5.2. Лазерні інтерферометри переміщень

Інтерферометри для лінійних вимірювань, побудовані на основі схеми Майкельсона, отримали назву інтерферометрів переміщень, оскільки вони виміряють довжину, як величину переміщення рухомого дзеркала (відбивача).

В таких інтерферометрах як джерело світла використовують Не-N лазер з довжиною хвилі випромінювання  = 0,63 мкм, а плоскі дзеркала обов'язково замінюють кутовими відбивачами: по-перше, вони некритичні до невеликих розворотів, неминучих при русі, а по-друге, відображений від них світло не потрапляє назад в лазер (як це має місце в схемі на рис.5.1), що порушило б його роботу.

Лазерні інтерферометри можуть бути двох типів, що розрізняються тим, що при нерухомому відбивачі інтерференційна картина :

1. стаціонарна (нерухома);

2. нестаціонарна (що біжить або періодично гойдається).

В другому випадку на виході фотоприймача виникає змінний сигнал навіть за відсутності руху відбивача, що дає опорну частоту при вимірюванні переміщень і дозволяє істотно поліпшити багато параметрів інтерферометра. «Гойдання» картини створюється звичайно фазовою модуляцією випромінювання в опорному плечі (модуляційні інтерферометри). Картина, що біжить, при нерухомому відбивачі виникає, якщо на приймачі інтерферують хвилі двох різних (достатньо близьких) оптичних частот. Це можна забезпечити застосуванням двочастотних лазерів або зсувом частоти одночастотного лазера за допомогою акустооптичних і інших пристроїв (гетеродинні інтерферометри). Таким чином, перший тип інтерферометрів (гомодинні інтерферометри) відповідає класичній схемі Майкельсона, а другий тип включає модуляційні і гетеродинні схеми.

Принцип побудови гомодинних інтерферометрів (інтерферометри першого покоління) ілюструється на рис.5.2,а. В них використовується одночастотний стабілізований Не-Nе лазер. Для забезпечення реверсивного підрахунку смуг є два фотоприймачі, реєструючі сигнали, зсунуті по фазі на 90^о (на малюнку для простоти показаний тільки один фотоприймач).

Схему на рис.5.5,а можна перетворити в модуляційну, вводячи фазову модуляцію випромінювання в опорному каналі шляхом закріплення опорного відбивача на п’єзокераміці, до якої підводиться змінна напруга від генератора. Це створює періодичну зміну різниці ходу в інтерферометрі, що накладається на постійну лінійну зміну різниці ходу, обумовлену рухом відбивача. Підрахунок смуг проводиться в моменти, коли модулюючий сигнал проходить своє середнє положення, рівне нулю, і тому свідчення реверсивного лічильника завжди відповідають вимірюваному переміщенню.

Гетеродинний інтерферометр з двочастотним лазером будують по схемі, показаній в узагальненому вигляді на рис.5.2,б. Не-Nе лазер випромінює дві близькі оптичні частоти ₁ і ₂, що рознесли на величину порядку 2 Мгц, отримані розщеплюванням лазерної частоти _о на дві компоненти при приміщенні активного середовища лазера в поздовжнє магнітне поле (ефект Зеємана).

а)

б)

Рис.5.2. Схема побудови лазерного інтерферометра

А) з одночастотним лазером, б) гетеридинна схема з двочастотним лазером

Особливістю такого інтерферометра є наявність двох окремих каналів – опорного і сигнального. В опорному каналі обидві оптичні частоти прямують відразу на опорний фотоприймач, а в сигнальному каналі одна з частот прямує на нерухомий опорний відбивач, а інша – на дистанційний відбивач, після чого вони, пройшовши відповідні плечі інтерферометра, приходять на сигнальний фотоприймач. В такій схемі як на опорному, так і на сигнальному фотоприймачах виникає “біжуча” інтерференційна картина навіть при нерухомому дистанційному відбивачі. Це відбувається в результаті інтерференції двох різночастотних коливань з близькими частотами ₁ і ₂, утворюючими сигнал биття – зміна інтенсивності з різницевою частотою. В такій схемі число N визначається як різниця двох чисел –показників лічильників в сигнальному і опорному каналах – наступним чином.

При нерухомому дистанційному відбивачі швидкість переміщення інтерференційних смуг перед опорним і сигнальним фотоприймачами однакова і чисельно дорівнює різницевій частоті F = ₁ - ₂  (F смуг в секунду). Тому лічильники в опорному і сигнальному каналах реєструватимуть однакову кількість смуг за будь-який інтервал часу.

^(5.8)

При русі дистанційного відбивача виникає допплерівський зсув частоти на сигнальному фотоприймачі, і швидкість переміщення смуг перед сигнальним фотоприймачем стає рівною F  F смуг в секунду, де F – величина допплерівського зсуву, рівна 2V/ ( V – швидкість руху відбивача), а знак перед F залежить від напряму руху. В цьому випадку кількість смуг, реєстрована лічильниками в опорному і сигнальному каналах за один і той же інтервал часу t = t₂ - t₁, буде різною - N₁ і N₂, а їх різниця буде однакова. Тобто різниця показників лічильників в сигнальному і опорному каналах дорівнює інтегралу від допплерівського зсуву частоти, або, іншими словами, інтерферометр здійснює інтеграцію допплерівського зсуву частоти за час вимірювання.

В загальному випадку відбивач рухається нерівномірно із швидкістю V = V(t), і допплерівський зсув буде F(t)= 2V(t)/ . Підставляючи його в останній вираз і враховуючи, що при нерівномірному русі D(t)=  V(t)dt, знайдемо

^(5.9)

де D – пройдена відстань. Отримана величина не залежить від швидкості руху відбивача, і тому непостійність швидкості не впливає на результат вимірювань. Помноживши підраховане число N на /2, отримаємо відстань D.

Відзначимо, що і в «класичній схемі» з одночастотним лазером при русі відбивача виникає допплерівський зсув частоти 2V/, і число N є інтеграл від цього зсуву за час вимірювання.

В сучасних інтерферометрах всі вимірювання автоматизовані, і остаточний результат видається на цифрове табло.

Лазерна інтерферометрія – найточніший метод лінійних вимірювань, з яким не можуть конкурувати ніякі інші методи. Інструментальна погрішність складає менше 1 мкм. Результуюча точність методу лімітується погрішністю знання довжини хвилі. Ця погрішність залежить від стабільності оптичної частоти і точності визначення показника заломлення повітря. Типова відносна помилка інтерференційних вимірювань складає 510^-7 .

Необхідність переміщення відбивача уздовж всієї дистанції, що виміряється, вимагає спорудження точних направляючих, змонтованих на бетонних опорах, що технічно складно і дорого. Тому лазерні інтерферометри використовують на спеціально створюваних метрологічних базисах, що використовуються для калібрування електронних віддалемірів. Максимальна дальність дії промислових лазерних інтерферометрів складає 60м, тому базиси роблять багатосекційними, і довжина їх може доходити до сотень метрів.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ:

1. В інтерферометрі з двочастотним лазером при русі відбивача виникає допплерівське зрушення частоти, яка дорівнює 2V/λ. Що таке V?

2. В яких інтерферометрах виникає інтерференційна картинка, що біжить, при нерухомому відбивачі ?

3. Чому дорівнює різниця показів лічильників смуг в опорному і сигнальному каналах двочастотного інтерферометра при русі відбивача?

4. Як визначити число N в інтерферометрах з двочастотним лазером?

5. Яке радіовипромінювання приймається в методі РНДБ?

6. Які риси характерні для РНДБ?