Лазерный измеритель перемещений

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Машко Василий Вячеславович Костик Олег Естафьевич Тепляшин Леонид Леонидович Щемелв Максим Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Лазерный измеритель перемещений, включающий оптически связанные электронное измерительное устройство и лазер с линейным резонатором, образованным неподвижным непрозрачным зеркалом и выходным подвижным частично прозрачным зеркалом, отличающийся тем, что неподвижное непрозрачное зеркало линейного резонатора нанесено на внешнюю грань твердотельного активного элемента, закрепленного на корпусе лазера,с противоположной стороны корпуса лазера закреплен изменяющий длину резонатора пьезоэлемент, на котором закреплен эталон Фабри-Перо, выполняющий также роль внутрирезонаторного фазового элемента при его механической деформации в направлении,перпендикулярном оси резонатора, а его внешняя отражающая поверхность использована в качестве выходного подвижного частично прозрачного зеркала резонатора, на эталоне Фабри-Перо установлен деформирующий пьезоэлемент, со стороны твердотельного активного элемента на корпусе лазера закреплена диодная накачка.(56) 1., - . - 1970. 21. - . 12. - . 2. 2. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л. Машиностроение, 1978. - С. 231. 3. Костик О, Машко В.В., Тепляшин Л.Л. Приборостроение 2010. Материалы 3-й Международной научно-технической конференции. - Минск, 10-12 ноября 2010. - С. 266-267. Полезная модель относится к области лазерной техники, а именно к лазерным измерительным системам, и может найти применение при разработке лазерных измерителей наноперемещений. В настоящее время важнейшей задачей развития нанотехнологии и наноиндустрии является разработка высокочувствительных методов и создание нового поколения высокоточных средств измерений линейных размеров и суперпрецизионных перемещений объектов в нанометровом диапазоне с предельно достижимой степенью точности, а также методов и средств их калибровки. Точное измерение перемещений в субмикронном диапазоне необходимо для проведения фундаментальных и прикладных работ, связанных с созданием нового поколения средств измерений, основанных на принципах растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии, при исследовании квантово-размерных эффектов, аттестации и калибровке систем сканирования и позиционирования микро- и нанодиапазонов и их метрологического обеспечения. В большинстве современных лазерных измерителей перемещений, построенных по схеме двухлучевого интерферометра Майкельсона, лазеры используются в качестве источников света. Созданы также лазерные измерители малых перемещений, использующие собственные свойства линейного резонатора лазера (интерферометра Фабри-Перо). Применение двухчастотных лазеров в измерителях перемещений позволяет перейти от измерения перемещений по изменению интерференционной картины (энергетические измерения),создаваемой двумя лазерными пучками, к измерениям перемещения по изменению частоты или фазы сигнала биений, возникающего при смешивании двух лазерных пучков с различными оптическими частотами на нелинейном фотоприемнике. Выбирая лазерные пучки с близко расположенными оптическими частотами, можно получить частоту сигнала биений в радиодиапазоне, удобном для проведения различных измерений с высокой степенью точности. Известен двухчастотный лазерный измеритель перемещений 1, состоящий из двухчастотного лазера, двухлучевого интерферометра Майкельсона, имеющего неподвижный и измерительный подвижный отражатели, фотоприемника, набора оптических элементов для управления поляризацией и направлением излучения лазера, блока управления и обработки сигнала. Двухчастотное излучение лазера делится на два пучка опорный, минующий исследуемый объект, и измерительный, отслеживающий перемещение измерительного подвижного отражателя. При изменении положения подвижного отражателя на расстояниеизмерительный лазерный пучок проходит дополнительный геометрический путь 2,что приводит к изменению разности фаз сигналов биений опорного и измерительного пучков. Величину перемещенияподвижного измерительного отражателя определяют по изменению разности фаз сигналов биений опорного и измерительного пучков по формуле измоп ,(1) 2 где- длина волны излучения лазера, изм - фаза сигнала биений измерительного пучка,оп - фаза сигнала биений опорного пучка. 75562011.08.30 Основным недостатком данного лазерного измерителя перемещений является сложность и дороговизна его оптической системы, которая, помимо двухчастотного лазера,включает также светоделительные пластины, волновые пластины, уголковые отражатели и поляризаторы. Следует также отметить ограниченность его использования в субмикронном диапазоне измерений, так как его разрешающая способность по перемещению составляет порядка 10 нм, а погрешность измерений - 100 нм. Наиболее близким (прототипом) по технической сущности к заявляемой полезной модели является лазерный измеритель перемещений 2, состоящий из электронного измерительного устройства разностной частоты и лазера с линейным резонатором, образованным неподвижным частично прозрачным зеркалом и непрозрачным подвижным (измерительным) зеркалом, в котором для измерения малых перемещений и линейных размеров используется зависимость разностной частоты излучения между соседними продольными модами лазера/2 от длины резонатора . По изменению разностной частоты ,происходящему при перемещении подвижного зеркала резонатора лазера, может быть определена величинаэтого перемещения по формуле 22 Таким образом, определение малых линейных размеров и перемещений сводится к определению частоты, которую можно измерить радиотехническими методами с высокой степенью точности. Недостатками данного измерителя являются малая разрешающая способность по перемещению и необходимость измерять небольшие относительные изменения разностной частоты излучения между соседними продольными модами лазера, что приводит к невысокой точности этих измерений и, следовательно, большой погрешности определения перемещений и линейных размеров. Технической задачей полезной модели является создание лазерного измерителя перемещений, обеспечивающего увеличение разрешающей способности и уменьшение погрешности при измерениях линейных размеров и перемещений в нанометровой области. Поставленная техническая задача решается тем, что в лазерном измерителе перемещений, включающем оптически связанные электронное измерительное устройство и лазер с линейным резонатором, образованным неподвижным непрозрачным зеркалом и выходным подвижным частично прозрачным зеркалом, неподвижное непрозрачное зеркало линейного резонатора нанесено на внешнюю грань твердотельного активного элемента,закрепленного на корпусе лазера. С противоположной стороны корпуса лазера закреплен изменяющий длину резонатора пьезоэлемент, на котором закреплен эталон Фабри-Перо,выполняющий также роль внутрирезонаторного фазового элемента при его механической деформации в направлении, перпендикулярном оси резонатора, а его внешняя отражающая поверхность использована в качестве выходного подвижного частично прозрачного зеркала резонатора. На эталоне Фабри-Перо установлен деформирующий пьезоэлемент,со стороны твердотельного активного элемента на корпусе лазера закреплена диодная накачка. Получение двух- и четырехчастотных режимов генерации и создание контролируемой дисперсии резонатора, используемых для измерения перемещений в нанодиапазоне, обеспечено применением линейного резонатора (далее по тексту - резонатора) лазера, твердотельного активного элемента, возбуждаемого диодной накачкой, внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо. Эталон Фабри-Перо выполняет также функции фазового элемента,создающего фазовую анизотропию, при его механической деформации в направлении,перпендикулярном оси резонатора. Выходное подвижное частично прозрачное зеркало резонатора лазера служит в качестве подвижного измерительного отражателя. Для измерения малых перемещений и линейных размеров использован линейный участок зависимости разностной частотыдвух ортогонально поляризованных компонент излучения 3 75562011.08.30 лазера (двухчастотный режим генерации) от длины резонатора 3. Данная зависимость,являющаяся следствием дисперсионных свойств эталона Фабри-Перо, обеспечивает увеличение чувствительности изменения частотык изменению длинырезонатора более чем на порядок по сравнению с прототипом. Четырехчастотный режим генерации использован для градуировки перемещения измерительного выходного подвижного частично прозрачного зеркала резонатора лазера. Эталон Фабри-Перо выполнен в виде пластины из плавленого кварца. Высокая пассивная стабильность резонатора лазера осуществлена за счет минимизации числа внутрирезонаторных элементов, для чего в качестве выходного подвижного частично прозрачного зеркала резонатора использована внешняя отражающая поверхность эталона Фабри-Перо, а фазовая анизотропия создана при деформации эталона Фабри-Перо в направлении, перпендикулярном оси резонатора. Второе неподвижное непрозрачное зеркало резонатора нанесено на внешнюю грань твердотельного активного элемента. Механические узлы и детали лазера изготовлены из материала инвара с низким коэффициентом теплового расширения. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема лазерного измерителя перемещений, где 1 - корпус лазера 2 - твердотельный активный элемент 3 - неподвижное непрозрачное зеркало резонатора 4 - выходное подвижное частично прозрачное зеркало резонатора 5 - эталон Фабри-Перо 6 - деформирующий пьезоэлемент 7 - пьезоэлемент 8 - диодная накачка 9 - электронное измерительное устройство 10 - лазер. На фиг. 2 изображена градуировочная кривая для определения перемещения зеркала по величине разностной частоты . Предлагаемый лазерный измеритель перемещений (фиг. 1) состоит из корпуса лазера 1,изготовленного из инвара, на котором с одной стороны закреплены твердотельный активный элемент 2 и пьезоэлемент 7, изменяющий длину резонатора (позиция не указана). Неподвижное непрозрачное зеркало резонатора 3 лазера 10 нанесено на внешнюю грань твердотельного активного элемента 2, а эталон Фабри-Перо 5, изготовленный в виде пластины из плавленого кварца, закреплен на пьезоэлементе 7 с противоположной стороны корпуса лазера 1. Деформирующий пьезоэлемент 6 закреплен с помощью струбцины (позиция не указана) на эталоне Фабри-Перо 5. Выходным подвижным частично прозрачным зеркалом резонатора 4 лазера 10 служит внешняя отражающая поверхность эталона Фабри-Перо 5. Диодная накачка 8 закреплена на корпусе лазера 1. Измерительное электронное устройство 9 служит для измерения разностной частотыкомпонент излучения лазера и определения спектрального состава излучения лазера. Измерительное электронное устройство 9 состоит из фотоприемного элемента, широкополосного усилителя, частотомера, анализатора спектра, сканирующего интерферометра Фабри-Перо, цифрового осциллографа, источника питания пьезоэлементов, персонального компьютера. Предлагаемый лазерный измеритель перемещений работает следующим образом. С помощью деформирующего пьезоэлемента 6 путем деформации эталона Фабри-Перо 5 устанавливают величину фазовой анизотропии, необходимую для получения требуемой для конкретной задачи чувствительности и точности измерений. Коэффициент отражения неподвижного непрозрачного зеркала резонатора 3 лазера 10 приблизительно равен 100 . Коэффициент отражения выходного подвижного частично прозрачного зеркала резонатора 4 лазера 10, длинурезонатора лазера и уровень накачки твердотельного активного элемента 2, определяемый диодной накачкой 8, подбирают таким образом, чтобы 4 75562011.08.30 при изменении длинырезонатора лазера 10 существовал в основном двухчастотный режим генерации и лишь в небольшом интервале изменениясуществовал четырехчастотный режим генерации. Такая настройка лазерного измерителя перемещений позволяет получить максимальный диапазон измерений и максимально точную градуировочную кривую при заданной величине фазовой анизотропии. Измерительное электронное устройство 9 служит для измерения разностной частотыкомпонент излучения лазера 10 и фиксации спектрального состава излучения. Изменяя напряжениена пьезоэлементе 7,определяют два его соседних значения 1 и 2, при которых происходит генерация на четырех частотах с равной интенсивностью. Изменение напряжения на величину 2-1 соответствует изменению длины резонатора лазера на половину длины волны генерации лазера. Полученные данные используют для построения градуировочной кривой (фиг. 2) линейного участка зависимости разностной частотыизлучения лазера от изменения длины резонатора . Начальная точка градуировочной кривой соответствует началу линейного участка зависимости величины разностной частотыот длинырезонатора лазера. В этой точке выходное подвижное частично прозрачное зеркало резонатора 4 лазера 10 находится в начальном положении (его координата 0), от которого производится отсчет его перемещения вдоль оси резонатора лазера. Величина перемещения определяется по разностной частотес помощью градуировочной кривой. Для проверки работы предлагаемой полезной модели создан и опробован лазерный измеритель перемещений на основе- лазера (/2532 нм) с продольной диодной накачкой. В ходе испытаний получена разрешающая способность по перемещению 4 нм. Погрешность измерений перемещений составила не более 20 нм. Основной вклад в погрешность измерений дает нестабильность длинырезонатора лазера. Таким образом, использование лазерного измерителя перемещений, состоящего из электронного измерительного устройства разностной частоты и лазера с линейным резонатором, образованным неподвижным непрозрачным зеркалом и выходным подвижным частично прозрачным зеркалом, внутрь которого помещают твердотельный активный элемент, накачиваемый диодной накачкой, и эталон Фабри-Перо, выполняющий также функции внутрирезонаторного фазового элемента, позволяет увеличить разрешающую способность по перемещению в 2,7 раза и уменьшить погрешность измерений перемещений приблизительно в 3 раза. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5