Las reglas de las mediciones de desplazamiento láser

Las medidas de desplazamiento con el uso de un interferómetro láser permiten obtener la exactitud de una medida de desplazamiento de 0,4 ppm en aire y 0,02 ppm en vacío. 

El interferómetro fue construido por primera vez por A.A. Michelson en 1881. El esquema simplificado del interferómetro se muestra en la siguiente figura. El haz de luz coherente incide sobre un espejo semitransparente. Este espejo divide la luz en dos haces. El primero va al brazo de referencia y se refleja desde el reflector Z1; el segundo va al brazo de medición y se refleja en el reflector Z2. Los rayos reflejados se encuentran de nuevo en el detector. Debido a que estos rayos provienen de la misma fuente coherente, interferirán. Cuando se desplaza el reflector móvil, cambia la frecuencia del haz reflejado en el brazo de medición. El detector cuenta la diferencia de frecuencia entre los haces reflejados – fD. El valor medido del desplazamiento se calcula según:

La principal desventaja del interferómetro de Michelson resulta del hecho de que el detector no puede determinar si fD es negativo o positivo, por lo tanto, a partir de las mediciones se obtiene el desplazamiento del reflector en movimiento sin el signo. 

Actualmente existen dos métodos muy utilizados que permiten obtener también la dirección del movimiento. Dependiendo del número de frecuencias de luz (longitudes de onda) utilizadas en el interferómetro, el primero se llama método homodino (una frecuencia) y el segundo método heterodino (dos frecuencias). 

En el método homodino, que se muestra en la figura siguiente, como fuente de luz coherente se utiliza un láser polarizado linealmente. Si se trata de un láser de dos modos (es decir, genera dos longitudes de onda), se debe interrumpir un modo con el uso de un polarizador correctamente configurado. El divisor polarizador divide el rayo de luz del láser en dos rayos polarizados verticalmente (90 °) y horizontalmente (0 °). El primero se dirige al brazo de medición y el segundo al de referencia. La frecuencia del haz en el brazo de medición cambia con el movimiento del reflector en movimiento. La polarización de los rayos reflejados se cambia a circular con el uso de una placa de onda de 1/4. Después de polarizadores de 0 ° y 45 °, se obtienen dos señales desplazadas en fase. El cambio de fase es de + 90 ° cuando el brazo de medición se mueve hacia arriba y de -90 ° cuando se aleja del láser.

En el método heterodino, que se muestra en la siguiente figura, se utilizan dos frecuencias láser. Por lo tanto, se necesita un láser de dos frecuencias, p. Ej. un láser Zeeman. Un láser de dos modos no es adecuado para el interferómetro del método heterodino, porque la diferencia entre f1 y f2 suele ser demasiado alta para un contador electrónico. El rayo de salida de un láser Zeeman consta de dos rayos polarizados circularmente, uno polarizado hacia la izquierda y el segundo hacia la derecha. Una placa de onda lambda/4 cambia la polarización circular a lineal. 

La principal diferencia entre los dos métodos descritos es que en el heterodino la frecuencia del haz en el brazo de referencia difiere de la frecuencia del haz en el brazo de medición. La ruta de detección también es diferente: restar las frecuencias diferenciales de referencia y los brazos de medición hacen la medición.

El método heterodino da resultados correctos sólo cuando fD no excede la diferencia entre las frecuencias del láser, es decir: f2 – f1. En realidad, esa diferencia, resultante del efecto Zeeman, es de aproximadamente 1 MHz. Esto limita la velocidad máxima disponible del brazo de medición, en una dirección, a 0,3 m/s. La siguiente desventaja del método heterodino es que se deben usar dos frecuencias para las mediciones, mientras que en el método homodino se puede usar la segunda para medir un segundo eje.