Лазерний інтерферометр

1. Лазерний інтерферометр, що містить двочастотний стабілізований He-Ne лазер, по ходу вимірювального променя якого послідовно розміщені світлоподільний елемент, оптичний блок інтерферометра і рухливий оптичний відбивач, на C2 1 3 На Фіг.1 приведена функціональна схема прийнятого за прототип пристрою, на якій показано: двохчастотний стабілізований He-Ne лазер 1 і зв'язані з ним світлоподільний елемент 2, оптичний блок інтерферометра 3 і рухливий оптичний відбивач 4, зв'язаний зі світлоподільним елементом фотоелектричний перетворювач частот опорного променя інтерферометра 5 і зв'язаний з оптичним блоком інтерферометра фотоелектричний перетворювач частот вимірювального променя 6, обчислювальний вузол 7 у складі: два синхронних лічильника 9 і 10, зв'язаних входами з фотоелектричними перетворювачами частот опорного і вимірювального променів, два регістри 11 і 12 зв'язаних входами з виходами двох синхронних лічильників, модуль мікропроцесора і арифметичного пристрою 13, зв'язаний з регістрами і вузлом обробки результатів вимірювання та їх індикації 8. Принцип роботи інтерферометра, який взято за прототип, полягає в тому, що інтерферометр формує вимірювальний і опорний промені, посилає вимірювальний промінь на відбивач, відстань до якого вимірюється, приймає відбитий промінь і перетворює його в електричний імпульсний сигнал. Опорний промінь також перетворюється в електричний імпульсний сигнал. Система цих двох послідовностей імпульсів цілком визначає параметри переміщень відбивача інтерферометра. При переміщенні відбивача у бік інтерферометра частота проходження імпульсів вимірювального плеча стосовно частоти проходження імпульсів опорного плеча підвищується, при русі в зворотному напрямку - знижується. Ця зміна частоти імпульсів визначає швидкість і напрямок руху відбивача. Після переміщення відбивача убік інтерферометра число імпульсів, що пройшли в вимірювальному каналі виявляється більше ніж в опорному, а після переміщення в зворотному напрямку - менше ніж в опорному каналі. Величина і знак цієї різниці числа імпульсів однозначно визначають величину і напрямок переміщення відбивача. Величину і знак переміщення відбивача визначають два синхронних лічильника 9 і 10, два регістри 11 і 12, модуль мікропроцесора і арифметичного пристрою 13 та модуль їх індикації 8. Недоліком прийнятого за прототип інтерферометра є низька здатність розрізнення вимірювальної оптико-електронної частини інтерферометра, яка дорівнює одному рахунковому імпульсу, що відповідає /2 0,31мкм. Така здатність розрізнення не забезпечує досягнення необхідної точності при вимірюванні малих довжин і переміщень. В основу запропонованого інтерферометра поставлена задача підвищення здатності розрізнення вимірювальної оптико-електронної частини інтерферометра й, таким чином, досягнення необхідної точності при вимірюванні малих довжин і переміщень, що дозволить розширити сферу застосування інтерферометра. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в лазерний інтерферометр, що містить двохчастотний стабілізований He-Ne лазер, по ходу 89704 4 вимірювального променя якого послідовно розміщені світлоподільний елемент, оптичний блок інтерферометра і рухливий оптичний відбивач, на виходах світлоподільного елемента та оптичного блока інтерферометра по ходу опорного променя і відбитого від рухливого оптичного відбивача вимірювального променя розміщені фотоелектричні перетворювачі частот, які виходами з’єднані з обчислювальним вузлом, після якого розташований вузол обробки інформації та індикації результатів вимірювання, згідно з пропозицією в оптичний блок інтерферометра додатково введено вузол зміни довжини опорного плеча інтерферометра по шумоподібному закону, зв'язаний с оптичним відбивачем опорного плеча оптичного блока інтерферометра. При цьому, вузол зміни довжини опорного плеча інтерферометра по шумоподібному закону виконаний, наприклад, у вигляді модулятора довжини. Таке виконання інтерферометра дає можливість підвищення здатності розрізнення вимірювальної оптико-електронної частини інтерферометра й, таким чином, досягнення необхідної точності при вимірюванні малих довжин і переміщень, що дозволить розширити сферу застосування інтерферометра. На Фіг.2 приведена функціональна схема запропонованого інтерферометра, на якій показано: двохчастотний стабілізований He-Ne лазер 1 і зв'язані з ним світлоподільний елемент 2, оптичний блок інтерферометра 3 і рухливий оптичний відбивач 4, зв'язаний зі світлоподільним елементом фотоелектричний перетворювач частот опорного променя інтерферометра 5 і зв'язаний з оптичним блоком інтерферометра фотоелектричний перетворювач частот вимірювального променя 6, обчислювальний вузол 7 у складі: два синхронних лічильники 9 і 10, зв'язані входами з фотоелектричними перетворювачами частот опорного і вимірювального променів, два регістри 11 і 12, зв'язані входами з виходами двох синхронних лічильників, модуль мікропроцесора і арифметичного пристрою 13, зв'язаний з регістрами і вузлом обробки результатів вимірювання та їх індикації 8. Інтерферометр працює таким чином. Двохчастотний He-Ne лазер 1 випромінює оптичний промінь з 0,63мкм (червоний), що складається з двох оптичних коливань, утворених за рахунок розщеплення лінії Ne у магнітному полі (ефект Зеємана). Ці коливання мають взаємно перпендикулярну поляризацію, розташовану в горизонтальній і вертикальній площинах і розрізняються по частоті на 1,6...2Мгц. Частина цього променя за допомогою світлоподільного елемента 2 направляється на фотоелектричний перетворювач частот опорного променя 5, що після перетворення формує на виході послідовність імпульсів з частотою, рівною різниці частот випромінюваних лазером оптичних коливань. Частота цих імпульсів визначається застосованим лазером і звичайно лежить у межах 1,6...2Мгц. Цей канал є опорним каналом інтерферометра. 5 Далі, випромінюваний лазером двохчастотний промінь надходить в оптичний блок інтерферометра 3, у якому розділяється на дві складових його оптичні промені з різною поляризацією і різними частотами коливань. Один з них (наприклад, низькочастотна складова), після ряду відображень у середині оптичного блока, надходить на фотоелектричний перетворювач частот вимірювального променя інтерферометра 6, а другий (високочастотна складова) направляється на оптичний відбивач вимірювального плеча інтерферометра 4. Відбившись в зворотному напрямку, цей промінь повторно проходить через оптичний блок інтерферометра 3 і також надходить на фотоелектричний перетворювач частот вимірювального променя інтерферометра 6. Частота імпульсів на виході цього фотоелектричного перетворювача залежить від стану відбивача інтерферометра. При нерухомому відбивачі частота цих імпульсів дорівнює частоті імпульсів в опорному плечі, при переміщенні відбивача - змінюється. Система цих двох послідовностей імпульсів цілком визначає параметри переміщень відбивача інтерферометра. При переміщенні відбивача у бік інтерферометра частота проходження імпульсів вимірювального плеча стосовно частоти проходження імпульсів опорного плеча підвищується, при русі в зворотному напрямку - знижується. Ця зміна частоти імпульсів визначає швидкість і напрямок руху відбивача. Після переміщення відбивача убік інтерферометра число імпульсів, що пройшли в інформаційному каналі виявляється більше ніж в опорному, а після переміщення в зворотному напрямку - менше ніж в опорному каналі. Величина і знак цієї різниці числа імпульсів однозначно визначають величину і напрямок переміщення відбивача. (Слід зазначити, що якщо розгорнути оптичний блок інтерферометра, чи площини поляризації випромінюваного лазером двочастотного променя на 90°, то на оптичний відбивач вимірювального плеча інтерферометра 4 буде спрямована низькочастотна складова двохчастотного лазерного променя і при переміщенні відбивача убік інтерферометра частота проходження імпульсів інформаційного каналу стосовно частоти проходження імпульсів опорного каналу буде знижуватися, а при переміщенні в зворотному напрямку - підвищуватися). Синхронні лічильники 9 і 10 працюють автономно у режимі безупинного рахунку імпульсів, що приходять по опорному й вимірювальному каналах інтерферометра. При нерухомому відбивачі інтерферометра, після примусової одночасної установки обох лічильників на нуль, заповнення обох лічильників буде відбуватися з однаковою швидкістю. Якщо протягом цього процесу рахунку імпульсів відбивач інтерферометра пересунути, наприклад, на 200мм убік інтерферометра, то лічильник інформаційного каналу нарахує за час руху відби5 вача додатково 6 10 імпульсів і буде продовжувати рахунок імпульсів з таким випередженням стосовно лічильника опорного каналу. При пере 89704 6 суванні відбивача в зворотному напрямку, лічильник інформаційного каналу порахує вже менше число імпульсів, ніж лічильник опорного каналу. Таким чином, у процесі роботи інтерферометра лічильники 9 і 10 (Фіг.2) накопичують і зберігають інформацію про всі переміщення відбивача. Дискретність збереженої інформації приблизно дорівнює 0,31 мікрометра (0,5 лазерного випромінювання). Розташований в оптичному блоці інтерферометра вузол зміни довжини опорного плеча інтерферометра по шумоподібному закону, зв'язаний з оптичним відбивачем опорного плеча, виконаний, наприклад, у вигляді модулятора довжини оптичного плеча являє собою електромеханічний пристрій, що живиться шумоподібним електричним сигналом, який лежить у діапазоні звукових частот (приблизно 100Гц - 20кГц). Вузол зміни довжини здійснює коливальні рухи оптичного відбивача опорного плеча інтерферометра по шумоподібному закону з максимальним амплітудним значенням на рівні декількох півхвиль оптичного променя ( /2 0,31мкм). Оптичний відбивач робить коливальні рухи уздовж падаючого на нього оптичного променя опорного плеча інтерферометра, викликаючи модуляцію по довжині опорного плеча й, як наслідок, частотну модуляцію опорного лазерного променя. Ця частотна модуляція лазерного променя опорного плеча імітує коливальні рухи відбивача вимірювального плеча по шумоподібному закону, що дозволяє визначити точне положення відбивача вимірювального плеча інтерферометра за рахунок усереднення серії одиночних вимірювань. При цьому, дискретність вимірювань зменшується при збільшенні вибірки одиночних вимірювань, що усереднюються. Процес вимірювань відбувається в такий спосіб. По сигналу з модуля мікропроцесора і арифметичного пристрою 13, відбувається перезапис вмісту лічильників імпульсів 9 і 10 у регістри 11 і 12. Час перезапису не перевищує 0,01мкс й проводиться в проміжках між імпульсами, що записуються лічильниками 9 і 10. Далі, у модулі мікропроцесора і арифметичного пристрою 13 проводиться вирахування із числа імпульсів у регістрі 12 числа імпульсів у регістрі 11. Якщо число імпульсів у регістрі 12 більше ніж в регістрі 11, результату приписується знак плюс, якщо менше приписується знак мінус. Результат зберігається. Далі, наприклад, через одну мс після першого сигналу на зчитування, з модуля мікропроцесора і арифметичного пристрою 13 надходить на регістри 11 і 12 другий сигнал на зчитування й процес одиночного вимірювання повторюється, і так далі в безперервному режимі. Після кожних, наприклад, 512 одиночних вимірювань проводиться їхнє підсумовування й визначення середнього значення. Таким чином, інтерферометр працює в безперервному режимі вимірювань і видає результат, наприклад, кожні 0,5 с Цей результат являє собою середнє значення з 512 одиночних вимірювань. Дискретність цих вимірювань (середніх значень) приблизно рівна 0,6 нм (0,5 / 512 0,31мкм / 512 7 89704 0,6 нанометра). Цей результат зберігається до приходу наступного результату, який його заміняє. Ці результати постійно переписуються у вузол обробки результатів вимірювання та індикації 8, у якому виробляється їхнє приведення до метричної Комп’ютерна верстка Л. Купенко 8 системи одиниць, введення різних поправок та їх індикація. 1. В.П. Коронкевич, В.А. Ханов, Современные лазерные интерферометры, Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1985. 2. Патент України №UA76149 від 17.07.2006р. 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