12.5 Лазерный интерферометр (лазерное измерение перемещений)

 

 

Измерения перемещения с использованием лазерного

интерферометра позволяет добиться точности измерения порядка 0.4 ppm ( 0,4 мкм) в воздушной среде и 0.02 ppm (0,02 мкм) в вакууме.

Интерферометр впервые построил А.А. Майкельсон в 1881 г. Упрощенная схема интерферометра показана на рис. 12.5.1.

Когерентный пучок света падает на полупрозрачное зеркало.

Это зеркало раздепяет свет на два луча. Первый устремляется к референционному рефлектору  (отражателю) Z1 и отражается от него Второй луч направляется к подвижному рефлектору Z2 и отражается от него. Отраженные лучи вновь встретятся на детекторе. Так как эти лучи исходят из одного когерентного источника – они будут интерферировать. Когда подвижный рефлектор переместится, частота отраженного луча в измерительном канале изменится. Детектор рассчитывает разность частот отраженных лучей – fD  (рис. 12.5.1). Измеренная величина перемещения

рассчитывается в соответствии с

 

   L = fD* λ//2 = N* λ /2 

                                                                                                                

где: N – количество импульсов,

        λ – длина волны света.

.Майкельсон

 

Рис.12.5.1. Интерферометр  Майкельсона

 

Конструкция интерферометров

Основной недостатк  интерферометра Майкельсона это то, что детектор не может определить, является ли fD отрицательным или положительным. Таким образом измерения смещения движущегося отражателя получаются без знака.

Используются две схемы, которые позволяют определить  направление движения отражателя. В зависимости от количества частот  (длин волн света), применяемых в интерферометре, одна схема называется гомодинной (одна частота),  вторая- гетеродинной (две частоты).

В гомодинном методе, показанном на рис. 12.5.2, в качестве

когерентного источника света используется линейно поляризованный (одночастотный) лазер. Поляризационный сплиттер (фильтр) разбивает

световой луч исходящий от лазера на два пучка поляризованных вертикально (90°) и горизонтально (0°). Первый направлен по измерительному каналу, а позже попадает в референционный канал. Частота луча в измерительном канале меняется вместе с перемещением рефлектора. Поляризация отраженных

лучей меняется на кругообразную с использованием /4 волновой пластинки. После 0° и 45° поляризаций, получаются два сигнала, сдвинутых по фазе. Сдвиг по фазе +90o получаем когда происходит перемещение в измерительном канале и -90o,  когда перемещение происходит от_лазера._

Майкельсон-1

Рис. 12.5.2. Блочная схема  интерферометра, работающего

по гомодинамическому принципу

 

В гетеродинном методе, показанном на рис. 12.5.3, используется двухчастотный лазер, например, лазер Зеемана. Двухчастотный лазер не подходит для интерферометра с гетеродинным принципом работы, потому что разница между f1 и f2 как правило, слишком высока для электронного счетчика.

Основное различие между двумя описанными способами состоит в том, что в гетеродинном методе частота одного луча в референционном канале отличается от частоты луча в измерительном канале. По-другому выглядит и система детекции – измерение происходит посредством сравнения разницы частот референционного канала и измерительного канала.

Гетеродинный метод даёт правильные результаты только когда fD не превышает значения разницы частот f2 – f1  лазера. На  практике эта разница, возникающая от  доплеровского эффекта, равна около 1,0 MHz, что ограничивает максимальную скорость перемещения измерительного плеча, в одном из направлений, до  0.3 м/с.

 

И-3

Рис.12.5.3.  Блок схема интерферометра, работающего по гетеродинному принципу

Влияние окружающей среды на точность измерений

 

Как следует из формулы (12.5.1) единицей интерферометрического измерения длины является длина волны света. В соответствии с формулой

 

       Λ = V/f                                               (12.5.2)

 

она зависит от частоты лазера f и скорости света v на пути измерения.

Если бы измерение проводилось в вакууме, то v = c = 3*108 м/с. Длина волны света в среде, отличающейся от вакуума – короче и описывается формулой

V = c/n                                               (12.5.3)

 

где: n – коэффициент преломления.

При менее точных расчётах принимают n как постоянную, зависящую только от типа среды. В реальности значение коэффициента преломления зависит от множества факторов. В отношении к волне света распространяющейся в воздухе наиболее важным является давление P, температура T и влажность H.

Зависимость n, T, P, H  для  воздуха с концентрацией CO2 на уровне 300 ppm, была определена Эдленем эмперически и описана сложной формулой

Зависимости коэффициента преломления для выбранных параметров в нормальных условиях применеия

(T=293 K, P=1000 hPa, H=50%).

Следует заметить, что наиболее критическим фактором является температура, потому что её изменение на 1,0 K влечёт на порядок больше, чем  изменения значения коэффициента n от изменения давления на 1,0 hPa и на два порядка больше, чем изменение влажности на 1%.