Устройство для измерения линейных перемещений

 

. СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1256505 А1 (51)5 а 01 В 9 02

ОПИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 07.07,93, Бюл, Р 25 (21) 3699232/28 (22) 30.01.84 (72) Л,Ф.Витушкин

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (56) Коломийцов 1О.В.Интерферометры.

М.: Машиностроение, 1976, с.53-55. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее лазер и размещенные последовательно по ходу его излучения основной интерферометр Фабри-Перо,- одно иэ зеркал которого .установлено с воэможностью перемещения в направлении оптической оси интерферометра, и фотоприемник, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено первым светоделителем, установленным между.лазером и основным интерферометром Фабра-Перо, .дополнительным интерферометром ФабриПеро, оптически связанным с первым светоделителем, первой системой плос" кик зеркал, установленных последовательно одно за другим отражающими поверхностями друг к другу по ходу пучка, выходящего из основного интерферометра Фабри-Перо, второй системой плоских зеркал, установленных последовательно одно эа другим отражающими поверхностями друг к другу по ходу пучка, выходящего из дополнительного интерферометра Фабри-Перо, и вторым.светоделителем, оптически связанным с первой и второй системамн плоских зеркал, фотопрнемник установлен по ходу пучка, выходящего из второго светоделителя, а длины t, ос» новного и Г дополнительного интер-. ферометров Фабри-Перо определяют иэ соотношений

Х, 0„1 + Л (1-R) /2 2<, Г - Н,Л +a (1 R)/2Л11, где Л - длина волны излучения лазера;.

N и Й вЂ” произвольные целые числа;

R — - энергетический коэффициейт отражения зеркал интерферометров Фабри-Перо.

1ЛЫО

Изобретение. относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, Целью изобретения является повышение точности и чувствительности из" мерения перемещений.

На чертеже дана схема устройства для измерения линейных перемещений.

«

1О

Устроиство содержит лазер I, установленный эа ним первый светоделитель 2, первый интерферометр 3 ФабриПеро с подвижным зеркалом, размещенный по направлению первого пучка от

il5 первого светоделителя, второй интерферометр 4 Фабри-Перо, расположен ный по направлению второго пучка от светоделителя 2, плоские зеркала

5 и 6, установленные эа интерферо20 метром 3, плоские зеркала 7 и 8, размещенные за интерферометром 4, вто" рой светоделитель 9, установленный по ходу пучков, выходящих из систем зерка 5, б и 7, 8, и фотоприемник

1О, оптически связанный с вторым светоделителем, Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 падает на све9Q тоделитель 2, разделяющий его на два пучка. Первый пучок попадает на первый интерферометр 3 Фабри-Перо, второй пучок — на второй интерферометр

4 Фабри-Перо. Первый пучок, выходя из первого интерферометра и последо- 35 вательно отражаясь от зеркал 5 и б, совмещается с вторым пучком, вышедшим из второго интерферометра и последовательно отраженным зеркалами 7 и 8, на светоделителе 9. Совмещенные на последнем первый и второй пучки, интерферируя, попадают на фотоприемник 10. Перемещение подвижного зеркала в интерферометре Э Фабри-Перо вызывает изменение интенсивности иитерферирующих пучков, попадающих на фотоприемник 10, что приводит к изменению фототока. Это является выходным сигналом устройства, Коэффициент пропускания интер- 59 ферометра Фабри-Перо для плоской электромагнитной волны, определяеилй как отношение комплексных амплитуд прошедшей а т и входящей а, волн, может быть представлен в виде Я а„ te

†------------ 612 а,. (I-2R сояF +R ) б Rsino (1)

У- 2 ""0 I Вс..Б где 1-., R — энергетические коэффициенты соответственно процускания и от. ражения каждого зеркала;

4 1 ттI ./>, где 1 — длина интерферометра ФабриПер о, — длина волны излучения лазера.

Сумма фаз коэффициентов отражения зеркал положена равной 21т, С помощью . формулы (1) можно получить выражение для аппаратной функции Т устрой«« стра, определяемой как

Т„. =AA/I,, (2) гце 1 — интенсивность излучения лаз ера, AA — полная амплитуда световых колебаний на фотоприемнике 10 равная сумме амплитуд а, и а„пучков, прошедших через первый и второй интерферометры Фабри-Перо.,A=a, + а

Т (8„, 8 ) =I /4 (Т, (о,)+Т h „) +

«2/Т (Б )Т (б )сов(1 3 )+ (S — S-)

«j 1т (3) 1 где Т; (;) (- . =1 „2...) - энергетический коэффициент пропу скания одиночного интерферометра Фабри-Перо, равнь и

t

Т. (8.1

« В(5)

13. (Б.) =- I+R -2P., cosoо

h =4тгР,: g; р,=- +р.;

R siïÅ„

P, = arctg

1 где R; t; — -.íåðãåòè.÷åñê:èå коэффициенты отражения и пропускания i-го интерферометра Фабри-Перо, S — or«тический путь луча в i-ом плече интерферометра Фабви-Перо, исключая« оптический путь луча в соответствующем интерфераметре Фабри-Перо. При вывсде формуль! (3) светоделитель 2 и светоделитель 9 считаются одинаковыми.

Будем считать, что первоначальная настройка оптической кемь: устройства TGNQBB2 что,"з, х =- S2 + I î При 2 гиГк альном переътещенин зеркала первом интерферометре 3 Фабри"Перо не изменяется сумма Б..« „, а меняеттолько величина, Р«, ««Учитывая и полагая R =R =R - c., 2 2 Ф

Т, (Ó) =Т„(Б) -J. (), получаем более простое выражение дпя Тт;

30 д" х-" — — - (7)

R ° sin o где,В arctg — — — - "-.

1-R cos 8„

Выражение (7) показывает, что влияние девиации частоты на пропускание устройства при настройке (5) определяется разностью длин первого и второ го интерферометров Фабри-Перо. Считая, что коэффициент отражения R близок к единице и 5 в формулах отвечает оптимальной настройке одиночного интерферометра Фабри-Перо

8 й(1-КЯ2 с< 1, получаем, что выэы3

Тк (р 82 ) = 1/4 Т (8)+T (Б )+

+2 T, © T,(b )cos(p-p,)3 (4, Цель изобретения достигается при настройке дополнительного интерферометра, соответствующей условию 5 о 2 1 1 1 + 1 го 21 1 1 ь где М вЂ” целое число, а (/2F)A — дробная часть длины волны. При такой настройке рабочие точки интерферометров Фабри-Перо, входящих в устройство, расположены на противоположных склонах пика аппаратной функции одиночного интерферометра Фабри-Перо. В этом случае

Т„(8,$, ) Т (8„)(l- Т, (8„,) х

При настройке устройства в соответствии с условием (5) вызываемые девиацией частоты изменения интенсивности оптического излучения, проходящего через первый и второй интерферо- метры Фабри-Перо, имеют противоположные знаки, что позволяет взаимно компенсировать эти изменения.

Относительное изменение (аТ„ Л„7) коэффициента пропускания устройства, вызванное девиацией частоты л / при настройке (5) определяется равенством.

4Т 8Е(1-К) sin S (— — )

Ж.

Т„",В, (h, ) (l-R сов 8„ ) 05 4 ваемое девиацией частоты лазерного излучения относительное изменение коэффициента пропускания устройства оказывается приблизительно в Q

2110/(1-R)p раэ меньше, чем у одиночного интерферометра Фабри-Перо (Q — это оптическая добротность интерферометра).

Таким образом, по сравнению с известным устройством предлагаемое позволяет значительно уменьшить влияние шума,, вызываемого нестабиль ностью частоты лазерного излучения, на выходной сигнал и повысить точность измерения линейных перемещении °

Настройка устройства, отвечающая условию (5), не является единственно возможной для достижения цели изобретения. В более общем случае может быть выбрана настройка

6,„= 211 N +6, Ю„-2П И -Б где Н Ф И . В этом случае рабочие точки .интерферометров Фабги-Перо лежат на противоположных склонах пиков аппаратной функции с разными значениями N . При такой настройке относительное изменение коэффициента пропускания из-за девиации частоты оказывается больше, чем при оптимальной настройке. Это может оказаться допустимым в ряде конкретных случа1ев в зависимости от требуемой точности.

Выражение для О (1-R) /Х2 справедливо для оптимальной рабочей точки идеального интерферометра Фабри-Перо, Для реального интерферометра с учетом конечных размеров зеркал, шероховатостей поверхности, отклонений формы волнового фронта лазерного пучка от заданной выражение дпя оптимальной гочки описывается указанным только приближенно. Поэтому может быть использовано приближенное о ° о значение для о: о

)256505

Составитель Н. Захаренко

Техред Л.Сердюкова Корректор Т,Колб

Редактор И, Стрельникова

Заказ 2831

Тираж Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.ужгород, ул.Проектная, 4