lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Пучок, отраженный от удаленного зеркала, возвращается в передающую систему,интерферирует с отраженным от опорного зеркала пучком и образуетинтерференционную картину, несущую информацию о длине измерительного канала. Обычно измерительный канал помещен в вакуумнуютрубу, чтобы исключить влияние изменения давления и температуры напараметры среды распространения. Так как интенсивность излучения внекоторой точке картины связана с длиной измерительного канала соотношением I = I0cos4πL/(nλ), где n – показатель преломления в средераспространения (n = 1 в вакуумной трубе), то по фиксируемому фотоприемником целому числу интерференционных минимумов или макси113мумов можно определить расстояние L в целом числе полуволн, а затемперейти к абсолютному значению длины.
Более высокую точность измерения можно получить определяя долю интерференционной полосыпо изменению выходного сигнала от минимального до максимальногозначений. Очевидно, что данный интерферометр может измерять лишьотносительные изменения длины измерительного канала, так как дляабсолютных измерений необходимо перемещение измерительного зеркала по всей длине канала, что реализовать с точностью, соизмеримойс точностью фиксации положения зеркала, невозможно. Поэтому такиеприборы нашли применение в геофизической практике в тензометрахдля определения деформации земной поверхности и при сейсмологических измерениях.Первыми приборами, реализующими данный способ измерения,были ИПЛ-1 и ИПЛ-2, которые имели предел измерений 5 м с погрешностью измерений до 2 мкм/м при скорости перемещения подвижногоотражателя до 1,5 м/мин.
Позже были разработаны приборы ИПЛ-10 спределом измерений до 60 м и погрешностью 0,2 мкм, а также ИПЛ-30,обладающий возможностями измерений как линейных перемещений до30 м, так и угловых величин в пределах до 5° с погрешностью 12ʺ. Выпуск данных приборов существенно упростился с введением в них современных газовых лазеров типа ЛГН-302 и ЛГН-303 с длиной волныизлучения на λ = 0,6328 мкм, мощностью излучения до 1 мВт и нестабильностью частоты генерации за период до 10 с не хуже 2·10–9.Квантовое ограничение на предельно измеримое смещение следует из соотношения неопределенностей для координаты и импульсаи имеет вид ∆L ≥ ht / m , где m – масса подвижного контролируемогообъекта, t – время его перемещения, h – постоянная Планка.
Расчетыпоказывают, что при m = 100 г и t =1 с ∆L ≥ 10‒18 м, а экспериментальныеданные дают значение ∆L ≥ 10‒8 м, что указывает на влияние различныхшумов на процесс детектирования.Кроме использования одночастотного излучения для измерениярасстояний применяют режим биений двухчастотного лазера с использованием эффекта Доплера. Двухчастотный режим излучения лазераобеспечивается наложением магнитного поля на активный элемент в резонаторе.
Например, использование магнитного поля в лазере ЛГН-212,приводит к появлению биений с частотой 1,5 МГц при мощности излучения до 0,2 мВт. Реализация данного режима для определения перемещений осуществляется по схеме, приведенной на рис. 4.28.11445116378214910111213Рис. 4.28. Схема измерения перемещений с использованиемэффекта Доплера:1 – лазер; 2 – телескопическая система; 3 – светоделитель; 4 – опорный отражатель;5 – пластина λ/4; 6 – светоделитель; 7 – пластина λ/4; 8 – измерительный отражатель;9 – измерительный фотодиод; 10 – счетчик импульсов; 11 – микропроцессор;12 – цифровое табло; 13 – счетчик импульсов; 14 – опорный фотодиодВ машиностроении и приборостроении основное применение лазерные интерферометры находят в координатно-измерительных машинах ив системах программного управления координатно-расточных станков идругого высокоточного оборудования. Схема интерферометра Майкельсона, в которой зеркала заменены на двугранные призмы или уголковыеотражатели, позволяет исключить влияние разворотов отражателей впроцессе их перемещения вдоль измерительного канала.
Как правило,длина перемещений составляет не более 50 м, а точность оцениваетсясреднеквадратической погрешностью порядка 0,1–0,5 мкм при автоматическом съеме информации. Для определения направления перемещения во всех лазерных интерферометрах используется система анализа,включающая два фотоприемника, сигнал с каждого из которых сдвинутпо фазе относительно друг друга на 90°.
В этом случае при синусоидальном характере распределения освещенности в интерференционнойкартине один сигнал будет пропорционален синусоидальной функции,115а другой – косинусоидальной по одному и тому же аргументу, зависящему от положения интерференционной картины в плоскости анализа.Отношение сигналов дает тангенциальный закон изменения выходногосигнала в зависимости от аргумента и его величина изменяется как отвеличины смещения, так и направления смещения.
Существует несколько способов получения сдвига двух сигналов по фазе на 90°:установка перед фотоприемниками диафрагм, вырезающих участки интерференционной картины, сдвинутые по фазе на λ/4;использование поляризационных устройств, разделяющих интерференционные пучки на два, каждый из которых линейно поляризованво взаимно-перпендикулярных плоскостях;нанесение на один из оптических элементов интерферометра покрытия, вносящего разность хода в один из пучков, равную λ/4.Один из способов ввода необходимого сдвига фаз основан на использовании двухчастотного лазера, генерирующего два потока излучения с частотами ν1 и ν2, поляризации которых являются круговыми, нопротивоположными по направлению.Прибор, представленный на рис. 4.28, работает следующим образом.
После расширения пучка в телескопической системе 2 он разделяется на две части светоделителем 6. Оптические фильтры 5 и 7 состоятиз четвертьволновых пластин, преобразующих круговую поляризациюв линейную, и поляризаторов, ориентированных так, что каждый изних пропускает лишь излучение с одной частотой ν1 или ν2. Поэтомуна фотодиод 9 приходят два излучения: от опорного отражателя с частотой ν2 и измерительного – с частотой ν1.
Сигнал, вырабатываемыйэтим фотодиодом, имеет частоту ν1 – ν2. Опорный сигнал такой же частоты идет с фотодиода 14. При перемещении в измерительном каналечастота сигнала с фотодиода 9 изменяется на величину ν1 – ν2 ± δν, гдезнак изменения частоты определяется направлением перемещения, авеличина изменения частоты зависит от скорости перемещения. Фиксируя изменение частоты и время, за которое оно произошло, можноопределить величину перемещения. Обработка сигналов происходит вэлектронном блоке, включающем счетчики импульсов 10 и 13, микропроцессор 11, а результат выводится на цифровое табло 12.
Наличиесигнала с опорной частотой упрощает электронную схему устройства,а поляризационное устройство ввода сдвига фаз делает его более устойчивым к механической нестабильности элементов во времени.116Важным условием обеспечения точности работы интерференционного лазерного дальномера является изоляция излучающего лазераот измерительного тракта, так как отраженный и вернувшийся в лазерпоток несет информацию о пассивном внешнем резонаторе большойдлины. Возвращенный пучок будет, хотя и незначительно, влиять на частоту генерации лазера.
Расчеты показывают, что для измерений с относительной погрешностью 10‒10 ослабление возвращающегося пучкадолжно быть не менее чем в 108 раз. Для этой цели обычно используютклиновидное исполнение подложки выходного зеркала резонатора, атакже поляризационные элементы, например, призму Глана–Томпсонасовместно с четвертьволновой пластинкой. Пучок, выходящий из лазера, и возвращенный пучок имеют в этом случае линейную поляризацию, но во взаимно перпендикулярных плоскостях, что позволяет получить требуемый коэффициент ослабления,Лазерный интерферометр с использованием первого способа получения сдвига двух сигналов по фазе на 90º приведен на рис. 4.29.Образовавшаяся на светоделителе 3 интерференционная картинанаправляется на призму-анализатор 6 и через диафрагмы, смещенныевзаимно на 1/4 часть интерференционной полосы, на фотоэлементы 41310111291234875 6Рис.
4.29. Лазерный интерферометр с двумя фотоприемниками,дающими сигналы, сдвинутые на π/2 с помощью двух диафрагм:1 – лазер; 2 – телескопическая система; 3 – светоделитель; 4, 8 – фотоэлементы;5, 7 – диафрагмы; 6 – призма-анализатор; 9 – уголковый отражатель в измерительномканале; 10 – опорный уголковый отражатель; 11 – оптический клин; 12 – зеркало;13 – матовый экран117и 8. Для получения интерференционных полос конечной ширины в ходлучей вводится оптический клин 11, задающий требуемый угол сходимости волновых фронтов. Иногда вместо клина используют уголковыеотражатели с углом при вершине, отличающимся от 90°, что дает аналогичный действию клина результат. Зеркало 12 и матовый экран 13служат для настройки и визуального контроля процесса измерения.Кроме схем лазерных интерферометров на основе двухплечевогоинтерферометра Майкельсона, известны и построения на базе интерферометра Фабри–Перо.
Схема одного из таких устройств приведенана рис. 4.30.Используется лазер на He-Ne смеси, генерирующий на λ = 3,39 мкм.Для стабилизации длины волны использована метановая ячейка 9,введенная в опорный лазер 8. Лазер 11 в измерительном канале имеет пространственный резонатор, длина которого зависит от длины интерферометра Фабри–Перо. При изменении длины измерительногоинтерферометра 4, меняется длина резонатора, но интерференционнаякартина, анализируемая оптической системой 2 и фотоприемником 13,не изменяется за счет изменения частоты генерации лазера 11. После671112107314513381291312Рис. 4.30. Схема лазерного прибора на базе интерферометра Фабри–Перо:1 – смеситель; 2 – оптическая система анализа; 3 – отрицательная обратная связь; 4 –измерительный интерферометр; 5 – пространственный резонатор; 6 – измерительныйфотоприемник; 7 – пьезокристалл; 8 – опорный генератор; 9 – метановая ячейка; 10 –оптическая развязка; 11 – измерительный лазер; 12 – усилитель; 13 – фотоприемники118смешения на зеркале 1 излучений от двух лазеров на фотоприемнике 6вырабатывается сигнал, пропорциональный ν = ν11 – ν9 , где ν9 – частотастабилизированного метановой ячейкой излучения; ν11 – частота лазерав измерительном канале, пропорциональная длине резонатора и интерферометра Фабри–Перо.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
