] 吳錦源，“創新雷射都卜勒振動/干涉儀之研製-高性能微光機電系統之量測”，國立台灣大學 應用力學研究所 博士論文，(1998).
[17] P. Hariharan, B. Oreb, and N. Brown, “Real-time holographic interferometry: a microcomputer system for the measurement of vector displacements,” Appl. Opt. 22, 876-880 (1983).
[18] P. Y. Chien, ”Two-frequency displacement measurement based on a double-heterodyne technique,” Rev. Sci. Instrum. 62, 254-255 (1991).
[19] P. G. Charette, I. W. Hunter, and C. J. H. Brenan,”A complete high performance heterodyne interferometer displacement transducer for microactuator ontrol,” Rev.Sci.Instrum, 63, 241-248 (1992).
[20] N. A. Massia , R. D. Nelson, and S. Holly, ”High-performance real-time heterodyne interferometry, ” Appl. Opt.,18, 1797-1803 (1979).
[21] M. P. Kothiyal and C. Delisle, “Optical frequency shifter for heterodyne interferometry using counterrotating wave plates”, Opt. Lett. 9, 319-321 (1984).
[22] W. H. Stevenson, “Optical frequency shifting by means of a rotating diffraction grating”, Appl. Opt. 9, 649-652 (1970).
[23] T. Suzuki and R. Hioki, “Translation of light frequency by a moving grating”, J. Opt. Soc. Am., 57, 1551 (1967).
[24] Y. C. Huang, C. Chou, and M. Chang, “Direct measurement of refractive Indices of a linear birefringent retardation plate”, Opt. Commun. 133, 11-16 (1997).
[25] J. C. Kemp, “Piezo-optical birefringence modulators:new use for a long known effect”, J. Opt. Sci. Am. 59, 950-954 (1969).
[26] P. Dirksen, J. V. D. Werf, and W. Bardoel, “Novel two-frequency laser”, Prec. Eng. 17, 114-116 (1995).
[27] T. Suzuki and R. Hioki, “Translation of light frequency by a moving grating”, J. Opt. Soc. Am., 57, 1551 (1967).
[28] M. J. Ehrlich and L. C. Philips, and J. W. Wanger, “Voltage-controlled acousto-optic phase shifter”, Rev. Sci. Instrum., 59, 2390-2392 (1988).
[29] H. Takasaki, M. Isobe, T. Masaki, A. Konda, T. Agatasuma, and Y. Watanable, “An automatic retardation meter for automatic polarimetry by means of an ADP polarization modulator”, Appl. Opt. 3, 371-377 (1964).
[30] A. Yariv and P. Yeh，“Optical waves in crystals”，John Wiley & Sons, Inc., Chap.5, 121-154 (1984).
[31] J. M. De Freitas and M. A. Player, ”Importance of rotational beam alignment in the generation of second harmonic errors in laser heterodyne interferometry,” Meas. Sci. Technol. 4, 1173-1176 (1993).
[32] C. M. Wu and R. D. Deslattes, ”Analytical modeling of the periodic nonlinearity in heterodyne interferometry,” Appl. Opt. 37, 6696-6700 (1998).
[33] W. Hou and G. Wilkening, ”Investigation and compensation of the nonlinearity of heterodyne interferometers,” Prec. Eng. 14, 91-98 (1992).
[34] A. E. Rosenbluth and N. Bobroff, “Optical sources of nonlinearity in heterodyne interferometers”, Prec. Eng. 12, 7-11 (1990).
[35] 李朱育，“外差干涉術在量測s-與p-偏光間相位差變化的應用”，國立交通大學 光電工程研究所 博士論文，(1999).
[36] M. H. Chiu, J. Y. Lee, and D. C. Su, ”Complex refractive-index measurement based on Fresnel’s equations and the uses of heterodyne interferometry,” Appl. Opt. 38, 4047-4052 (1999).