Виброустойчивый интерферометр

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Конойко Алексей Иванович Поликанин Александр Михайлович Малевич Николай Александрович Седнв Роман Геннадьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Виброустойчивый интерферометр содержит оптически связанные светоделитель, анализатор поляризации излучения, первый и второй отражатели, два фазовых элемента, отличающийся тем, что содержит второй светоделитель, первый вход которого непосредственно оптически связан с первым выходом анализатора поляризации излучения, а второй вход оптически связан со вторым выходом анализатора поляризации излучения через фазовый элемент /8, первый выход второго светоделителя оптически связан с первым отражателем, а второй - со вторым отражателем двухканальный фотоприемник,оптически связанный с третьим и четвертым выходами анализатора поляризации излучения, и измерительное устройство, электрически связанное с двухканальным фотоприемником, причем первый вход анализатора поляризации излучения оптически связан напрямую с первым выходом первого светоделителя, а второй вход оптически связан через фазовый элемент /2 со вторым выходом первого светоделителя, причем оси анизотропии фазового элемента /2 и фазового элемента /8 ориентированы к плоскости поляризации падающего на них излучения под углом 45. 71372011.04.30 Полезная модель относится к области лазерной техники и может найти применение,например, при создании систем измерения длин и перемещений, используемых как в оптическом приборостроении, так и в различных отраслях науки и техники. Известен интерферометр Майкельсона 1, содержащий коллиматорный объектив,светоделитель, первый и второй выходы которого оптически связаны с отражателями, а третий выход оптически связан с объективом, в задней фокальной плоскости которого формируется интерференционное поле, являющееся выходом интерферометра. В этом интерферометре при наличии вибраций происходит изменение величины оптических путей интерферирующих световых пучков, что приводит к паразитному дрожанию интерференционной картины. Указанное устройство не позволяет достигнуть высокого качества получаемых интерференционных картин без виброзащищенных оснований из-за наличия отражающих свет поверхностей, отсутствие которых приводит к неконтролируемому изменению разности хода между интерферирующими пучками и, как следствие, падению контраста регистрируемой интерференционной картины, что ухудшает качество и точность измерений. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является виброустойчивый интерферометр 2, содержащий последовательно оптически связанные анализатор поляризации излучения, вращатель поляризации, состоящий из последовательно оптически связанных двух фазовых элементов /4, развернутых друг относительно друга на угол 45, и оптически активного элемента, светоделителя, выполненого в виде двух плоскопараллельных кристаллических пластинок, развернутых друг относительно друга на угол 90, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, параллельны осям анизотропии первого из фазовых элементов, развернутых относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45 и двух отражателей. Указанное устройство не позволяет достигнуть необходимой точности измерений изза ограниченной точности методов обработки гармонических световых сигналов. Технической задачей полезной модели является увеличение достоверности и точности измерений величины линейных перемещений при одновременном расширении функциональных возможностей за счет достижения наиболее оптимальных условий измерения оптической разности хода интерферирующих световых волн. Поставленная техническая задача решается тем, что виброустойчивый интерферометр содержит оптически связанные светоделитель, анализатор поляризации излучения, первый и второй отражатели, два фазовых элемента дополнительно содержат второй светоделитель, первый вход которого непосредственно оптически связан с первым выходом анализатора поляризации излучения, а второй вход оптически связан со вторым выходом анализатора поляризации излучения через фазовый элемент /8, первый выход второго светоделителя оптически связан с первым отражателем, а второй - со вторым отражателем двухканальный фотоприемник, оптически связанный с третьим и четвертым выходами анализатора поляризации излучения, и измерительное устройство, электрически связанное с двухканальным фотоприемником, причем первый вход анализатора поляризации излучения оптически связан напрямую с первым выходом первого светоделителя, а второй вход оптически связан через фазовый элемент /2 со вторым выходом первого светоделителя, причем оси анизотропии фазового элемента /2 и фазового элемента /8 ориентированы к плоскости поляризации падающего на них излучения под углом 45. Увеличение достоверности и точности измерений величины линейных перемещений достигается за счет формирования двух каналов измерения, причем во втором канале интерферирующие световые пучки сдвинуты друг относительно друга на четверть длины световой волны /4, что в конечном итоге позволяет осуществлять измерения на практически линейном участке зависимости интенсивности света от оптической разности хода интерферирующих световых волн. Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где 2 71372011.04.30 1 - первый светоделитель 2 - фазовый элемент /2 3 - анализатор поляризации излучения 4 - фазовый элемент /8 5 - второй светоделитель 6 - первый отражатель 7 - второй отражатель 8 - двухканальный фотоприемник 9 - измерительное устройство. Устройство содержит первый светоделитель 1, анализатор поляризации излучения 3,первый вход которого оптически связан напрямую с первым выходом первого светоделителя 1, а второй вход оптически связан через фазовый элемент /2 2 со вторым выходом первого светоделителя 1, второй светоделитель 5, первый вход которого непосредственно оптически связан с первым выходом анализатора поляризации излучения 3, а второй вход оптически связан со вторым выходом анализатора поляризации излучения 3 через фазовый элемент /8 4, а первый выход второго светоделителя 5 оптически связан с первым отражателем 6, а второй - со вторым отражателем 7, двухканальный фотоприемник 8, оптически связанный с третьим и четвертым выходами анализатора поляризации излучения 3, измерительное устройство 9, электрически связанное с двухканальным фотоприемником 8, причем оси анизотропии фазового элемента /2 2 и фазового элемента /8 4 ориентированы к плоскости поляризации падающего на них излучения под углом 45. Первый светоделитель 1 выполнен в виде плоскопараллельной кристаллической пластинки из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной граням. Фазовый элемент /2 2 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из кристаллического кварца с оптической осью, параллельной входной и выходной граням, оси анизотропии которой ориентированы к плоскости поляризации падающего излучения под углом 45. Анализатор поляризации излучения 3 выполнен в виде призмы Глана с двумя выходными поверхностями. Фазовый элемент /8 4 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из кристаллического кварца с оптической осью, параллельной входной и выходной граням, оси анизотропии которой сориентированы к плоскости поляризации падающего излучения под углом 45. Второй светоделитель 5 выполнен в виде поляризационного расщепителя, состоящего из двух двулучепреломляющих кристаллов в виде плоскопараллельных кристаллических пластинок из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной граням, развернутых друг относительно друга на угол 90. Первый 6 и второй 7 отражатели выполнены в виде плоскопараллельных пластин из стекла К-8 с зеркальным покрытием. Фотоприемник 8 выполнен на базе двух фотодиодов ФД 21 КП. Измеряющее устройство 9 выполнено на основе двух отладочных плат 6245 и 1200 производства . Виброустойчивый интерферометр работает следующим образом. В исходном состоянии на первый светоделитель 1 поступает плоскополяризованный световой пучок с плоскостью поляризации, ориентированной под углом 45 к плоскости, в которой лежит его оптическая ось. При прохождении через первый светоделитель 1 световой пучок делится на два равных по амплитуде ортогонально поляризованных световых пучка. Первый световой пучок, поляризованный в плоскости, перпендикулярной оптической оси первого двулучепреломляющего кристалла 1, поступает непосредственно на первый вход анализатора поляризации излучения 3, а второй, испытав при прохождении 3 71372011.04.30 фазового элемента /2 2 поворот своей плоскости-поляризации на угол 90, поступает на второй вход анализатора поляризации излучения 3. Пройдя анализатор поляризации излучения 3, первый световой пучок поступает непосредственно на первый вход поляризационного светоделителя 5, а второй при прохождении фазового элемента /8 4 приобретает разность фаз между ортогонально поляризованными составляющими, равную /4, и поступает на второй вход второго светоделителя 5. Второй светоделитель 5 осуществляет расщепление каждого из поступивших световых пучков на два (пару) ортогонально поляризованных световых пучка равной интенсивности, первый из которых поступает на первый выход, а второй - на второй выход поляризационного светоделителя. Причем пара,образованная из светового пучка, поступающего на первый вход второго светоделителя 5,обладает разностью фаз, равной нулю, а образованная из светового пучка, поступающего на второй вход второго светоделителя 5, обладает разностью фаз, равной /4. Световые пучки, поступившие на первый выход второго светоделителя 5, испытывают отражение от первого отражателя 6, а световые пучки, поступившие на второй выход второго светоделителя 5, - от второго отражателя 7. После чего они идут в обратном направлении, при этом каждая пара световых пучков приобретает оптическую разность хода, равную 20,где 0 - начальное смещение друг относительно друга первого 6 и второго 7 отражателей. В обратном ходе световые пучки каждой пары на выходе второго светоделителя 5 объединяются между собой. После чего первая пара ортогонально поляризованных световых пучков в обратном ходе непосредственно поступает к анализатору поляризации излучения 3, а вторая пара, пройдя в обратном ходе фазовый элемент /8 4, приобретает дополнительно оптическую разность фаз, равную /4, также поступает к анализатору поляризации излучения 3. Интерференция ортогонально поляризованных световых волн приводит,вследствие наличия в первой паре разности фаз, равной 40/, а во второй 40//2, к изменению поляризации излучения. Поэтому величина интенсивности излучения соответственно на третьем и четвертом выходах анализатора поляризации излучения 3 будет описываться следующими выражениями 12 014 0 вых 302(2),2 4 424 где 0 - интенсивность входного светового пучка. Далее излучение поступает на двухканальный фотоприемник 8, который преобразует световые сигналы в электрические. В измерительном устройстве 9 электрические сигналы поступают на входы двуканального высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление значения величины смещения отражающих поверхностей друг относительно друга, для каждого цифрового отсчета в отдельности. Высокая точность измерений достигается тем, что в любой момент времени они ведутся на практически линейном участке зависимости интенсивности излучения от оптической разности хода интерферирующих между собой световых пучков. Вследствие того, что в предлагаемом интерферометре световые пучки проходят через одни и те же оптические элементы, то разность их оптических путей остается постоянной независимо от возникающих смещений элементов. Таким образом, приведенная схема трансляции световых потоков позволяет исключить влияние дестабилизирующих воздействий (например, механических вибраций). При смещении второго отражателя 7 происходит изменение начальной оптической разности хода , приобретаемой расщепленными ортогонально поляризованными световыми пучками на выходе второго светоделителя 5,что вызовет на выходе, согласно выражениям (1, 2), изменение интенсивности выходного излучения. Далее излучение поступает на двухканальный фотоприемник 8, который пре 4 71372011.04.30 образует световые сигналы в электрические. В измерительном устройстве 9 электрические сигналы поступают на входы двуканального высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление величины изменения смещения отражающих поверхностей друг относительно друга, для каждого цифрового отсчета в отдельности. Однозначность и высокая точность измерения величины смещения отражающих зеркал относительно друг друга достигаются благодаря тому, что каждый раз, в одном из двух каналов, измерения производятся в области практически линейного участка функциональной зависимости интенсивности излучения от величины относительного смещения первого 6 и второго 7 отражателей. В другом же канале в этот момент времени измерения производятся в области экстремума. В зависимости от верхнего или нижнего уровня экстремума на интенсивности излучения от величины относительного смещения первого 6 и второго 7 отражателей. В другом же канале в этот момент времени измерения производятся в области экстремума. В зависимости от верхнего или нижнего уровня экстремума на программном уровне определяется, на каком из склонов функциональной зависимости другого канала производятся измерения, что, в свою очередь, позволяет исключить неоднозначность измерений, так как функциональная зависимость интенсивности излучения от величины относительного смещения первого 6 и второго 7 отражателей является периодической гармонической функцией. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5