книги из ГПНТБ / Применения лазеров

определяет такое же кажущееся положение источника в плоскости yz, как и наклонная пластина, хотя дополнитель­ ный оптический путь в ней вдоль оси более велик. Отсюда следует, что невозможно получить совпадающие даже в одной плоскости изображения источников и S 2 и одно­ временно иметь равные длины оптического пути так, чтобы

Nh = 0.

Если в некоторой точке истинные длины оптического пути одинаковы, то источники не будут казаться совпа­ дающими; если же кривизна волновых фронтов согласова­ на, то оптические пути будут разными. Тот факт, что эти два условия не могут быть одновременно удовлетворены, является существенным недостатком нескомпенсированных интерферометров, в которых использовались лишь тепло­ вые источники света.

Для лазерных же источников света несогласованность постоянной длины пути не вызывает каких-либо затруд­ нений. Однако астигматизм пластины искажает картину полос: полосы, которые были бы, например, круговыми в скомпенсированном случае, будут эллиптическими. Кар­ тину интерференционных полос можно предсказать, ис­ пользуя уравнение (26) в ранее выполненных геометри­ ческих расчетах.3

3. 3. Ограничение степеней свободы

Обычный интерферометр Тваймана—Грина имеет много степеней свободы (линейных и угловых) и неудобен из-за высокой чувствительности к разъюстировке. Вместо плос­ ких зеркал можно использовать отражатели типа угол куба или «кошачий глаз», устраняющие две угловые степени свободы. Такой интерферометр при наклоне подвиж­ ного отражателя работает до тех пор, пока хоть какаялибо часть пучка отражается в сторону расщепителя пуч­ ка, и поэтому чувствительность к боковой разъюстировке очень низка по сравнению с первоначальной угловой чув­ ствительностью. ^Если уголковые отражатели смещены (фиг. 15), то такой интерферометр обладает дополнительным

траняющего обратное влияние на лазер) удается обеспе­ чить нечувствительность к поворотам и поперечным сме­ щениям подвижного отражателя при его перемещении. Таким способом достигается минимум необходимых степеней сво­ боды при одновременном увеличении чувствительности в 2 раза из-за удвоения пути. Как и в других надежных ус­ тройствах, все оптические элементы интерферометра могут быть смонтированы в виде единой жесткой конструкции. Более подробное обсуждение и анализ оптических аберра­ ций проведены в работе [22].

3.4. Реверсивный счет

Вприменяемых приборах необходимо обеспечить ревер­ сивный счет числа интерференционных полос с тем, чтобы измерения могли проводиться при движении зеркала как

впрямом, так и в обратном направлениях и, что более важно, чтобы не было ложного счета полос при наличии вибраций. Для определения знака перемещения необхо­ димо иметь на выходе интерферометра два сигнала со сдви­ гом фазы, равным rJ2 рад. Эти сигналы, один из которых изменяется по синусоидальному, а другой по косинусои­ дальному закону с изменением длины пути, вначале преоб­ разуются в прямоугольные импульсы. Следующие друг за другом импульсы в одном канале подсчитываются счет­ чиком, а из соотношения фаз двух сигналов определяют, будет ли регистрируемое число положительным или от­ рицательным. Основная техника такого счета, включаю­ щая электронные схемы, описана в работе [14]. В настоя­

щее время продаются реверсивные электронные счетчики, работающие непосредственно от сигнала фотодетектора и обеспечивающие скорости счета порядка 1 МГц и выше.

Наиболее простой способ получения сигналов со сдвигом фазы тс/2 заключается в наклоне опорного зеркала (фиг. 18). Наклон, равный 32 мкрад, обеспечивает пространственное разделение полос в 1 см. В этом случае два соответствую­ щим образом расположенных фотодетектора дадут необ­ ходимые сигналы. Если их подать на отклоняющие плас­ тины X и Y осциллографа, луч будет двигаться по кругу, причем направление вращения будет зависеть от направ­ ления перемещения подвижного зеркала. Длину можно изме­

искажений волновых фронтов, вызываемых атмосферной турбулентностью, необходимо иметь два сигнала, разде­ ленные по амплитуде, а не по волновым фронтам. Хороший способ предложен в работе [49], в которой использовался интерферометр, подобный изображенному на фиг. 15, а фотоприемник помещался в центре каждой из двух нала­ гающихся интерференционных картин. Если расщепитель пучка имел диэлектрическое покрытие с пренебрежимо малыми потерями, то выходные сигналы были в противо­ фазе, но общая энергия сохранялась. Если же покрытие расщепителя пучка было металлическим и вносило некото­ рые потери, то выходные сигналы уже не были в противо­ фазе; действительный фазовый сдвиг между двумя выход­ ными сигналами крайне чувствителен к толщине и составу покрытия расщепителя пучка.

В работе [52] предложен метод, в котором для обеспече­ ния необходимой величины фазового сдвига были исполь­ зованы некоторые сплавы золота и серебра. Достоинство этого метода состоит в том, что отсутствует обратное влия­ ние на лазер, нет разделения волнового фронта и исполь­ зуется весь свет, за исключением поглощенного в расще­ пителе пучка (типичная величина потерь ~40%). Изгото­ вление хороших расщепителей пучка, однако, связано с некоторыми. трудностями.

Был предложен также ряд поляризационных методов. Схема одного из них показана на фиг.20. Входящий свет линейно поляризован под углом 45° к плоскости интерферо­ метра. После отражения от подвижного зеркала и от рас­ щепителя пучка свет в измерительном пучке на выходе интерферометра все еще остается линейно поляризованным под углом 45°, и его вертикальная и горизонтальная состав­ ляющие синфазны. Однако если в опорном плече находит­ ся четвертьволновая пластинка, создающая круговую по­ ляризацию, то вертикальная и горизонтальная составляю­ щие света будут сдвинуты по фазе на я /2. После совмещения пучков призма Волластона разделяет вертикальные и гори­ зонтальные составляющие, давая две интерференционные картины, которые сдвинуты по фазе на л /2, и обеспечивает таким образом необходимые выходные сигналы. Если, на­ пример, горизонтально поляризованные составляющие на­ ходятся в фазе, то одна из вертикально поляризованных

При использовании поляризационной компенсации воз­ никают некоторые проблемы. Поляризация в общем слу­ чае изменяется при любом отражении, исключая нормаль­ ное падение, и поэтому применение установленных под углом 45° расщепителей пучка и различных обратных от­ ражателей, кроме отражателей типа «кошачий глаз» с

две половины и одну из них перевернуть или же если на­ нести покрытие на верхнюю половину одной стороны и на нижнюю половину другой. В обоих случаях отражения, обес­ печивающие требуемые выходные пучки, будут происхо­ дить как на границе раздела воздух—покрытие, так и на границе стекло—покрытие. Другой путь получения неполя­ ризующего расщепителя пучка заключается в установке его под малым углом падения (от 10° до 15°), а не под углом

Ф и г. 21. Вариант поляризационного интерферометра с удвое­ нием пути.

/ — пластинка Х/8; 2 — зеркало; 3 — призма Волласто іа.

45°. Таким образом, регулировка угла падения и связанной с ним линейной поляризации входящего света не изменяет относительного фазового сдвига входных сигналов, но изменяет их интенсивность. Если вместо призмы Воллас­ тона использовать второй расщепитель пучка и два отдель­ ных поляризатора, то можно регулировать относительный фазовый сдвиг выходных сигналов.

Недостаток поляризационного метода заключается в том, что половина выходного света не используется, если не применяется вторая пара фотодетекторов. Достоинство этого метода состоит в том, что входные сигналы можно регулировать по фазе и амплитуде. Несомненно, что могут быть также использованы различные варианты устройства, приведенного на фиг. 20 (например, устройства, схемы которых показаны на фиг. 16 и 21). В устройстве на фиг. 21 поляризационная компенсация достигается за счет того, что для линейно поляризованного света существует такое взаимное положение этих компонентов по углу поворота

вокруг оси, при котором поляризация полностью сохра­ няется после двойного прохождения через уголковый от­ ражатель [48].

Предложен другой метод реверсивного счета, в котором в качестве источника света использован Не—Ne-лазер, помещенный в продольное магнитное поле. При этом он одновременно генерирует две различные оптические час­ тоты, разнесенные примерно на 2 МГц. Совмещенные про­ странственно выходные пучки имеют круговую поляризацию с противоположным направлением вращения плоскости поляризации. Они разделяются с помощью расщепителя пучка и двух фильтров, каждый из которых представляет собой четвертьволновую пластину и линейный поляризатор; один из сигналов является опорным, другой — измери­ тельным. Если зеркало в измерительном плече движется, то на детекторе наблюдается частота биений, отличная от основной частоты биений 2 МГц (основная частота биений наблюдается на выходе лазера при использовании второ­ го расщепителя пучка и детектора), и эта разность частот может быть использована для измерения перемещения зер­ кала. Этот метод благодаря работе с сигналами переменного тока гораздо менее чувствителен к ослаблению пучка света

визмерительном плече, чем метод, в котором используются сигналы постоянного тока. Подробно этот метод изложен

вработе [17].3

3. 5. Анализ выходных сигналов

Для простого подсчета числа интерференционных полос в небольшом диапазоне перемещения отражателя можно использовать как метод, в котором применяется пол­ ностью скомпенсированный по потерям расщепитель пучка, так и более сложный поляризационный метод. При работе на более длинных дистанциях, особенно в тех случаях, когда турбулентность воздуха может вызывать мерцание и искажение интерференционной картины, а также при измерении долей интерференционной полосы в условиях вибраций и при проведении исследований по распростра­ нению света, необходимо более подробно рассмотреть вы­ ходные сигналы и источники ошибок. Мы начнем с более

простого метода: покажем, как могут быть получены данные по дробной части интерференционной полосы, а затем про­ анализируем поляризационный интерферометр.

3.5.1. Метод с использованием полностью скомпенсированного по потерям расщепителя пучка

Рассмотрим интерферометр, схема которого приведена на фиг. 22. Предположим, что входящий в интерферометр свет линейно поляризован в плоскости р или s расщепите­ ля пучка (соответственно плоскость схемы или перпендику-

г

лярная плоскость, проходящая через оптическую ось) и что используются отражатели типа «кошачий глаз» или диэдральные зеркала с линиями пересечения, перпендику­ лярными плоскости схемы, так что поляризационные эф­ фекты незначительны. Выходной сигнал лазера может быть взят в виде плоской волны с одинаковой интенсивностью / 0 по всей интересующей нас площади и описан выражением Л cos ют. Средняя интенсивность равна І0 = 1І2А2. Ам­ плитуда опорного пучка, попадающего на детектор 1 пос­ ле двукратного отражения на расщепителе пучка, коэф­ фициент отражения которого г, определяется выражением

г2А cos сот. Потери на отражателях можно не учитывать, поскольку они одинаковы для обоих выходных сигналов фотодетекторов 1 я 2. Амплитуда пучка, попадающего на фотодетектор 2 после прохождения измерительного плеча, определяется формулой rtA cos (ют -f- Ѳ/2), где t — ве­ личина пропускания расщепителя пучка, Ѳ/2 — фаза, обус­ ловленная наличием расщепителя. Появление этого фазо­ вого сдвига между отраженным и проходящим пучками является основным недостатком метода. Амплитуда пучка в измерительном плече на фотодетекторе 1 дается выраже­ нием t4pA cos (ют + Ѳ— ф), где tp — величина пропус­ кания на измеряемом пути, а ср = 2л/AL — фазовый сдвиг, обусловленный разностью оптического пути ДL для изме­ рительного и опорного пучков. Амплитуда измерительного пучка на фотодетекторе 2 определяется выражением rttpA cos (ют + Ѳ/2— ф). Выходные сигналы от фотодетек­ торов 1 и 2, получаемые сложением опорного и измеритель­ ного пучков на каждом детекторе, возведением в квадрат и усреднением по времени, определяются по формулам

и пропускания мощности излучения, а Ci и С2— парамет­ ры, описывающие усиление фотоумножителя и изменение сигнала от других регулирующих устройств. Один из выходных сигналов изменяется как cos ф, а другой — как cos(Ѳ— ф ), но ни для одной полосы видность интерферен­ ционной картины не будет равна единице. При отсутствии мерцания (постоянство во времени Тр) можно проводить измерения, исключая постоянные составляющие и усили­ вая сигналы переменного тока до равной амплитуды. Из обработки этих сигналов можно получить Ѳи ф. Обозначив нормированные части переменного сигнала /і и / 2 через I 1 и / 2', получим

l\ = cos (Ѳ — <р),