本文簡單介紹應用激光干涉技術進行洛氏硬度計量。洛氏硬度是通過測量壓頭在一定壓力下，垂直壓入硬度塊的深度，而后經換算，得出該硬度塊的硬度值。應用激光干涉技術，可**得出壓頭壓入硬度塊的深度，從而大大減少測量不確定度。

　　洛氏硬度是通過一定形狀的金剛石壓頭或鋼球壓頭測量壓入標準硬度塊的壓痕深度，再經過換算，*終確定硬度塊的硬度值。測量過程中會有多項不確定度，壓痕深度測量不確定度為其中主要的參數之一。為了*大限度地降低它，在我國激光洛氏硬度國家副基準裝置中采用激光干涉技術及現代電子技術，將壓痕深度的測量不確定度減小到納米級。干涉測量裝置由穩頻激光源、偏振干涉儀、光電轉換器，可逆計數器4部分構成，*終將計數結果輸入微機，進行計算得出硬度值。裝置框圖如圖1所示。

　　下面，將激光干涉技術與硬度裝置的結合，作一簡單介紹。

　　1　激光干涉測量原理

　　激光波長值是硬度值的溯源標準。它是用干涉儀來實現的。波長穩定的激光光束入射至干涉儀中，分光鏡將其分為兩束，這兩束光再重合時將發生干涉，形成了干涉帶。干涉帶的亮度由兩束光的相位差決定。兩束光中，一束稱為參考光束，其相位是固定不變的，另一束為測量光束，其相位隨測量反射鏡的移動而變化。安裝在主軸上的測量反射鏡與主軸一起移動，從而使干涉帶的亮度產生了連續的變化。故亮度變化的干涉帶與主軸位移相對應，即主軸位移可用激光干涉帶即激光波長測量。如主軸及測量反射鏡移動0~λ/4~λ/2(λ為標準激光光源的波長)，參考光束與測量光束間的光程差相應變化了0~λ/2~λ，則其相位變化了0~π~2π，則干涉帶變化了一個條紋。為提高測量精度，用電路系統將干涉帶二十細分，以細分后的脈沖即λ/40 (15.825nm)為單位，進行計數。就可使計數不確定度減至納米量級。

　　2　激光干涉裝置在硬度副基準上的應用

　　該干涉測量裝置的結構采用了偏振干涉儀，光路如圖3所示。激光光源L為半內腔激光器，其輸出為線偏振光，偏振面與水平方向成45°。激光光束由可調反射鏡M1和M2反射至偏振分光鏡PBS，激光光束被PBS分成偏振方向互相垂直的兩條同頻同幅光束，透射光為參考光束，射至安裝在主板上的角隅棱鏡C1，反射回PBS；另一路是反射光，為測量光束，射至安裝在主軸上端的角隅棱鏡C2并被反射回PBS。C1和C2反射的互相垂直的參考光束和測量光束在PBS的分光面上重新匯合，兩者疊加為旋轉偏振光，經λ/4波長后，變為線偏振光，其相位變化與C2位移相應。C2的位移即為主軸與壓頭的位移。

該疊加光束經過分光鏡BS，又分成透射光和反射光兩部分，兩者分別聚焦并被偏振分光束鏡PBS2和PBS3分成兩對信號，再由光電接收器D1與D1′及D2和D2′接收放大，將光信號轉換成相應的兩對互差π的電信號，相差π的兩對信號經差分放大后，形成相差π/2的兩組信號，一路為正弦信號，另一路為余弦信號。相差π/2的兩組信號即可實現可逆計數，又可實現干涉帶的四細分。本裝置采用干涉帶的電系統二十細分。即從細分后的λ/40為單位(15.825nm)，進行計數。計數值輸入微機，經計算后可得到主軸及壓頭的位移，即得壓頭壓入樣塊的深度和硬度值。其中由D1和D1′及D2和D2′轉換成的互差π的兩對信號，經差分放大，可提高信號的信噪比，并可消除零點漂移及直流光強變化的影響。

　　測量過程中，當初試驗力保荷時間已滿時，計數器清零，并準備計數，則開始加主試驗力，此時，計數器接到信號，然后開始計數。當主試驗力即將卸除的瞬間，計數器記錄下壓頭已壓入N1個量程，由于受彈性變形和塑性變形的綜合影響，主試驗力被卸除后，壓頭將回彈一段位移，可逆計數器記錄下壓頭回彈了N2個量程，N1-N2即為我們所需的數據(如圖2所示)，副基準上用的激光波長為633nm，每個量程為λ/40，就是15.825nm。換句話說，當壓頭壓入硬度塊0.015825μm時，我們的測量裝置就可將它記錄下來。代入公式：

　　H=K-(h1-h2)/0.002

　　得出硬度值。

　　式中　HR為洛氏硬度值， HR，

　　一個量程為λ/40(15.825nm)；h1為N1個量程的距離； h2為N2個量程的距離；H為硬度值；K為硬度系數。

　　h1-h2=(N1-N2)×λ/40；

　　K=130(洛氏B標尺)；K=100(洛氏C標尺、A標尺)。

3　干涉儀的調整步驟

　　(1)安裝激光器L，使其光束偏振方向與干涉儀的水平基面成45°；

　　(2)調整反射鏡M1和M2，使光束通過偏振分光鏡PBS1。

　　(3)拆下主軸的立體棱鏡，安裝端面與軸垂直的套筒，并將平行平面反射鏡放在套筒端面上，再調節M2，使測量光束的往返光軸重合，即垂直返回，以保證測量光束與光軸的平行性。

　　(4)去掉套筒，安裝主體棱鏡C2。

　　(5)調節C1使參考光束與測量光束重合。得到同心圓環干涉帶為好。

　　(6)調BS，使光束通過兩偏振分光鏡PBS2及PBS3中心部位。

　　(7)轉動PBS2或PBS3，使兩路差分放大輸出信號相位差π/2，再調整電路直至獲得圓環示波圖形。

　　4　激光測量系統誤差引起的硬度標準不確定度u

　　標準條件下，激光波長與真空中波長的不確定度；空氣折射率變化引起的不確定度；測量臂光軸與主軸移動方向不平行引起的不確定度均優于1×10-6，可忽略不計。

　　計數器誤差引起的硬度標準不確定度：

　　按B類不確定度評定。以±1脈沖計，深度*大誤差相應于±λ/40=±0.015μm，對應的硬度*大誤差為±0.0075HR，按均勻分布，則此項標準不確定度為：

　　由此可見：應用激光干涉技術，可獲得很小的測量不確定度。