Виброустойчивый двухканальный интерферометр

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Залесский Валерий Борисович Конойко Алексей Иванович Малевич Николай Александрович Малевич Павел Николаевич Поликанин Александр Михайлович Седнв Роман Геннадьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Виброустойчивый двухканальный интерферометр, содержащий первый и второй отражатели, оптически связанные с первым светоделителем, второй светоделитель, состоящий из двух плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых друг относительно друга на 90, фазовый элемент /8 и двухканальный фотоприемник, электрически связанный с измерительным устройством, отличающийся тем, что содержит вращатель поляризации, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходами первого светоделителя, выполненного аналогично второму и ориентированного одинаково с ним, а первый и второй выходы - соответственно с первым и вторым входами второго светоделителя, напрямую связанного первым и третьим выходами соответственно с первым и вторым обратными отражателями, а вторым выходом через фазовый элемент /8 с подвижным третьим обратным отражателем, при этом двухканальный фотоприемник оптически связан через первый и второй отражатели, установленные на входе первого светоделителя, с третьим и четвертым выходами первого светоделителя, а оси анизотропии фазового элемента /8 параллельны плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм второго светоделителя. 16843 1 2013.02.28 Изобретение 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, наличие вибраций которых приводит к неконтролируемому изменению разности хода между интерферирующими пучками и, как следствие, к падению контраста регистрируемой интерференционной картины, что ухудшает качество и точность измерений, кроме того, оно не позволяет обеспечить однозначность измерений, так как функциональная зависимость интенсивности излучения от величины относительного смещения отражателей является периодической гармонической функцией. Известен 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, выполненного 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 достигать необходимую точность измерений из-за ограниченной точности методов обработки гармонических световых сигналов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является виброустойчивый интерферометр 3, содержащий оптически связанные светоделитель,анализатор поляризации излучения, первый и второй отражатели, два фазовых элемента,дополнительно 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 анализатор 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. Указанное устройство не позволяет достигнуть необходимую точность измерений изза наличия двух разделенных зондирующих каналов. Технической задачей изобретения 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 двухканальный интерферометр, содержащий первый и второй отражатели, оптически связанные с первым 2 16843 1 2013.02.28 светоделителем, второй светоделитель, состоящий из двух плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых друг относительно друга на 90, фазовый элемент /8 и двухканальный фотоприемник, электрически связанный с измерительным устройством,дополнительно содержит вращатель поляризации, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходами первого светоделителя, выполненного аналогично второму и ориентированного одинаково с ним, а первый и второй выходы - соответственно с первым и вторым входами второго светоделителя, напрямую связанного первым и третьим выходами соответственно с первым и вторым обратными отражателями, а вторым выходом - через фазовый элемент /8 с подвижным третьим обратным отражателем, при этом двухканальный фотоприемник оптически связан через первый и второй отражатели, установленные на входе первого светоделителя, с третьим и четвертым выходами первого светоделителя, а оси анизотропии фазового элемента /8 параллельны плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм второго светоделителя. 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, причем каналы зондирующих пучков совмещены между собой. Сущность изобретения поясняется на фигуре, где 1 - первый отражатель 2 - второй отражатель 3 - первый светоделитель 4 - первая плоскопараллельная кристаллическая призма 5 - вторая плоскопараллельная кристаллическая призма 6 - вращатель поляризации 7 - второй светоделитель 8 - третья плоскопараллельная кристаллическая призма 9 - четвертая плоскопараллельная кристаллическая призма 10 - первый обратный отражатель 11 - второй обратный отражатель 12 - фазовый элемент /8 13 - третий обратный отражатель 14 - двухканальный фотоприемник 15 - измерительное устройство. Устройство содержит первый 1 и второй 2 отражатели, оптически связанные с первым светоделителем 3, состоящим из первой 4 и второй 5 плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых друг относительно друга на угол 90, и оптически связанным через вращатель поляризации 6 со вторым светоделителем 7, состоящим из третьей 8 и четвертой 9 плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых друг относительно друга на угол 90, одинаково ориентированным с первым светоделителем 3, первый 10 и второй 11 обратные отражатели, оптически связанные со вторым светоделителем 7, третий обратный отражатель 13, оптически связанный через фазовый элемент /8 12 со вторым светоделителем 7, двухканальный фотоприемник 14, оптически связанный с первым 1 и вторым 2 отражателями, а электрически - с измерительным устройством 15, причем оси анизотропии фазового элемента /8 12 параллельны плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм второго светоделителя 7. 16843 1 2013.02.28 Первый 1 и второй 2 отражатели, первый 10 и второй 11 обратные отражатели выполнены в виде двух плоскопараллельных пластин из стекла К-8 с двумя зеркальными покрытиями. Первый 3 и второй 7 светоделители выполнены в виде поляризационных расщепителей, состоящих соответственно из первой 4 и второй 5, третьей 8 и четвертой 9 плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых друг относительно друга на угол 90. Первая 4, вторая 5, третья 8 и четвертая 9 плоскопараллельные кристаллические призмы выполнены в виде плоскопараллельных кристаллических пластинок из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной граням. Вращатель поляризации 6 выполнен в виде плоскопараллельной пластины из кристаллического кварца с оптической осью, перпендикулярной входной и выходной граням. Фазовый элемент /8 12 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из кристаллического кварца с оптической осью, параллельной входной и выходной граням, оси анизотропии которой ориентированы параллельно плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм второго светоделителя. Третий обратный отражатель 13 выполнен в виде плоскопараллельной пластины из стекла К-8 с зеркальным покрытием. Двухканальный фотоприемник 14 выполнен на базе двух фотодиодов ФД 21 КП. Измеряющее устройство 15 выполнено на основе двух отладочных плат 6245 и 1200 производства . Виброустойчивый двухканальный интерферометр с совмещенными каналами работает следующим образом. В исходном состоянии плоско поляризованный световой пучок проходит между первым 1 и вторым 2 отражателями и поступает на вход первого светоделителя 3, состоящего из первой 4 и второй 5 плоскопараллельных кристаллических призм. Так как плоскости, в которых лежат оптические оси первой 4 и второй 5 плоскопараллельных кристаллических призм, ортогональны друг другу и ориентированы под углом 45 к плоскости поляризации входного светового пучка, то при ее прохождении падающий световой пучок делится на два ортогонально поляризованных, равных по амплитуде световых пучка. Эти световые пучки проходят в первом светоделителе 3 одинаковые оптические пути, так как в первой плоскопараллельной кристаллической призме 4 один является обыкновенным, другой необыкновенным, а во второй плоскопараллельной кристаллической призме 5 наоборот первый является необыкновенным, а второй - обыкновенным. Далее при прохождении вращателя поляризации 6 эти ортогонально поляризованные световые волны испытывают поворот плоскости поляризации на угол 45, например, по часовой стрелке. После чего они поступают на входы второго светоделителя 7, состоящего из третьей 8 и четвертой 9 плоскопараллельных кристаллических призм. Так как плоскости, в которых лежат оптические оси третьей 8 и четвертой 9 плоскопараллельных кристаллических призм, ортогональны друг другу и ориентированы под углом 45 к плоскостям поляризации поступающих световых пучков, то при прохождении падающие световые пучки делятся на четыре попарно ортогонально поляризованных, равных по амплитуде световых пучка. Эти световые пучки проходят во втором светоделителе 7 одинаковые оптические пути, так как в третьей плоскопараллельной кристаллической призме 8 два являются обыкновенными, другие два - необыкновенными, а в четвертой плоскопараллельной кристаллической призме 9 наоборот первые являются необыкновенными, а вторые - обыкновенными. Причем канал -волны первой (левой) пары будет совмещен с каналом -волны второй (правой) пары. Далее -волна первой (левой) пары поступает на первый обратный отражатель 10, а -волна второй (правой) пары - на второй обратный отражатель 11. В то время как совмещенные волны, испытав на фазовом элементе /8 12 соответствующий фазовый сдвиг относительно друг друга, поступают на третий обратный отражатель 13, где после отражения идут в обратном направлении. На фазовом элементе 4/8 12 они приобретают дополнительную разность фаз /4, что в сумме с разностью фаз наведенной в прямом ходе, составит /2, то есть наведенная оптическая разность хода между этими ортогонально поляризованными волнами в прямом и обратном ходах составит /4. Волны каждой пары, пройдя второй светоделитель 7 в обратном направлении,совмещаются и интерферируют между собой. Результат их интерференции выражается в изменении их суммарной поляризации в каждой паре. Затем при прохождении вращателя поляризации 6 эти ортогонально поляризованные световые волны испытывают поворот плоскости поляризации на угол 45 против часовой стрелки. После чего они поступают на светоделитель 3, который направляет два световых потока соответственно на первый 1 и второй 2 отражатели. Выражения для нахождения величины интенсивностей этих пучков имеют следующий вид где 0 - интенсивность излучения входного светового пучка 12 - фазовый сдвиг, вносимый в прямом и обратном ходах фазовым элементом /8 12 в световую волну, плоскость поляризации которой параллельна оси 12 13 - сдвиг фазы ортогонально поляризованных волн вследствие прохождения в прямом и обратном ходах зазора между фазовым элементом /8 12 и третьим обратным отражателем 13. Далее излучение поступает на двухканальный фотоприемник 14, который преобразует световые сигналы в электрические. В измерительном устройстве 15 электрические сигналы поступают на входы двуканального высокоскоростного аналогоцифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление значения величины смещения третьего обратного отражателя 13 относительно первого 10 и второго 11 обратных отражателей, 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, 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 третьего обратного отражателя 13 происходит изменение начального сдвига фазы ортогонально поляризованных волн 13 вследствие прохождения в прямом и обратном ходах зазора между фазовым элементом /8 12 и третьим обратным отражателем 13, что вызовет на выходе, согласно выражениям (5), изменение интенсивности выходного излучения. Далее излучение поступает на двухканальный фотоприемник 14, который преобразует световые сигналы в электрические. В измерительном устройстве 15 электрические сигналы поступают на входы двуканального высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление величины изменения смещения третьего обратного отражателя 13 относительно первого 10 и второго 11 обратных отражателей, для каждого цифрового отсчета в отдельности. Однозначность и высокая точность измерения величины смещения третьего обратного отражателя 13 относительно первого 10 и второго 11 обратных отражателей достигается благодаря тому, что в одном из двух каналов каждый раз измерения производятся в области практически линейного участка функциональной зависимости интенсивности излучения от величины относительного смещения третьего обратного отражателя 13. В другом 5 16843 1 2013.02.28 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. В свою очередь это позволяет исключить неоднозначность измерений, так как функциональная зависимость интенсивности излучения от величины относительного смещения первого 10, второго 11 и третьего 13 обратных отражателей является периодической гармонической функцией. Источники информации 1. Ландсберг Г.С. Оптика. - М. Наука, 1976. - С. 928. 2.11978 1, 2009. 3.7137 , 2011. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6