Правила измерение смещения лазера

Измерения смещения с помощью лазерного интерферометра позволяют получить точность измерения смещения 0,4 ppm в воздухе и 0,02 ppm в вакууме. Интерферометр был впервые построен А.А. Майкельсоном в 1881 году. Упрощенная схема интерферометра показана на рисунке ниже. Когерентный световой луч падает на полупрозрачное зеркало. Это зеркало разделяет свет на два луча. Сначала идет в опорном плече и отражается ототражателя Z1; второй идет к измерительному плечу и отражается от отражателя Z2. Отраженные лучи снова встречаются на детекторе. Поскольку эти лучи исходят из одного и того же когерентного источника, они будут накладываться друг на друга. Когда движущийся отражатель перемещается, частота отраженного луча в измерительном плече изменяется. Детектор считает разность частот отраженных лучей – fD. Измеренное значение смещения рассчитывается по формуле:

Главный недостаток интерферометра Майкельсона заключается в том, что детектор не может определить, является ли fD отрицательным или положительным, поэтому по измерениям получается смещение движущегося отражателя без знака. В настоящее время широко используются два метода, позволяющие получить также направление движения. В зависимости от количества световых частот (длин волн), используемых в интерферометре, первый называется гомодинным (одна частота), а второй гетеродинным (две частоты) методом. В гомодинном методе, показанном на рисунке ниже, в качестве когерентного источника света используется линейно поляризованный лазер. Если это двухмодовый лазер (т. Е. Он генерирует две длины волны), то одна мода должна быть отключена с использованием правильно настроенного поляризатора. Поляризационный делитель разделяет световой луч от лазера на два луча, поляризованных вертикально (90 °) и горизонтально (0 °). Бывший направлен к руке измерения, а второй к эталонному. Частота луча в измерительном плече изменяется с перемещением движущегося отражателя. Поляризация отраженных лучей меняется на круговую с помощью волновой пластины 1/4. После поляризаторов 0 ° и 45 ° получаются два сигнала, сдвинутых по фазе. Сдвиг фазы составляет + 90 °, когда измерительный рычаг перемещается в сторону излучателя и – 90 °, когда он перемещается от него.

В гетеродинном методе, показанном на следующем рисунке, используются две частоты лазера. Поэтому нужен двухчастотный лазер, например зеемановский лазер. Двухмодовый лазер не подходит для интерферометра гетеродинного метода, потому что разница между f1 и f2 обычно слишком велика для электронного счетчика. Выходной луч зеемановского лазера состоит из двух лучей с круговой поляризацией, один из которых поляризован влево, а второй – вправо. Волновая пластинка λ / 4 меняет круговую поляризацию на линейную. Основное различие между двумя способами, описанными в том, что в одной гетеродина частота пучка в опорном плече отличается от частоты пучка в измерительном плече. Путь обнаружения также отличается – вычитание дифференциальных частот отсчета и измерением руки делает измерение.

Гетеродинный метод дает правильные результаты только тогда, когда fD не превышает разницы между частотами лазера, то есть: f2 – f1. В действительности эта разница, возникающая в результате эффекта Зеемана, составляет около 1 МГц. Это ограничивает максимально доступную скорость измерительного рычага в одном направлении до 0,3 м / с. Следующим недостатком гетеродинного метода является то, что для измерений необходимо использовать две частоты, тогда как в гомодинном методе вторую можно использовать для измерения, например, вторая ось.