Устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B9/02 

ИзоОретение. относится к измерительной технике и может быть использовано длп измерения линейньж перемещений .

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности ИЗ

мерения перемещений.

На чертеже дана схема устройства дпя измерения линейных перемещений,,

Устройство содержит лазер 1, установленный за ним первый светоделитель 2, первый интерферометр 3 Фабри Перо с подвижным зеркалом, размещенный по направлению первого 1Г/«ка от первого светоделителя,, второй интерферометр 4 Фабри-Перо, расположен ный по направлению второго пучка от светоделителя 2, плоские зеркала 5 и 6, установлешше за интерферометром 3, плоские зеркала 7 и 8, размещенные за интерферометром 4,, второй светоделитель 9j установленный по ходу пучков выходящих из систем зеркал 5 6 и 7, 8, и фотоприемник 0, оптически связанный с вторым светоделителем.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 падает на светоделитель 2, разделяющий его на два пучка. Первый пучок попадает на первый интерферометр 3 Фабри-Перор второй пучок - на второй интерферометр 4 Фабри-Перов Первый пучок, выходя из первого интерферометра и последовательно отражаясь от, зеркал 5 и 6j совмещается с вторым ny4KOMj вышедшим из второго интерферометра н последовательно отраженным зеркалами 7 и 8, на светоделителе 9, Совмещенные на последнем первый и второй пучки, интерферируя IS попадают на (юто приемник 10, Перемещение подвижного зеркала в интерферометре 3 Фабри-Пе ро вызывает изменение интенсивности интерферирующих пучков попа,цающШ : на фотоприемник 10 что приводит к изменению .фототока/ Это является выходным сигналом устройства.

Коэффициент пропускания интер ферометра Фабри-Перо дпя плоской электромагнитной волгш, определяй- М.1Й как отношение комплекснк1х ai-aira-i- гуд прошедшей а .и входящей а волНо М(5жет быть представлен, в виде

Si,

te

(1-2R.-C085 -t-R)

S

0

5

0

6- Rsin (О arctg

где ty R энергетические коэффици- еитъ соответственно пропускания и отражения каждого зеркала; 4 П Е/Д , .

где I -.длина интерферометра Фабри- Пер о ;

/I - длина волнь излучения лазера.

Сумма фаз коэффициентов отражения зеркал положена равной С помощью- формулы () можно получить выражение дпя аппаратной функции Т устройства j определяемой как

T,AA-Vl, (2) где Л,, интенсивность излучения лазера;

АА - полная амплитуда светрвьш колебаний на фотоприемнике 10; разная сумме амплитуд а, и а п-уг1ков,, прошедших через первый и второй интерферометры Фабри-Перо л , -f- а„ ,

(5, .а)1/4(т, (9)(5,) -ь

2/irnjfjSj cosa j )

-711 il

..

где Т j ( S; ) (i 3 2, с) - энергетический коэффициент пропускания одиночного интерферометра Ф.а5ри-Перо,, рав

ный

г .

Т; (6,) , ;

в,. (Й|) - -i-R/ -2R. cosS. I . 11-5 .|

(3)

0

S

S

дR; StniS i

P, arctg -1---1- I - R:COSS;

где Rjs t; энергетические коэффициенты отршкения и пропускания i-ro интерферометра Фабри-Перо, S, - оптический путь луча в i-OM плече интерферометра Фабри-Перо5 исключая оптический путь луча в соответствующем интерферометре Фабри-Перо При вывс- де й. (3) светоделитель 2 и светоделитель- 9 считшотся одинаковымиа

Будем- считатьр что первоначальная настройка оптической -йкйлы устройства таковвг что S,, t, S 1 „ При си: кальном перемещепин зеркала в парком интерферометре 3 Фабри-Перо не измеш1ется сумма S,- }- 1 , а меняется только величина (6, „ Учитывая это

и полагая R,

R, Т (5)-Tj (5) Cf), получаем более простое выражение для

этом случае

.§,о)

1256505 .

ваемое девиацией частоты лазерного излучения относительное изменение коэффициента пропускания устройства оказывается приблизительно в : Q (1-К)д раз. меньше чем у одк- ночного интерферометра Фабри-Перо (Q - это оптическая добротность интерферометра) .

Таким образом, по сравнению с известным устройством предлагаемое позволяет значительно уменьшить влияние шума, вызываемого нестабиль - ностью частоты лазерного излучения, на выходной сигнал и повысить точ- Т ()(1- рТ ((5,с,) X 5 ность измерения линейных перемеще ТЛ,.,, ) 1/(т, (5,)-t-T, Т, (4) Т, (PCOS(P,. (А) Ц ель изобретения достигается при настройке дополнительного интерферометра, соответствующей условию

5,, ,-27TN-(, (5) где N - целое число, а ( /2ГГ)/( -дробная часть длины волны. При такой настройке рабочие точки интерферометров Фабри-Перо, входящих в устройство, расположены на противоположных склонах пика аппаратной функции одиночного интерферометра Фабри-Перо. В

.2 1Л л 1 ег 1л

10

(6)

X sin РЮ .

При настройке устройства в соответствии с условием (5) вызываемые девиацией частаты изменения интенсивности оптического излучения, проходящего через первый и второй интерферометры Фабри-Перо, имеют противоположные знаки, что позволяет взаимно компенсировать эти изменения.

Относительное изменение ( коэффициента пропускания устройства, вызванное девиацией частоты a f/ , при йастройке (5) определяется равенством;

Y Jf SZl p-Rlsinfija. Т/ ;(3;)(.о

f -os io)

X

L.2.b

А

,

R в1пЗ,.л гдеД t8 bFcost Выражение (7) показывает, что влияние девиации частоты на пропускание устройства при настройке (5) определя- етсй разностью длин первого и второго интерферометров Фабри-Перо, Считая что коэффициент отражения R близок к единице и S в формулах отвечает оптимальной настройке одиноч-, ного интерферометра Фабри-Перо S 5;(1-кУу Т ; 1, получаем, что вызы 5

10

20

25

30

35

е Q, 45 нии.

Настройка устройства, отвечакядая условию (5), не является единственно возможной для достижения цели изобретения. В более общем случае может быть выбрана настройка

8,; 2TI-N -bS $,, 2ТТ N.& , где N Nj,, В этом случае рабочие точки .интерферометров Фабри-Перо лежат на противоположных склонах пи- ков аппаратной функции с разными значениями N. При такой настройке относительное изменение коэффициента пропускания из-за девиации частоты оказывается больще, чем при оптимальной настройке. Это может оказаться допусти14 1м в ряде конкретных случа- 1ев в зависимости от требуе1 эй точности.

Выражение для В « (l-R)//2 Справедливо дпя оптимальной рабочей точки идеального интерферометра Фабри-Перо, Для реального интерферометра с учетом конечных размеров зеркал, шероховатостей поверхности, отклонений формы волнового фронта лазерного пучка от заданной выражение для оптимальной точки описывается укаяан- ным только приближенно, Поэтому может быть использовано приближенное

:

значение для

,.. I-

/

Редактор М.Стрельникова

Составитель Н.Захаренко

Техред Л.Сердюкова Корректор Т.Колб

Заказ 2831ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, ч