Способ создания интерференционных полей с фазовым сдвигом от 0 до 180 @ Советский патент 1992 года по МПК G01B9/02 

СО

с

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной интерферометрии. Целью изобретения является снижение световых потерь. Для этого преобразуют линейный поляризованный лазерный пучок в два пучка с взаимно перпендикулярными поляризациями и направляют -их соответственно в измерительной и референтное плзчи интерферометра, преобразуют линейную поляризацию пучков в круговую после этого с использованием дифракиионксй фазовой решетки и трех поляризационных анализаторов, разделяют выходной пучок с помощью решетки на три пучка и в каждом из пучков выделяют поляризаторами излучение с определенной поляризацией. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в лазерной интерферометрии для высокоточных измерений линейных и угловых перемещений.

Известен способ создания интерференционных полей с требуемым фазовым сдвигом в пределах от 0 до 180°. обеспечивающий получение информации о направлении и величине продольного смещения фронта волны измерительного пучка относительно референтного в интерферометрах, работающих на принципе постоянного тока, основанный на приведении к интерференции двух пучков с линейной и круговой поляризациями. В соответствии с этим способом в интерферометр направляют линейно поляризованное излучение лазера с ориентацией вектора поляризации под гулом 45° к плоскости падения светового пучка на светоделительную пластину

интерферометра. Делят световой пучок на две равные части и направляют их к уголковым призмам (отражателям) в опорном и измерительном плечах интерферометра. В одном из плеч интерферометра вносят замедление в Р или S-компоненту (Р или S-CG- ставляющие вектора поляризации, лежащие в плоскости падения и в перпендикулярной плоскости, соответственно)и преобразуют линейную поляризацию в круговую с помощью фазовой пластинки Я/8 ( Я - длина волны излучения /.азера). Приводят пучки с линейной и круговой поля- ризациями, отраженные от уголковых призм, одна из которых связана с объектом (Б измерительном плече), к рекомбинации на светоделительном покрытии пластины. Вносят в S-комлоненту поляризации пучка, отраженного со стороны подложки, задержку в полдлины волны, соответствующую фазовому сдвигу в 180° по отношению к

XI

о оо о ел XI

проходящему пучку, путем специального выполнения слоев свтоделительного покрытия пластины. Из интерференционного поля в проходящем и отраженном свете с помощью светоделительных кубиков и поляроидов формируют три интерференционных сигнала H,l2 и з, имеющих одинаковые уровни переменной и постоянной составляющих, но разные относительные фазовые сдвиги 0°.90° и 180°: И а + b +2ab sin p |2 а2 + b2 + 2 ab sin (p + 90°)

-„2

a/ + b +2ab cos

1з а2+Ь2 + 2аЬ(/ + 180°)

(1) (2)

a2 + bz - 2 ab sin p,(3)

где а и b - амплитуды интерферирующих пучков, р 2 n D/A - разность фаз пучков, D - величина перемещения призмы в измерительном плече, Вычитая попарно сигналы Ii,l2 и з, исключают постоянную составляющую (а + Ь2) и формируют два переменных сигнала Ц h - 12 и ъ - h з в квадратуре, т.е. с взаимным фазовым сдвигом 90°.

Ц 4ab sin (тг/4) sin p - (тг/4)(4)

Is 4 ab cos (я/4) cos p - (тг/4) (5) Наличие сигналов в квадратуре обеспечивает реализацию двунаправленного (реверсивного) счета интерференционных полос, Исключение постоянной составляющей и установление нулевого уровня сраба- тывания счетчиков полос приводит к независимости показаний счетчиков от изменения амплитуды переменного сигнала, вызванных колебаниями интенсивности источника света,

В другом известном способе поворачивают плоскости поляризации пучков, отраженных от уголковых призм в плечах интерферометра, на 90° и с помощью фазовых пластин преобразуют поляризацию одного из пучков из линейной в круговую или наоборот. В результате этого компенсируют разность коэффициентов отражения пропускания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации и устраняют дополнительные фазовые сдвиги и, следовательно, восстанавливают форму поляризации

В известном способе,который является развитием предыдущего, к интерференции приводятся два ортогонально поляризованных пучка. Разделяют ортогонально поляризованные пучки, выходящие из интерферометра, на две части. В разделенных частях с помощью фазовых пластин вносят фазовые сдвиги в измерительный и опорный пучки, что необходимо для создания интерференционных полей с требуемым фазовым сдвигом. Далее пучки разделяются

еще раз и затем составляющие опорного и измерительного пучков приводятся к интерференции с помощью поляризационных светоделителей - таких как кубики или пла5 стины.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ, в котором к интерференции приводятся два световых пучка с противоположными круговыми поляризаци10 ями. Для этого в интерферометр направляют линейно поляризованное излучение лазера. Преобразуют линейные поляризации измерительного и опорного пучков в круговые с противоположными направлени15 ями вращения вектора поляризации с помощью двух фазовых пластин Я/8), установленных в обоих плечах интерферометра. После отражения от уголковых призм пучки с круговыми ортогональными поляри20 зациями совмещают на светоделительном покрытии кубика интерферометра. Из интерференционного поля формируют три по- следова гельности интерференционных сигналов с относительным фазовым сдви25 гом 0°, 90° и 180° с помощью светоделительных кубиков и поляроидов.

Недостатком этого способа является наличие световых потерь, обусловленных преобразованием линейных поляризаций в

30 круговые внутри интерферометра (в его плечах) и необходимостью введения двух фазовых пластин в плечи интерферометра и нескольких технологически сложных в изготовлении светоделительных кубиков с рав35 ными коэффициентами пропускания/ отражения, не зависящим от направления вектора поляризации.

Цель изобретения - снижение световых потерь.

40 Для этого в предлагаемом способе создания интерфенционных полей с фазовым сдвигом 0-180°, заключающемся в преобразовании линейно поляризованного лазерного пучка в два пучка с взаимно

45 перпендикулярными поляризациями и направлении их соответственно в измерительное и референтное плечи интерферометра, преобразовании линейной поляризации пучков в круговую и формировании интер50 ференционных сигналов с относительным фазовым сдвигом 0°, 90°, 180°, преобразование линейной поляризации в круговую осуществляют после совмещения пучков на выходе интерферометра, а для формирова55 ния интерференционных сигналов используют дифракционную фазовую решетку и три поляризационных анализатора, разделяют выходной пучок с помощью фазовой дифракционной решетки на три пучка, в каждом из пучков выделяют излучение с определенной поляризацией с помощью поляризационных анализаторов.

В предложенном способе получения интерференционных полей с требуемым фазовым сдвигом преобразование линейных поляризаций в круговые осуществляется вне интерферометра и с помощью одной фазовой пластинки вместо двух как в прототипе; при этом устраняется возможность появления нежелательных фазовых сдвигов внутри интерферометра и сопутствующих этому сдвигу световых потерь. Использование дифракционной решетки исключает необходимость применения технологически сложных в изготовлении светоделительных кубиков, увеличивающих габариты устройства и вносящих значительные световые потери. При необходимости с помощью дифракционной решетки можно разделить выходной пучок на любое число пучков (от- личие от трех) и сформировать соответствующее число интерференционных сигналов с помощью поляризационных анализаторов.

На чертеже представлена оптическая схема устройства, реализующего предлага- емый способ.

На схеме показаны 1 - источник линейно поляризованного излучения (лазер), 2 - фазовая полуволновая пластинка (А/2), используемая для поворота плоскости поляризации излучения лазера, 3 - поляризационный светоделительный кубик, 4.5 - уголковые отражатели, 6 - фазовая пластинка (Я/4), 7 - фазовая дифракционная решетка, 8 - поляризационные анализаторы, 9фотоприемник.

В интерферометр направляют линейно поляризованный лазерный пучок. Ориентируют вектор поляризации лазера 1 под углом в 45° к плоскости падения на светоделительную грань поляризационного кубика 3 путем поворота лазера вокруг своей оси или с помощью полуволновой пластины 2. Разделяют световой пучок с помощью кубика 3 на два пучка с взаимно перпендикулярными поляризациями и направляют в референтное и измерительное плечи интерферометра. Для исключения нежелательных фазовых задержек при отражении пучков от уголковых призм и сопутствующих этому световых потерь согласовывают ориентацию призм с направлением поляризации, а именно поворачивают призмы вокруг оптической оси так, чтобы плоскость, в которой лежат одно

из ребер и оптическая ось, оказала параллельной направлению вектора поляризации пучка. После отражения от уголковых призм 4 и 5 световые пучки соединяют на светоде- лительном покрытии кубика. Затем преобразуют выходящие из интерферометра световые пучки с линейными взаимно перпендикулярными поляризациями в пучки с круговыми ортогональными поляризациями с помощью одной фазовой четвертьволновой пластинки 6, оптические оси которой составляют угол 45° с направлениями векторов поляризации пучков. Далее совмещенные пучки разделяют на три равные по интенсивности части с помощью дифракционной решетки 7 и выделяют соответствующие интерференционные картины с требуемым фазовым сдвигом посредством поворота поляризационных анализаторов. Фазовый сдвиг равен удвоенному углу поворота анализатора в пределах от 0 до 90°. Таким образом формируют три интерференционных сигналов Н,12,1з с относительными фазовыми сдвигами 0°,90° и 180°. воспринимаемых фотоприемниками 9 и необходимых для осуществления реверсивного счета интерференционных полос в интерферометре, работающем на принципе постоянного тока (см. формулы (1) - (5)).

Формула изобретения Способ создания интерференционных полей с фазовым сдвигом от 0 до 180°, заключающийся в том, что преобразуют линейно поляризованный лазерный пучок в два пучка с взаимно перпендикулярными поляризациями и направляют их соответственно в измерительные и референтные плечи интерферента, преобразуют линейную поляризацию пучков в круговую и формируют интерферентные сигналы с относительными фазовыми сдвигом 0,90 и 180°, отличающийся тем, что, с целью снижения световых потерь, преобразования линейной поляризации в круговую осуществляют после совмещения пучков на выходе интерферометра, а для формирования интер- ференционных сигналов используют дифференционную фазовую решетку и три поляризационных анализатора, разделяют выходной пучок с помощью фазовой дифракционной решетки на три пучка в каждом из пучков выделяют излучение с определенной поляризацией с помощью поляризационных анализаторов.

L:J

e ..