ВИБРОУСТОЙЧИВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2010 года по МПК G01B9/02 G02B11/02 

Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение, например, при создании систем измерения длин и перемещений, используемых как в оптическом приборостроении, так и в различных отраслях науки и техники.

Известен интерферометр Майкельсона [1], содержащий коллиматорный объектив, светоделитель, первый и второй выходы которого оптически связаны с отражателями, а третий выход оптически связан с объективом, в задней фокальной плоскости которого формируется интерференционное поле, являющееся выходом интерферометра. В этом интерферометре при наличии вибраций происходит изменение величины оптических путей интерферирующих световых пучков, что приводит к паразитному дрожанию интерференционной картины.

Указанное устройство не позволяет достигнуть высокого качества получаемых интерференционных картин без виброзащищенных оснований из-за наличия отражающих свет поверхностей, которое приводит к неконтролируемому изменению разности хода между интерферирующими пучками и, как следствие, падению контраста регистрируемой интерференционной картины, что ухудшает качество и точность измерений.

Технической задачей изобретения является увеличение достоверности и точности измерений величины линейных перемещений, при одновременном расширении функциональных возможностей за счет увеличения разрешения путем преобразования информации о линейном перемещении во временной интервал между световыми сигналами, соответствующими как точке отсчета, так и измеряемой величине.

Поставленная техническая задача решается тем, что виброустойчивый интерферометр содержит оптически связанные анализатор поляризации излучения, светоделитель, выполненный в виде двух одинаковых двулучепреломляющих кристаллов, развернутых относительно друг друга на угол 90°, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, развернуты относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°, причем первый и второй выходы светоделителя оптически связаны соответственно с первым и вторым отражателями, дополнительно содержит фазовый модулятор, вход которого оптически связан с выходом анализатора поляризации, а выход оптически связан с входом светоделителя, последовательно электрически связанные блок управляющего напряжения, измерительное устройство и фотоприемник, оптически связанный со вторым выходом анализатора поляризации излучения, при этом второй выход блока управляющего напряжения электрически связан с входом фазового модулятора, причем оси наведенной анизотропии фазового модулятора развернуты относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°.

Увеличение достоверности и точности измерений величины линейных перемещений достигается за счет преобразования информации о величине линейных перемещений, в конечном счете, во временной интервал между световыми сигналами, соответствующими как точке отсчета, так и измеряемой величине.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где

1 - анализатор поляризации излучения,

2 - фазовый модулятор,

3 - светоделитель;

4 - первый двулучепреломляющий кристалл;

5 - второй двулучепреломляющий кристалл;

6 - первый отражатель;

7 - второй отражатель;

8 - блок управляющего напряжения;

9 - фотоприемник;

10 - измерительное устройство.

Устройство содержит последовательно оптически связанные анализатор поляризации излучения 1, фазовый модулятор 2 с осями наведенной анизотропии, ориентированными относительно главной оси анализатора поляризации излучения 1 под углом 45°, светоделитель 3, выполненный в виде развернутых относительно друг друга под углом 90° первого 4 и второго 5 одинаковых двулучепреломляющих кристаллов, причем плоскости, в которых лежат их оптические оси, ориентированны относительно главной оси анализатора поляризации излучения 1 под углом 45°, а первый и второй выходы светоделителя 3 оптически связаны соответственно с первым 6 и вторым 7 отражателями, кроме того фазовый модулятор 2 электрически связан с блоком управляющего напряжения 8, который последовательно электрически связан с измерительным устройством 10 и фотоприемником 9, оптически связанным со вторым выходом анализатора поляризации излучения 1.

Анализатор поляризации излучения 1 выполнен в виде призмы Глана с двумя выходными поверхностями.

Фазовый модулятор 2 выполнен в виде прямоугольной призмы из кристалла DKDP z-среза с продольным приложением электрического поля.

Светоделитель 3 выполнен в виде поляризационного расщепителя, состоящего из первого 4 и второго 5 двулучепреломляющих кристаллов в виде плоскопараллельных кристаллических пластинок из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной грани, развернутых относительно друг друга на угол 90°.

Первый 6 и второй 7 отражатели выполнены в виде плоскопараллельных пластин из стекла К-8 с зеркальным покрытием.

Блок управляющего напряжения 8 выполнен из тактового генератора МСК155АГ3, счетчика МСК155ИЕ5 и преобразователя код-напряжение МСКР572ПА2, собранных по стандартной схеме цифрового генератора пилообразного напряжения.

Фотоприемник 9 выполнен на базе фотодиода ФД21КП.

Измеряющее устройство 10 выполнено на основе частотомера 43-54.

Виброустойчивый интерферометр работает следующим образом.

В исходном состоянии плоскополяризованный в горизонтальной плоскости входной световой пучок с длиной волны λ, пройдя анализатор поляризации излучения 1, фазовый модулятор 2 поступает на вход светоделителя 3, где происходит его расщепление на два ортогонально поляризованных световых пучка равной интенсивности. Один световой пучок испытывает отражение от первого отражателя 6, а второй - от второго отражателя 7. После чего они идут в обратном направлении, при этом они приобретают оптическую разность хода равную 2Δ₀, где Δ₀ - начальное смещение относительно друг друга первого 6 и второго 7 отражателей. В обратном ходе они объединяются на выходе светоделителя 3 и интерферируют между собой, что приводит вследствие наличия оптической разности хода 2Δ₀ к изменению поляризации излучения, которое, пройдя фазовый модулятор 2, поступает на анализатор поляризации излучения 1. Анализатор поляризации излучения 1 направляет излучение, поляризованное в вертикальной плоскости, идущее в обратном ходе на фотоприемник 9. Зависимость величины интенсивности излучения от наведенной разности фаз между ортогональными световыми пучками на выходе интерферометра будет иметь следующий вид:

В тестовом режиме, с блока управляющего напряжения 8, на фазовый модулятор 2 подается управляющее пилообразное напряжение U(t), позволяющее менять разность фаз Г(t) ортогонально поляризованных составляющих световой волны в диапазоне от 0 до π, а в измерительное устройство 10 - сигнал начала измерения. При подаче на фазовый модулятор 2 управляющего пилообразного напряжения U(t) происходит изменение показателя преломления вдоль кристаллофизических осей x₂, y₂

где n₀ - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптическом материале, U(t) - приложенное управляющее напряжение, d - расстояние между управляющими электродами, r₆₃ -электрооптический коэффициент. Изменение показателя преломления Δn(t)=n_x2(t)-n_y2(t) приводит к появлению разности фаз между ортогонально поляризованными составляющими вектора напряженности электрического поля световой волны, параллельными плоскостям, в которых лежат оптические оси первого 4 и второго 5 двулучепреломляющих кристаллов светоделителя 3. Зависимость наводимой фазовым модулятором 2 разности фаз Г(t) от величины управляющего напряжения U(t) линейная. Она имеет вид

Плоскополяризованный в горизонтальной плоскости входной световой пучок, в прямом ходе, пройдя анализатор поляризации излучения 1, поступает на вход фазового модулятора 2. Его оси наведенной анизотропии показателя преломления x₂, y₂ повернуты в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения относительно плоскости поляризации входного светового пучка на угол 45°. После двулучепреломления на входной грани фазового модулятора 2 плоскополяризованная световая волна преобразуется в две ортогонально поляризованные составляющие E_x2 и E_y2. В фазовом модуляторе 2 между ортогонально поляризованными составляющими наводится разность фаз, равная Г(t), после чего излучение поступает на вход светоделителя 3, где происходит его расщепление на два ортогонально поляризованных световых пучка равной интенсивности. Причем плоскости поляризации этих ортогонально поляризованных световых пучков параллельны осям наведенной анизотропии x₂, y₂ фазового модулятора 2. Один световой пучок испытывает отражение от первого отражателя 6, а второй - от второго отражателя 7. После чего они идут в обратном направлении, при этом они приобретают оптическую разность хода равную 2Δ₀. Пройдя светоделитель 3, ортогонально поляризованные световые пучки объединяются. Ортогонально поляризованные составляющие световой волны на выходе фазового модулятора 2 в обратном ходе приобретут дополнительно разность фаз, равную Г(t), что в сумме с предыдущими набегами составит

Это приводит к изменению поляризации излучения, поступающего на анализатор поляризации излучения 1 в обратном ходе. Анализатор поляризации излучения 1 направляет излучение, поляризованное в вертикальной плоскости, идущее в обратном ходе на фотоприемник 9. Зависимость величины интенсивности излучения от наведенной разности фаз между ортогональными световыми пучками на выходе интерферометра будет иметь следующий вид:

Поэтому середина промежутка времени регистрации полученного светового сигнала будет соответствовать нулевому значению величины начального смещения относительно друг друга первого 6 и второго 7 отражателей Δ₀, а его ширина будет определять точность измерения. Фотоприемник 9 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 10 осуществляет измерение необходимых временных параметров, поступающих электрических сигналов и пересчет в величину начального смещения относительно друг друга первого 6 и второго 7 отражателей Δ₀.

В режиме измерения с блока управляющего напряжения 8 на фазовый модулятор 2 подается управляющее пилообразное напряжение U(t), позволяющее менять разность фаз Г(t) ортогонально поляризованных составляющих световой волны в диапазоне от 0 до π, а в измерительное устройство 10 - сигнал начала измерения. При подаче на фазовый модулятор 2 управляющего пилообразного напряжения U(t) происходит изменение показателей преломления вдоль кристаллофизических осей x₂, y₂. Разность этих показателей преломления Δn(t)=n_x2(t)-n_y2(t) приводит к появлению разности фаз между ортогонально поляризованными составляющими вектора напряженности электрического поля световой волны, параллельными плоскостям, в которых лежат оптические оси первого 4 и второго 5 двулучепреломляющих кристаллов светоделителя 3. Зависимость наводимой фазовым модулятором 2 разности фаз Г(t) от величины управляющего напряжения U(t) линейная. Плоскополяризованный в горизонтальной плоскости входной световой пучок, в прямом ходе, пройдя анализатор поляризации излучения 1, поступает на вход фазового модулятора 2. Его оси наведенной анизотропии показателя преломления x₂, y₂ повернуты в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения относительно плоскости поляризации входного светового пучка на угол 45°. После двулучепреломления на входной грани фазового модулятора 2 плоскополяризованная световая волна преобразуется в две ортогонально поляризованные составляющие E_x2 и E_y2. В фазовом модуляторе 2 между ортогонально поляризованными составляющими наводится разность фаз, равная Г(t), после чего излучение поступает на вход светоделителя 3, где происходит его расщепление на два ортогонально поляризованных световых пучка равной интенсивности. Причем плоскости поляризации этих ортогонально поляризованных световых пучков параллельны осям наведенной анизотропии x₂, y₂ фазового модулятора 2. Один световой пучок испытывает отражение от первого отражателя 6, а второй - от второго отражателя 7, смещающегося относительно первого отражателя. После чего они идут в обратном направлении, при этом они приобретают оптическую разность хода, равную 2Δ=2(Δ₀+δΔ). Пройдя светоделитель 3, ортогонально поляризованные световые пучки объединяются. Ортогонально поляризованные составляющие световой волны на выходе фазового модулятора 2 в обратном ходе приобретут дополнительно разность фаз, равную Г(t), что в сумме с предыдущими набегами составит

Это приводит к изменению поляризации излучения, поступающего на анализатор поляризации излучения 1 в обратном ходе. Анализатор поляризации излучения 1 направляет излучение, поляризованное в вертикальной плоскости, идущее в обратном ходе на фотоприемник 9. Зависимость величины интенсивности излучения от наведенной разности фаз между ортогональными световыми пучками на выходе интерферометра будет иметь следующий вид:

Поэтому середина промежутка времени регистрации полученного светового сигнала будет соответствовать текущему значению величины начального смещения относительно друг друга первого 6 и второго 7 отражателей Δ, а его ширина и время сканирования будет определять точность измерения. Фотоприемник 9 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 10 осуществляет измерение необходимых временных параметров, поступающих электрических сигналов и пересчет в величину текущего смещения относительно друг друга первого 6 и второго 7 отражателей Δ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.

Изобретение может быть использовано при создании систем измерения длин и перемещений. Устройство содержит оптически связанные анализатор поляризации излучения, светоделитель, фазовый модулятор и последовательно электрически связанные блок управляющего напряжения, измерительное устройство и фотоприемник. Светоделитель выполнен в виде двух одинаковых двулучепреломляющих кристаллов, развернутых относительно друг друга на угол 90°, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, развернуты относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°. Первый и второй выходы светоделителя оптически связаны соответственно с первым и вторым отражателями. Вход фазового модулятора оптически связан с выходом анализатора поляризации, а выход оптически связан с входом светоделителя. Фотоприемник оптически связан со вторым выходом анализатора поляризации излучения. Второй выход блока управляющего напряжения электрически связан с входом фазового модулятора. Оси наведенной анизотропии фазового модулятора развернуты относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°. Технический результат - увеличение достоверности и точности измерений величины линейных перемещений, при одновременном расширении функциональных возможностей. 1 ил.

Виброустойчивый интерферометр, содержащий оптически связанные анализатор поляризации излучения, светоделитель, выполненный в виде двух одинаковых двулучепреломляющих кристаллов, развернутых относительно друг друга на угол 90°, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, развернуты относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°, причем первый и второй выходы светоделителя оптически связаны соответственно с первым и вторым отражателями, отличающийся тем, что содержит фазовый модулятор, вход которого оптически связан с выходом анализатора поляризации, а выход оптически связан с входом светоделителя, последовательно электрически связанные блок управляющего напряжения, измерительное устройство и фотоприемник, оптически связанный со вторым выходом анализатора поляризации излучения, при этом второй выход блока управляющего напряжения электрически связан с входом фазового модулятора, причем оси наведенной анизотропии фазового модулятора развернуты относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°.