5 Двочастотні лазерні інтерферометри
Метою данної лекції є вивчення пристрою й принципів роботи двочастотного вимірювального інтерферометра.
Загальна оптоелектронна структура двочастотного інтерферометра представлена на рис.5.2.
1 - лазерна трубка; 2 - нагрівач; 3 - магніт; 4 - неполяризаційний роздільник пучка; 5 – пластинка ; 6 – пластинка 2; 7 - коліматор; 8 - магнітний компенсатор; 9 - рідкокристалічне середовище; 10-фотодетектори; 11-поляризатори; 12 - вузькосмугові підсилювачі; 13 - поляризаційний ділильний кубик з опорною відбивною призмою; 14 - робоча переміщувана відбивна призма.
Рисунок 5.2 - Загальна структура двочастотного інтерферометра
Із структурної схеми, наведеної на рис. 5.2 можна виділити дві основні оптоелектронні частини. Перша представлена в лівій частині схеми й забезпечує стабілізацію частоти випромінювання лазера. Друга забезпечує виконання вимірів і їхню обробку.
У системі використаний стандартний He-Ne лазер з довжиною хвилі 632,8 нм із внутрішніми дзеркалами, що перебувають в поздовжньому магнітному полі. Зеєманівська частота лазера становить близько 1,6 Мгц, а вихідна потужність близько 1 мВт. Поскольку активный элемент лазера находится в продольном магнитном поле, то происходит расщепление частоты излучения лазера на две оптические частоты, расстояние между которыми составляет около 1,6 МГц. Этот частотный интервал называется зеемановская частота, а лазер стабилизируется по эффекту Зеемана, поскольку используются две оптические частоты, разнесенные на величину, зависящую от величины магнитного поля. В лазерной системе использован стандартный He-Ne лазер с внутренними зеркалами, а выходная мощность около 1 мВт.
Встроенный жидкий кристалл переключает оптические частоты f1 и f2, которые подаются на фотодиод с частотой Fr = 800 Гц. Используемая система стабилизации частоты позволяет получить кратковременную стабильность не хуже 10-9. Опорная зеемановская частота Fz = f1 - f2, а измерительный сигнал имеет частоту Fz - fd . Дискрет измерения равен , при статистической обработке сигнала fd его можно уменьшить в 10 раз. Таким образом, дискрет измерения интерферометра не превышает 0,01 мкм.
.
Лазер стабілізується за допомогою ефекту Зеємана. Вбудований рідкий кристал перемикає оптичні частоти f1 і f2, які подаються на фотодіод із частотою Fr=800 Гц. Використовувана система стабілізації частоти дозволяє одержати короткочасну стабільність близько 10-9. Опорна зеєманівска частота Fz=f1-f2, а вимірювальний сигнал має частоту Fz -fd . Дискрет виміру дорівнює , при статистичній обробці сигналу fd його можна зменшити в 10 разів. Таким чином, дискретність виміру інтерферометра не перевищує 0,01 мкм. Більш докладний опис системи стабілізації частоти випромінювання лазера, із зеєманівским розщепленням частоти випромінювання, можна знайти в спеціальній літературі.
Лазерний, двочастотний інтерферометр, уперше був розроблений фахівцями фірми Hullett-Packard. Метою створення інтерферометра, цього типу було забезпечення вимірів не тільки переміщень і відстаней, але також швидкості переміщення відбивача. Двочастотна схема цього інтерферометра дозволяє фіксувати зміну напряму руху відбивача. Таким чином, функціональна відмінність цього типу інтерферометра від відомих одночастотних полягає в значному розширенні вимірювальних можливостей. Принципова відмінність цього інтерферометра полягає у використанні двочастотного лазера зі стабілізованою різничною частотою. Як правило, в якості такого лазера використовується He-Ne лазер із зеєманівським розщепленням лінії випромінювання. Величина розщеплення, як правило, не перевищує двох мегагерц і визначає максимальну величину вимірюваної швидкості руху. Дві розщеплені хвилі, крім того, що відрізняються оптичними частотами, мають взаємно ортогональні поляризації. У цьому зв'язку, всі оптичні елементи інтерферометра мають поляризаційні покриття, що забезпечують поділ частот у просторі.
До складу двочастотного інтерферометра входять: оптична система разом із двочастотним лазером, система компенсації довжини хвилі випромінювання, комп'ютер разом із програмним забезпеченням, а також додаткові оптичні пристосування. Все оснащення лазерної вимірювальної голівки, що полягає в системі програмного й інструментального забезпечення виміру, призначено для лінійних і кутових вимірів, виміру площинності, виміру прямолінійності, виміру взаємоперпендикулярності й виміру швидкості переміщення. Оптичні пристосування міняються залежно від проведених вимірів. У комплект входять: оптика для вимірів лінійних, оптика для вимірів кутових, оптика для вимірів прямолінійності й оптика для вимірів взаємоперпендикулярності.
Комп'ютер забезпечує візуалізацію й обробку результатів вимірів.
Принцип роботи двочастотного інтерферометра полягає в наступному. Двочастотне (f1 і f2) випромінювання лазера розділяється на звичайному неполяризаційному кубику. Одна частина потужності випромінювання лазера, менша, приділяється на контрольний фотодетектор, а інша більш потужна направляється в інтерферометр. На контрольному фотодіоді виділяється різницева частота між оптичними частотами f1 і f2. Для забезпечення взаємодії двох ортогонально поляризованих хвиль на поверхні фотодіода перед останнім установлюється поляризатор, таким чином, щоб виділити компоненти відносно 45 градусного напрямку. Після виділення сигналу на різницевій частоті, він підсилюється й передається на систему обробки результатів вимірів. Оскільки система стабілізації частоти випромінювання лазера забезпечує високу стабільність різниці між цими частотами, то її можна використати як опорне значення, щодо якого виконуються всі інші обчислення.
Використовувані дві пластини чверть хвильова й напівхвильова, які встановлені під кутом 15 градусів до напрямку поширення лазерного випромінювання забезпечують просторове настроювання поляризації лазерного випромінювання відповідно до положення ділильної призми.
Поляризаційний ділильний кубик виконує дві функції. По-перше, з його допомогою, з огляду на те, що в кожної частоти своя поляризація, одна частота направляється на опорний ретро відбивач, інша - на переміщуваний відбивач. По-друге, ця призма поєднує частоти й направляє їх на вимірювальний фотодіод. У зв'язку з тим, що вимірювальна призма переміщається в процесі вимірів, то за рахунок ефекту Доплера змінюється частота випромінювання. Тому різниця частот на виході ділильної призми буде змінена на величину пов'язану зі швидкістю і напрямком переміщення відбивача.