Виброустойчивый 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 Поликанин Александр Михайлович Седнв Роман Геннадьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Виброустойчивый интерферометр, содержащий первый и второй отражатели, установленные на входе первого светоделителя, выполненного из двух плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых относительно друг друга на 90, и оптически связанные с ним второй светоделитель, выполненный аналогично первому и ориентированный одинаково с ним вращатель поляризации, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходами первого светоделителя, 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 третьим подвижным обратным отражателем, причем оси анизотропии фазового элемента /8 параллельны плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм второго светоделителя двухканальный фотоприемник, оптически связанный через первый и второй отражатели с третьим и четвертым выходами первого светоделителя и электрически 95182013.08.30 с измерительным устройством, отличающийся тем, что дополнительно содержит формирователь каналов измерения, первый и второй выходы которого напрямую оптически связаны с первым и вторым входами первого светоделителя, пятый и шестой выходы которого напрямую оптически связаны с третьим и четвертым входами второго светоделителя, а четвертый и пятый выходы второго светоделителя через фазовый элемент /8 оптически связаны с третьим подвижным обратным отражателем одноканальный фотоприемник, оптически связанный с третьим выходом формирователя каналов измерения, а электрически - с измерительным устройством, причем оси анизотропии формирователя каналов измерения ориентированы к плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм первого светоделителя, под углом 45.(56) 1. Патент РБ 11978. 2. Патент РБ 16843. 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 виброустойчивый интерферометр 1, содержащий последовательно оптически связанные анализатор поляризации излучения, вращатель поляризации, состоящий из последовательно оптически связанных двух фазовых элементов /4, развернутых относительно друг друга на угол 45, и оптически активного элемента, светоделителя, выполненного в виде двух плоскопараллельных кристаллических пластинок, развернутых относительно друг 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 одновременно измерять величину линейного перемещения и перекоса подвижного отражателя, не позволяет достигать необходимую точность измерений из-за ограниченной точности методов обработки гармонических световых сигналов и осуществляет только измерения линейных перемещений, кроме того,оно не позволяет обеспечить однозначность измерений, так как зависимость величины интенсивности излучения от величины относительного смещения отражателей является периодической гармонической функцией. Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является виброустойчивый интерферометр 2, содержащий первый и второй отражатели, оптически связанные с первым светоделителем второй светоделитель, состоящий из двух плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых относительно друг друга на 90 двухканальный фотоприемник, электрически связанный с измерительным устройством 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 его 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. Указанное устройство не позволяет одновременно измерять величину линейного перемещения и перекоса подвижного отражателя. 2 95182013.08.30 Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства. Поставленная техническая задача решается тем, что виброустойчивый интерферометр,содержащий первый и второй отражатели, установленные на входе первого светоделителя, выполненного из двух плоскопараллельных кристаллических призм, развернутых относительно друг друга на 90, и оптически связанные с ним второй светоделитель,выполненный аналогично первому и ориентированный одинаково с ним вращатель поляризации, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходами первого светоделителя, 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 третьим подвижным обратным отражателем, причем оси анизотропии фазового элемента /8 параллельны плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм второго светоделителя двухканальный фотоприемник,оптически связанный через первый и второй отражатели с третьим и четвертым выходами первого светоделителя и электрически - с измерительным устройством, дополнительно содержит формирователь каналов измерения, первый и второй выходы которого напрямую оптически связаны с первым и вторым входами первого светоделителя, пятый и шестой выходы которого напрямую оптически связаны с третьим и четвертым входами второго светоделителя, а четвертый и пятый выходы второго светоделителя через фазовый элемент /8 оптически связаны с третьим подвижным обратным отражателем одноканальный фотоприемник, оптически связанный с третьим выходом формирователя каналов измерения, а электрически - с измерительным устройством, причем оси анизотропии формирователя каналов измерения ориентированы к плоскостям, в которых лежат оптические оси кристаллических призм первого светоделителя, под углом 45. Расширение функциональных возможностей достигается за счет формирования двух каналов измерения канала измерения величины линейного перемещения подвижного отражателя и канала измерения величины перекоса подвижного отражателя причем зондирующие световые пучки в каждом канале 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 фигурой. Виброустойчивый интерферометр содержит формирователь каналов измерения 1,первый и второй выходы которого напрямую оптически связаны с первым и вторым входами первого светоделителя 4, выполненного из двух плоскопараллельных кристаллических призм 5, 6, развернутых относительно друг друга на 90, пятый и шестой выходы которого напрямую оптически связаны с третьим и четвертым входами второго светоделителя 8, выполненного аналогично первому из двух плоскопараллельных кристаллических призм 9,10 и ориентированного одинаково с ним, четвертый и пятый выходы которого через фазовый элемент /8 13 соединены с третьим подвижным обратным отражателем 14 первый 2 и второй 3 отражатели, установленные на входе первого светоделителя 4 и оптически связанные с ним вращатель поляризации 7, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходами первого светоделителя 4, а первый и второй выходы - соответственно с первым и вторым входами второго светоделителя 8, напрямую связанного первым и третьим выходами соответственно с первым 9 и вторым 10 обратными отражателями, а вторым выходом - через фазовый элемент /8 13 с третьим подвижным обратным отражателем 14 двухканальный фотоприемник 15, оптически связанный через первый 2 и второй 3 отражатели с третьим и четвертым выходами первого светоделителя 4 и электрически - с измерительным устрой 3 95182013.08.30 ством 16, одноканальный фотоприемник 17, оптически связанный с третьим выходом формирователя каналов измерения 1, а электрически - с измерительным устройством 16. Формирователь каналов измерения 1 выполнен в виде плоскопараллельной кристаллической пластинки из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной граням. Первый 2, второй 3 отражатели, первый 11, второй 12 обратные отражатели и третий подвижный обратный отражатель 14 выполнены в виде плоскопараллельных пластин из стекла К-8 с зеркальным покрытием. Первый 4 и второй 8 светоделители выполнены в виде поляризационных расщепителей, состоящих, соответственно, из плоскопараллельных кристаллических призм 5, 6, 9,10, развернутых относительно друг друга на угол 90. Первая 5, вторая 6, третья 9, четвертая 10 плоскопараллельные кристаллические призмы - это плоскопараллельные кристаллические пластины из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной грани. Вращатель поляризации 7 выполнен в виде плоскопараллельной пластины из кристаллического кварца с оптической осью, перпендикулярной входной и выходной граням. Фазовый элемент /8 13 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 5, 6 второго светоделителя 8. Двухканальный 15 и одноканальный 17 фотоприемники выполнены на базе соответственно двух и одного фотодиода ФД 21 КП. Измеряющее устройство 15 выполнено на основе двух отладочных плат 6245 и 1200 производства . Виброустойчивый интерферометр работает следующим образом. В исходном состоянии световой пучок, падающий на формирователь каналов измерения 1, делится на два ортогонально поляризованных, равных по амплитуде световых пучка, которые непосредственно подаются на первый светоделитель 4, состоящий из первой 5 и второй 6 плоскопараллельных кристаллических призм. Эти световые пучки проходят в первом светоделителе 4 одинаковые оптические пути, так как плоскости, в которых лежат оптические оси первой 5 и второй 6 плоскопараллельных кристаллических призм, ортогональны друг другу и ориентированы под углом 45 к плоскости поляризации падающих световых пучков, то при их прохождении каждый из световых пучков делится на два ортогонально поляризованных, равных по амплитуде световых пучка. В первой плоскопараллельной кристаллической призме 5 одни являются обыкновенными, другие необыкновенными, а во второй плоскопараллельной кристаллической призме 6 наоборот первые являются необыкновенными, а вторые - обыкновенными. Поэтому на выходе первого светоделителя 4 мы имеем две пары когерентных ортогонально поляризованных световых волн, которые образуют два канала измерения. При этом первая пара когерентных ортогонально поляризованных световых волн распространяется в канале измерения величины линейного перемещения третьего подвижного обратного отражателя 14, а вторая - в канале измерения величины перекоса подвижного обратного отражателя 14. Амплитуды ортогонально поляризованных волн, распространяющиеся в первом канале измерения,можно определить из выражения 1 где 0 - амплитуда входной световой волны- частота световой волны- время существования световой волны 4 95182013.08.30 1 - фаза световой волны в канале измерения величины линейного перемещения третьего подвижного обратного отражателя 14,а амплитуды волн, распространяющиеся во втором канале измерения, можно определить из выражения 1 где 2 - фаза световой волны в канале измерения величины перекоса третьего отражателя 14 в горизонтальной плоскости. Далее первая пара световых волн поступает на вращатель поляризации 7. При прохождении через него они испытывают поворот своих плоскостей поляризации на угол 45,например, по часовой стрелке по ходу пучка, после чего они поступают на входы второго светоделителя 8, Так как плоскости, в которых лежат оптические оси третьей 9 и четвертой 10 плоскопараллельных кристаллических призм второго светоделителя 8 ортогональны друг другу и ориентированы под углом 45 к плоскостям поляризации поступающих световых пучков, то при прохождении падающие световые пучки делятся на две пары ортогонально поляризованных, равных по амплитуде световых пучков. Эти световые пучки проходят во втором светоделителе 8 одинаковые оптические пути, так как в третьей плоскопараллельной кристаллической призме 9 второго светоделителя 8 два являются обыкновенными, другие два - необыкновенными, а в четвертой плоскопараллельной кристаллической призме 10 наоборот первые являются необыкновенными, а вторые - обыкновенными. Поэтому на выходе второго светоделителя 8 имеют место две пары когерентных ортогонально поляризованных световых волн (81, у 81, 81, 81), амплитуды которых можно определить из следующего выражения-волна второй (правой) пары 81 канала измерения величины линейного перемещения третьего подвижного обратного отражателя 14 поступают на первый 9 и второй 10 обратные отражатели. Совмещенные волны, испытав на фазовом элементе /8 13 соответствующий фазовый сдвиг относительно друг друга, поступают на третий подвижный обратный отражатель 14, где после отражения идут в обратном направлении. На фазовом элементе /8 13 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 ходе составит /4. Поэтому на второй светоделитель 8 в обратном ходе поступают две пары когерентных ортогонально поляризованных световых волн (81, 81, 81, 81),амплитуды которых можно определить из следующего выражения где 1 - фазовый сдвиг, вносимый в прямом и обратном ходе на участке между обратными отражателями 11, 12 и фазовым элементом /8 13 в соответствующие ортогонально поляризованные световые волны 11/2 - разность фаз, приобретенная ортогонально поляризованными световыми волнами в прямом и обратном ходе при прохождении через фазовый элемент /8 13 12 - сдвиг фазы ортогонально поляризованных волн вследствие прохождения в прямом и обратном ходе зазора между фазовым элементом /8 13 и третьим подвижным обратным отражателем 14. Подставляя в выражение (3) значение разности фаз, приобретенной ортогонально поляризованными световыми волнами в прямом и обратном ходе при прохождении через фазовый элемент /8 13 в канале измерения величины линейного перемещения третьего подвижного обратного отражателя 14, получим Волны каждой пары, пройдя второй светоделитель 8 в обратном направлении, совмещаются и интерферируют между собой. Результат их интерференции выражается в изменении их суммарной поляризации в каждой паре. Проходя в обратном направлении вращатель поляризации 7, они испытывают поворот поляризации на угол 45 по часовой стрелке по ходу пучка. Выражения для нахождения величин векторов напряженности электрического поля световых волн в канале измерения величины линейного перемещения третьего подвижного обратного отражателя 12, идущих в обратном ходе перед первым светоделителем 4 (31, 31, 31, 31), будут иметь следующий вид 95182013.08.30 После чего они поступают на первый светоделитель 4, который направляет световые потоки, соответствующие 31, 31, на первый 2 и второй 3 отражатели. Выражения для нахождения величины интенсивностей этих пучков имеют следующий вид где 002 - интенсивность излучения входного светового. Отразившись от первого 2 и второго 3 отражателей, световые пучки поступают на соответствующие входы двухканального фотоприемника 15, где преобразуются в электрические сигналы, которые поступают в измерительное устройство 16. В измерительном устройстве 16 электрические сигналы поступают на входы двухканального высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление значения величины смещения третьего подвижного обратного отражателя 14 относительно первого 11 и второго 12 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). Вторая пара световых волн после первого светоделителя 4, распространяющаяся в канале измерения величины перекоса третьего подвижного обратного отражателя 14 в горизонтальной плоскости, поступает на второй светоделитель 8. Так как плоскости, в которых лежат оптические оси третьей 9 и четвертой 10 плоскопараллельных кристаллических призм второго светоделителя 8, ортогональны друг другу и ориентированы параллельно плоскостям поляризации поступающих световых пучков, то при прохождении падающие световые пучки дополнительно параллельно смещаются друг относительно друга. Эти световые пучки проходят во втором светоделителе 8 одинаковые оптические пути, так как в третьей плоскопараллельной кристаллической призме 9 один является обыкновенным,другой - необыкновенным, а в четвертой плоскопараллельной кристаллической призме 10 наоборот первый является необыкновенным, а второй - обыкновенным. По аналогии, как и в первом случае, на выходе второго светоделителя 8 имеют место пара когерентных ортогонально поляризованных световых волн (82, у 82,), амплитуды которых можно определить из следующего выражения 1 Далее эти световые волны, приобретя на фазовом элементе /8 13 соответствующую разность фаз относительно друг друга, поступают на третий подвижный обратный отражатель 14, где после отражения идут в обратном направлении. На фазовом элементе /8 13 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 ходе составит /4. Поэтому на второй светоделитель 8 в обратном ходе поступают две когерентные ортогонально поляризованные световые волны (82, 82), амплитуды которых можно определить из следующего выражения 7 где 212 - изменение разности фаз между ортогональными световыми пучками в канале измерения величины перекоса в горизонтальной плоскости третьего подвижного обратного отражателя 14 в горизонтальной плоскости из-за перекоса. Подставляя в выражение (7) значение разности фаз, приобретенной ортогонально поляризованными световыми волнами в прямом и обратном ходе при прохождении через фазовый элемент /8 13 в канале измерения величины перекоса третьего подвижного обратного отражателя 14 в горизонтальной плоскости, получим Эти волны, пройдя второй 8 и первый 4 светоделители в обратном направлении, совмещаются и интерферируют между собой. Результат их интерференции выражается в изменении их суммарной поляризации. Выражения для нахождения величин векторов напряженности электрического поля световых волн в канале измерения величины перекоса третьего подвижного обратного отражателя 14 в горизонтальной плоскости, идущих в обратном ходе перед формирователем каналов измерения (12, 12), будут иметь следующий вид Выражения для нахождения величины интенсивностей этих пучков имеют следующий вид Пройдя формирователь каналов измерения 1 в качестве обыкновенного, световой пучок с интенсивностью у 12 поступает на одноканальный фотоприемник 17, где преобразуется в электрические сигналы, которые поступают в измерительное устройство 14. В измерительном устройстве 16 электрические сигналы поступают на вход высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление значения величины перекоса третьего отражателя 14 в горизонтальной плоскости для каждого цифрового отсчета в отдельности. Высокая точность измерений достигается тем, что измерения ведутся на практически линейном участке зависимости интенсивности излучения от оптической разности 95182013.08.30 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 подвижного обратного отражателя 14 с одной стороны, в канале измерения величины линейного перемещения происходит изменение начального сдвига фазы ортогонально поляризованных волн 12 вследствие прохождения в прямом и обратном ходе зазора между фазовым элементом /8 13 и третьим подвижным обратным отражателем 14, что вызовет на выходе, согласно выражению (5), изменение интенсивности выходного излучения. Далее излучение поступает на двухканальный фотоприемник 15,который преобразует световые сигналы в электрические. В измерительном устройстве 16 электрические сигналы поступают на входы двухканального высокоскоростного аналогоцифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление величины смещения третьего подвижного обратного отражателя 14 относительно первого 11 и второго 12 обратных отражателей для каждого цифрового отсчета в отдельности. Однозначность и высокая точность измерения величины смещения третьего подвижного обратного отражателя 14 достигается 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 третьего подвижного обратного отражателя 14. 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. В свою очередь, это позволяет исключить неоднозначность измерений, так как функциональная зависимость интенсивности излучения от величины относительного смещения первого 11, второго 12 обратного отражателей и третьего подвижного обратного отражателя 14 является периодической гармонической функцией. С другой стороны, при смещении третьего подвижного обратного отражателя 14 существует вероятность возникновения перекоса в горизонтальной плоскости, что вызовет изменение разности фаз 212 между ортогональными световыми пучками в канале измерения величины перекоса в горизонтальной плоскости третьего подвижного обратного отражателя 14. Это вызовет на выходе, согласно выражению (9), изменение интенсивности выходного излучения. Далее излучение поступает на одноканальный фотоприемник 17,который преобразует световые сигналы в электрические. В измерительном устройстве 16 электрические сигналы поступают на вход высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, где осуществляется их оцифровка. При дальнейшей обработке сигналов осуществляется вычисление величины изменения величины перекоса третьего подвижного обратного отражателя 14 в горизонтальной плоскости. Высокая точность измерения величины перекоса достигается благодаря тому, что измерения производятся в области практически линейного участка функциональной зависимости интенсивности излучения от величины изменения разности фаз между ортогональными световыми пучками в канале измерения величины перекоса. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9