Лазерний інтерферометр

Лазерний інтерферометр, що містить двочастотний стабілізований He-Ne лазер, по ходу вимірювального променя якого послідовно розміщені світлоподільний елемент, оптичний блок інтерфе 3 76149 4 На схемі Фіг.1 показані: використання. двочастотний стабілізований He-Ne лазер 1 і Поставлена задача вирішується за рахунок тозв'язані з ним світлоподільний елемент 2, оптичго, що в лазерний інтерферометр, що містить двоний блок інтерферометра 3 і рухливий оптичний частотний стабілізований He-Ne лазер, по ходу відбивач 4; зв'язаний зі світлоподільним елеменвимірювального променя якого послідовно розмітом фотоелектричний перетворювач частот опорщені світлоподільний елемент, оптичний блок інного променя 5 і зв'язаний з оптичним блоком інтерферометра і рухливий оптичний відбивач, на терферометра фотоелектричний перетворювач виходах світлоподільного елементу та оптичного частот вимірювального променя 6; зв'язаний з фоблоку інтерферометра по ходу опорного променя і тоелектричними перетворювачами частот опорновідбитого від рухливого оптичного відбивача виміго та вимірювального променів обчислювальний рювального променя розміщені фотоелектричні вузол 7, а також вузол обробки результатів виміперетворювачі частот, які виходами підімкнуті до рювання та їх індикації 8. обчислювального вузла, після якого розташований Принцип роботи інтерферометра, який взяли вузол обробки інформації та індикації результатів за прототип, полягає в тому, що інтерферометр вимірювання, формує вимірювальний і опорний промені, посизгідно з пропозицією обчислювальний вузол лає вимірювальний промінь на відбивач, відстань складається з: до якого вимірюється, приймає відбитий промінь і двох однонаправлених синхронних лічильниперетворює його в електричний імпульсний сигків, зв'язаних входами з фотоелектричними перетнал. Опорний промінь також перетворюється в ворювачами частот опорного та вимірювального електричний імпульсний сигнал. Після цього, репроменів інтерферометра, двох регістрів, входами версивний лічильник різниці чисел імпульсів (обзв'язаних з виходами двох однонаправлених синхчислювальний вузол) безпосередньо лічить різниронних лічильників, модулю мікропроцесора і цю чисел імпульсів вимірювального і опорного арифметичного пристрою, зв'язаного з регістрами і сигналів з урахуванням їх знаку. Величина і знак вузлом обробки інформації та індикації результацієї різниці чисел імпульсів однозначно визначатів вимірювання. ють величину і напрямок переміщення відбивача. Таке виконання інтерферометра дає можлиПісля подальшої обробки і внесення необхідних вість скоротити час вимірювання, підвищити опепоправок, результат вимірювання відображається ративність вимірювань, а також розширити сферу на індикаторі результатів вимірювання в метричній можливого застосування інтерферометра в ряді системі одиниць. робіт. Недоліком прийнятого за прототип інтерфероНа Фіг.2 приведена функціональна схема заметра є низька оперативність вимірювань та недопропонованого інтерферометра, що пояснює статня сфера можливого використання. Ці недоліпринцип його роботи. ки зумовлені тим, що він не забезпечує належної На схемі приведені: швидкості переміщення відбивача. двочастотний стабілізований He-Ne лазер 1 і Як відомо, зміна частоти сигналу в вимірювазв'язані з ним світлоподільний елемент 2, оптичльному каналі інтерферометра визначається швиний блок інтерферометра 3 і рухливий оптичний дкістю переміщення відбивача. Реверсивний лічивідбивач 4, зв'язаний зі світлоподільним елеменльник різниці чисел імпульсів працює лише в том фотоелектричний перетворювач частот опормежах зміни частоти вимірювального сигналу від ного променя інтерферометра 5 і зв'язаний з оптиfвимір.=0 (рух в одному напрямку) до fвимір.=2fопорн. чним блоком інтерферометра фотоелектричний (рух у зворотному напрямку). Тому що різниця чаперетворювач частот вимірювального променя 6, стот, випромінюваних двочастотним He-Ne лазеобчислювальний вузол 7 у складі: два синхронних ром, що використовує розщеплення лінії Ne у маглічильника 9 і 10, зв'язаних входами з фотоелектнітному полі, не перевищує 1,6...2МГц (воно ричними перетворювачами частот опорного і вимівизначає значення fопорн.), граничне значення швирювального променів, два регістри 11 і 12 зв'язадкості переміщення відбивача буде складати (теоних входами з виходами двох синхронних ретично, при відсутності вібрацій і «ривків» у пролічильників, модуль мікропроцесора і арифметичцесі переміщення відбивача) приблизно 1 метр у ного пристрою 13, зв'язаний з регістрами і вузлом секунду (60 метрів у хвилину). Практично, при пеобробки результатів вимірювання та їх індикації 8. реміщенні відбивача завжди присутні вібрація і Інтерферометр працює в такий спосіб. «ривки», що періодично значно збільшують «митДвочастотний He-Ne лазер 1 випромінює оптєві» значення швидкості переміщення. З огляду тичний промінь з 0,63мкм (червоний), що склана те, що порушення роботи інтерферометра видається з двох оптичних коливань, утворених за кликають навіть «миттєві» перевищення швидкості рахунок розщеплення лінії Ne у магнітному полі переміщення відбивача (навіть на частки мікросе(ефект Зеємана). Ці коливання мають взаємно кунди), виробники інтерферометрів забезпечують перпендикулярну поляризацію, розташовану в «запас» надійності усталеної роботи інтерферомегоризонтальній і вертикальній площинах і розрізтра і приводять в інструкції з експлуатації граничне няються по частоті на 1,6...2Мгц. значення швидкості переміщення відбивача в Частина цього променя за допомогою світлобудь-якому напрямку не більш 18 метрів за хвиподільного елемента 2 направляється на фотоелину. лектричний перетворювач частот опорного промеВ основу запропонованого інтерферометра ня 5, що після перетворення формує на виході поставлена задача підвищення продуктивності послідовність імпульсів з частотою, рівної різниці роботи інтерферометра і розширення сфери його частот випромінюваних лазером оптичних коли 5 76149 6 вань. Частота цих імпульсів визначається застосоприблизно через 40 хвилин знову одночасно певаним лазером і звичайно лежить у межах рейдуть через нуль і так далі. 1,6...2Мгц. Цей канал є опорним каналом інтерфеЯкщо протягом цього процесу рахунка імпульрометра. сів відбивач інтерферометра пересунути, наприДалі, випромінюваний лазером двочастотний клад, на 200мм убік інтерферометра, то лічильник промінь надходить в оптичний блок інтерферомеінформаційного каналу нарахує за час руху відбитра 3, у якому розділяється на два складових його вача додатково 6 105 імпульсів і буде продовжуоптичних промені з різною поляризацією і різними вати рахунок імпульсів з таким випередженням частотами коливань. Один з них (наприклад, низьстосовно лічильника опорного каналу (один додаткочастотна складова), після ряду відображень ковий імпульс відповідає переміщенню відбивача усередині оптичного блоку, надходить на фотоеприблизно на 0,31мкм). При пересуванні відбивача лектричний перетворювач частот вимірювального в зворотному напрямку, лічильник інформаційного променя інтерферометра 6, а другий (високочасканалу порахує вже менше число імпульсів, ніж тотна складова) направляється на оптичний відлічильник опорного каналу. При переміщенні відбивач вимірювального плеча інтерферометра 4. бивача інтерферометра на відстань, рівну 100 Відбившись в зворотному напрямку, цей промінь метрам, ця різниця числа полічених лічильниками повторно проходить через оптичний блок інтерфеімпульсів складе 3 108. рометра 3 і також надходить на фотоелектричний Таким чином, у процесі роботи інтерферометперетворювач частот вимірювального променя ра лічильники 9 і 10 (Фіг.2) накопичують і зберігаінтерферометра 6. ють інформацію про всі переміщення відбивача. Частота імпульсів на виході цього фотоелектДискретність збереженої інформації приблизно ричного перетворювача залежить від стану відбидорівнює 0,31 мікрометра (0,5 лазерного випровача інтерферометра. При нерухомому відбивачі мінювання). частота цих імпульсів дорівнює частоті імпульсів в Для подальшої обробки ця інформація постійопорному каналі, при переміщенні відбивача - зміно записується в регістри 11 і 12. Тому що частоти нюється. і фази сигналів fоn і fвимір. У процесі роботи інтерСистема цих двох послідовностей імпульсів ферометра постійно змінюються, перезапис у регіцілком визначає параметри переміщень відбивача стри 11 і 12 виробляється одночасно, але по незаінтерферометра. лежних для кожного регістра командах, При переміщенні відбивача убік інтерферомепогоджених з моментом приходу кожного рахункотра частота проходження імпульсів вимірювальнового імпульсу на кожний з лічильників 9 і 10. Ці го каналу стосовно частоти проходження імпульсів команди виробляються модулем мікропроцесора і опорного каналу підвищується, при русі в зворотарифметичного пристрою 13. ному напрямку - знижується. Ця зміна частоти імЗнімання інформації з регістрів також виробпульсів визначає швидкість і напрямок руху відбиляється одночасно, але по незалежних для кожновача. го регістра командах, що надходять від модуля Після переміщення відбивача убік інтерферомікропроцесора і арифметичного пристрою 13. метра число імпульсів, що пройшли в інформаційЦя інформація знімається періодично. За час ному каналі виявляється більше чим в опорному, а інтервалу між зніманням інформації з регістрів, після переміщення в зворотну сторону - менше ніж модуль мікропроцесора і арифметичного прив опорному каналі. Величина і знак цієї різниці строю 13 визначає різницю між кількістю полічених числа імпульсів однозначно визначають величину і лічильниками 9 і 10 імпульсів, що надійшли з опонапрямок переміщення відбивача. (Слід зазначирного й вимірювального каналів інтерферометра. ти, що якщо розгорнути оптичний блок інтерфероЦі результати (a1, а1, а1,... ак) - запам'ятовуються. метра, чи площини поляризації випромінюваного Якщо число імпульсів, полічених лічильником інлазером двочастотного променя на 90°, то на опформаційного каналу більше ніж число полічених тичний відбивач вимірювального плеча інтерфеімпульсів лічильником опорного каналу, то різниці рометра 4 буде спрямована низькочастотна склаприписується «+», у зворотному випадку - «мінус». дова двочастотного лазерного променя і при При цьому, після першого (після примусової переміщенні відбивача убік інтерферометра часустановки нуля) переходу через нуль одного з літота проходження імпульсів інформаційного каначильників, при визначенні різниці імпульсів до полу стосовно частоти проходження імпульсів опорліченому їм числа імпульсів варто додавати число ного каналу буде знижуватися, а при переміщенні 232 (при 32-х розрядних лічильниках), а після перев зворотну сторону - підвищуватися). ходу через нуль другого лічильника, цей додаток Синхронні, двоєчні, наприклад, 32-х розрядні скасувати, і так повторювати далі (при 32-х розрялічильники 9 і 10 працюють автономно у режимі дних лічильниках цей перехід відбувається приббезупинного рахунка імпульсів, що приходять по лизно кожні 40 хвилин). опорному й вимірювальному каналах інтерфероДалі, періодично виробляється усереднення метра. необхідної вибірки значень цієї різниці полічених При нерухомому відбивачі інтерферометра, лічильниками 9 і 10 імпульсів (a1, а1, а1,... ак), з після примусової одночасної установки обох лічиурахуванням їх знака і передача результату (Аср.) у льників на нуль, заповнення обох лічильників буде вузол обробки інформації й індикації результатів відбуватися з однаковою швидкістю і приблизно вимірювання 8. через 40 хвилин відбудеться, одночасно, їхнє заЦі усереднені значення (Аср.) будуть відповідаповнення і перехід через нуль. Після переходу ти величині переміщення відбивача інтерферомечерез нуль, лічильники продовжують працювати і тра в одиницях, виражених у половині робочої 7 76149 8 довжини хвилі лазерного випромінювання під час рометра чи площин поляризації випромінюваного лазером двочастотного променя на 90°. Таким вимірювань. (0,5 раб 0,31мкм). Після подальшої чином, можна попередньо встановлювати напряобробки і внесення необхідних поправок, резульмок переміщення відбивача інтерферометра, при тат вимірювання відображається на індикаторі якому забезпечується високе граничне значення результатів вимірювання в метричній системі одишвидкості його переміщення. ниць. Таким чином, запропоноване рішення дозвоРозгляд і аналіз роботи запропонованого інтеляє скоротити час виміру, підвищити оперативрферометра (Фіг.2), показує, що граничне значенність вимірів, а також розширити сферу можливого ня швидкості переміщення відбивача в напрямку, застосування інтерферометра в низці робіт. що підвищує частоту сигналу в вимірювальному Для підтвердження правильності реалізованих каналі, визначається лише діапазоном частот, що в інтерферометрі рішень був виготовлений його пропускаються фотоелектричним перетворювачем макет. Експериментальний зразок обчислювальчастот вимірювального променя. Так, наприклад, ного вузла 7 був виготовлений на базі двох мікророзширення діапазону частот, що пропускаються схем високого ступеня інтеграції (ALTERA фотоелектричним перетворювачем частот виміEPM7128SLC 84-15 і мікропроцесора рювального променя інтерферометра, до 40Мгц. PIC18F258P). дозволяє збільшити граничне значення швидкості Проведені дослідження експериментального переміщення відбивача в напрямку, що підвищує зразка обчислювального вузла в складі макета частоту сигналу в інформаційному каналі, приблилазерного інтерферометра підтвердили правильзно в 10 разів стосовно прийнятого за прототип ність прийнятих рішень. лазерного інтерферон-метра. [1] В.П. Коронкевич, В.А. Ханов, Современные Як відзначалося раніше, напрям переміщення лазерные интерферометры, «НАУКА», Сибирское відбивача інтерферометра в сторону, що підвищує отделение, Новосибирск, 1985. частоту сигналу в інформаційному каналі може бути змінено поворотом оптичного блоку інтерфе Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601