Измеритель длин волн Советский патент 1988 года по МПК G01B9/02 

00

1

14411

Изобретение относится к измерителной технике и может быть использован для контроля и измерения длин волн лазерного излучения.

Цель изобретения - повышение точности за счет исключения погрешностей, связанных с нестабильностью положения зеркал интерферометров путем использования общего неподвижного зеркала.

На чертеже представлена структурная схема предложенного измерителя, состоящая из двух интерферометров Фабри-Перо.

Устройство содержит оптическую систему, цифроаналоговую систему сканирования fi модуляции зеркал интерферометров, входящих в оптическую систему, и блок фотоэлектрической обработки информации и индикации на выходе оптической системы.

В оптическую, систему входит коллиматор 1, расположенные после него поворотные зеркала 2, неподвижные зеркала 5 интерферометров и общее для двух интерферометров сканирующее зеркало 3, жестко связанное с пьезо- приводом 4.

Система модуляции содержит гене- ратор 6.

Цифроаналоговая система сканирования состоит из последовательно свя- .занных между собой генератора 7 тактовых импульсов,реверсивного счетчи- ка 8, преобразователя 9 код - напряжение, управляемого источника 10 питания, представляющих собой в совокупности генератор линейно изменяющегося напряжения, управляняций работой пьезопривода 4. При этом один из выходов генератора 7 подключен к счетчику 8, выход счетчика подключен к преобразователю 9, выход преобразователя 9 подключен к источнику 10 питания, выход источника 10 питания подключен к пьезоприводу 4. Генераг тор 6, подключен к пьезоприводу 4.

Блок фотоэлектрической обработки информации и индикации состоит из генератора 6, фотоприемников 11(12), расположенных на выходе интерферометров (здесь и далее позиции, помещенные в скобках, относятся к ветви, включающей второй интерферометр), усилителей 13(14), детекторов 15(16), формирователей 17(18), схем 19(20)

0

0

0

5

892

управления, счетчиков 21(23) импульсов дробной и счетчиков 22(24) целой части полосы, генераторов 25(26) ко- , манд, дешифраторов 27(28), трансляторов 29(30)-и арифметического блока 31. При этом выходы фотоприемников 11(12) и генераторов 6 подключены к усилителям 13(14), выходы усилителей подключены к детекторам 15(16),- выходы детекторов подключены к формирователям 17(18), выходы формирователей подключены к схемам 19(20) управления , выходы схем управления подключены к. счетчикам 21(23) импульсов дробной и счетчиками 22(24) целой части полосы. Вторые выходы схем 19(20) управления подключены к генераторам 25(26) команд, выходы генераторов команд подключены к трансляторам 29(30), к другим входам которых под- ключены дешифраторы 27(28). Выхо- ды счетчиков 21(23) и 22(24) подключены к входам дешифраторов 27(28). Выходы трансляторов 29(30) подключены к входам арифметического блока 31. Второй выход генератора 7 подключен к входам счетчиков 21(23),и 22(24). Работа устройства заключается в определении дробных частей порядка интерференции для всех интерферометров и последующем определении разности дробных частей для каждой пары из двух смежных интерферометров. Полученные таким образом дробные части порядка соответствуют совершенно определенным отрезкам - расстояйием |Между плоскостями, в которых находятся неподвижные зеркала интерферометров (отрезку 1 для первой пары интерферометров). Расстояние между плоскостями для каждой последующей пары интерферометров определяется погрешностью д Л определения дли- нь1 волны при использовании предыдущей пары интерферометров по формуле

1.Л«

24Л,-.

Порядок интерференции k+cTсвязан с длиной 1 интерферометра типа Фабри- Перо равенством

55

, (Л1),

(1)

где Л - длина волны излучения.

Из выражения (1) следует, что изменение длины волны Л на +аД привсдит к изменению порядка интерференции на

(2)

Чтобы изменение порядка при этом не превьшало единицу, длина интерферометра должна удовлетворять условию

1 :J

2йЛ

(3)

Следовательно, если измеряемая длина волны . известна предварительно с погрешностью + Л , то для интерферометра с известной длиной 1, удовлетворяющей неравенству (3), из равенства

%.k+f(,5) (4)

преде можно найти целую часть k порядка

интерференции для измеряемой длины волнь. : В равенстве (4) S - измарен- .ная дробная часть порядка интерференции в линейной мере, . Если бы Л преда было точным значением определяе- 2(l-g) мои длины волны. выражение

JbeAB было бы целым числом k (с точностью

до неопределенности значения с и . длины 1), однако за счет погрешности , указанном соотношении появлят ется дробная часть/. Отбросив (для выделения целой Части k) дробную часть р в выражении (4), появившуюся за счет погрешности предварительного значения- n ieue из соотношения

ililfL.,

УТО1Н

(5)

можно найти уточненное значение длины волны . Те же самые операции выполняются для второго, третьего и т.д. интерферометров, причем предварительным значением длины волны для каждого интерферометра служит уточненное значение длины волны, по- . лученное для предыдущего интерферометра. Отношение (3) верно и при паре интерферометров с разностью длин 1, тогда

К+ 2(1 (k,-K/)-(k,+)

(k5,-k,)+().

Соотношение (1) в этом случае определяет порядок интерференции k+ Гдля разности длин 1 двух интерферометров, соотношение (3 - допустимую разность

;в длинах интерферометров на каждом этапе, .а соотношения (4) и (5) служат для уточнения значения длины вол

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ны по разностям наблюдаемых (измег ренных) дробных частей порядков интерференции 6 Sf для двух интер- 1ферометров с известной разностью длин ,-,.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемое излучение после коллиматора 1 и зеркал 2 поступает .на вход двух сканирующих интерферо- |метров Фабри-Перо, образованных полупрозрачными зеркалами 3,5, и на их выходе регистрируется блоком фотоэлектрической регистрации. Модуляция м сканирование разности хода в интер- ферометрах осуществляется путем подачи модулирующего синусоидального |напряжения от генератора 6 и линейно изменяющегося напряжения от генератора 7 на пьезопривод 4. Для формирования линейно изменяющегося напряжения тактовые импульсы подаются на :реверсивный счетчик 8 и преобразова- тель 9 код-напряжение, где происходит формирование кода напряжения. На выходе счетчика код-напряжения считьша- ется преобразователем, который формирует ступенчатое пилообразное напряжение треугольной формы таким образом , -что оп ределенному приращению напряжения на его выходе соответствует один импульс от генератора 7. Количество ступенек по обоим фронтам пилы одинаково и равно количеству импульсов, поступающих на вход счетчика 8 за один полупериод сканирования разности хода. Мерой сдвига зеркала, соответствующего интервалу между двумя максимумами в интерференционной картине, является количество импульсов, уложившихся между этими максимумами. Для этого тактовые импульсы от .генератора 7 пересчитываются счетчиками 21-24. Заполнение счетчиков 21 и 23 происходит в промежутке времени от начала сканирования до появления первых максимумов в каждом из интерферометров соответ- ственно; их показания соответствуют :дробным частям порядка интерференции для каждого из интерферометров. В промежутке времени между первым и вторым максимумами интерферометров происходит заполнение счетчиков 22 и 24, а их показания соответствуют числу импульсов, укладывающихся в од- Ном порядке интерференции. Аналогич- но работают другие ветви устройства. ,

514

Распределение импульсов между счетчиками осуществляется схемами управления при.условии, что на входе

действует оптическое излучение. Мо

мент прохождения через максимум полосы пропускания аппаратной функции интерферометров определяется путем дифференцирования сигнала по первой производной на частоте модуляции сиг- нала. Для этого с выходов синхронных детекторов 15, 16 сигналы первой производной аппаратной функции поступают на формирователи 17, 18, которые в момент перехода через нуль формируют короткие импульсы, запускающие схемы 19, 20 управления, которые управляют работой счетчиков 21, 22 и 23, 24 соответственно. Содержимое счетчиков через дешифраторы 27, 28 посредством трансляторов 29, 30 переписьюается в память арифметического блока 31. Последовательность перезаписи определяется генераторами 25, 26 команд, которые запускаются от схем 19, 20 уп- равления.

Для нахождения значения длины волны решаются уравнения:

,,Ч(П;

я/

2(lf-S,l л .

1 /

k,

2(1г+.) л,

/

+0, + cC(c 1);

2(l2-Sj

де 1

« 2

расстояние между плоскостями, в которых находятся отражающие поверхности неподвижных зеркал интерферометров;

соответствующие им дробные порядка интерферен

s 0 5

0

5

ар

0

89-6

ции, представляюище собой разности дробных частей, полученных для смежных интерферометров;количество импульсов между двумя соседними максиму-- мами.

Решение указанных уравнений измерения осуществляется по программе, составленной для блока 3, и происходит автоматически по командам от генераторов 25, 26. На индикаторном табло блока 31 в цифровом виде вьща- ется значение искомой длины волны. Структурная схема других ветвей устройства аналогична схеме первой

ветви.

t Формула изобретения

Измеритель длин волн, содержащий п сканирующих интерферометров Фабри- Перо, п. цифроаналоговых систем скани- .рования и модуляции зеркала и п блоков фотоэлектрической индикации5 каждый из которых связан с выходом соответствующего интерферометра, отличающийся тем, что, с целью по- вьшения точности измерения, подвижное зеркало и узел сканирования вьшолнены общими для всех интерферометров, неподвижные зеркала кинематически связаны между собой, а отражающие поверхности расположены в плоскостях, разнесенных на расстояния

2дЛ,/

где / - нижняя граница рабочей области спектра измерителя длин волн;

- погрешность определения длины волны при использовании i-ro интерферометра.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения длин волн лазерного излучения. Цель изобрете - ния - повьшение точности - достигается за счет устранения погрешностей, . связанных с нестабильностью положения зеркал. Работа измерителя заключается в определении дробных частей порядка интерференции для всех интерферометров и последующем определении разности дробных частей дпя каждой пары смежных интерферометров. Излучение после коллиматора 1 и зеркал 2 поступает на вход сканирующих интерферометров Фабри-Перо,образованных полупрозрачными зеркалами 3,5, и на их выходе регистрируется блоком фотоэлектрической регистрации, 1 ил.