Гетеродинный интерферометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 J 9/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВ l4ETERЬСТВУ

СО

С)

Ql (л)

О

0 с

lllLi c,1 (21) 4826367/25 (22) 17,05,90 (46) 30.03.93. Бюл. N 12 (71) Научно-производственное объединение

"Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им.д.И.Менделеева" (72) А,В,Миронов, В.Е,Привалов и С.А.Синица (56) Левитес А.Ф., Телешевский B.È. — Приборы и техника эксперимента, 1973, N. 6, с, 139-140.

Коронкевич B.Ï., Ханов В,А. Современные лазерные интерферометры, Новосибирск, 1985, с,14, (54) ГЕТЕРОДИННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР (57) Использование; в измерительной технике для измерения линейных перемещений.

Сущность; гетеродинный интерферометр, включающий лазер 1, светоделитель 2, подвижный 4 и неподвижный 3 уголковые от. Ы» 1805306 А1 ражатели, оптически связанный с лазером 1 через отражатели 3, 4 и светоделитель 2 фотоприемник 5 и подключенный к нему блок 6 регистрации, снабжен астигматическим элементом 7 с непрозрачным участком 8, нанесенным на его поверхность и совмещенным с оптической осью лазера, дополнительным светоделителем 9 и отражательным зеркалом 10, при этом астигматический элемент 7 установлен в резонаторе лазера 1, дополнительный светоделитель 9 установлен между лазером

1 и основным светоделителем 2, причем оптическая ось 12 пучка, отражаемого от дополнительного светоделителя 9, через отражательное зеркало 10 совмещена с оптической осью 13 пучка, прошедшего через дополнительный светоделитель 9 и отражен ного от основного светоделителя 2. 3 ил.

1805306

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.

Цель изобретения — повышение быстродействия и надежности.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить пространственное разнесение полей двух мод ТЕМо1 и ТЕМ1о, генерируемых одним и тем же лазером, и тем самым расширяя пределы задания разности частот этих мод за счет внесения астигматизма в резонатор лазера и снимая ограничение на скорость перемещения подвижного отражателя, повысить быстродействие.

Это также позволяет обеспечить нечувствительность,разности частот мод к магнитному полю и тем самым, устраняя влияние внешних магнитных полей, повысить надежность.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — оптическая схема преобразования пучков; на фиг. 3— ход лучей через астигматический элемент.

Предлагаемый гетеродинный интерферометр состоит из лазера 1, светоделителя

2, установленного в пучке излучения лазера

1, неподвижного 3 и подвижного 4 уголковых отражателей, оптически связанных с лазером

1 через светоделитель 2, фотоприемника 5, оптически связанного с уголковыми отражателями 3, 4 через светоделитель 2, блока 6 регистрации, подключенного к фотоприемнику 5, астигматического элемента 7 с непрозрачным участком 8, установленного в резонаторе лазера 1, дополнительного светоделителя 9, установленного между лазером 1 и основным светоделителем 2, и отражательного зеркала 10, оптически связанного со светоделителями 2 и 9, Непрозрачный участок 8 совмещен с оптической осью 11 лазера 1, Оптическая ось 12 пучка, отражаемого от дополнительного светоделителя 9, совмещена через отражательное зеркало 10 с оптической осью 13 пучка, прошедшего через дополнительный светоделитель 9 и отраженного от основного светоделителя 2. Фотоприемник

5 оптически связан через основной светоделитель 2 и угол ковые отражатели 3, 4 с лазером 1 и подключен к блоку 6 регистрации.

В качестве астигматического элемента 7 целесообразно использовать длиннофокусную цилиндрическую или сферическую линзу, причем если используется сферическая линза, то она должна быть установлена наклонно к оптической оси 11 лазера 1, Предлагаемый гетеродинный интерферометр работает следующим образом (см.фиг, 2,3).

В лазере 1 возбуждается генерация индуцированного излучения, пучок которого распространяется вдоль оптической оси 11.

При этом непрозрачный участок 8 вносит потери для осевой моды ТЕМоо, и она гаснет, освобождая условия для возбуждения генерации двух низших поперечных мод

ТЕМю и ТЕМо>, ранее подавленных упомянутой модой ТЕМоо из-за конкуренции мод в лазере 1. Пятно излучения моды ТЕМ>о состоит из верхней 15 и нижней 16 долек (см,фиг,2,3), а пятно моды TEMp) — из левой

17 и правой 18 долек. Колебания электромагнитного поля в симметричных дольках каждой моды взаимно противофазны. Благодаря развороту пятен излучения мод относительно оптической оси 11, генерация мод происходит на разных, пространственно разнесенных участках активной среды, поэтому совместная генерация этих мод устойчива, При распространении излучений в дольках 15 — 18 через астигматический элемент 7 (см.фиг,3) оптическая длина резонатора для мод ТЕМ1р и TEMpr различна и определяется длиной участков 19, 20 и

21, 22 соответственно, Различие оптических длин резонатора ведет к расщеплению частот мод. Если астигматический элемент выполнен в виде сферической линзы, размещенной под углом Брюстера к оптической оси 11, то разность частот мод равна где v — разность частот, МГц; ис, — частотный интервал между продольными модами лазера 1, МГц; и — показатель преломления материала элемента 7; в — радиус пучка излучения, м;

R — радиус сферической поверхности элемента 7, м;

К = 1,2 10 — коэффициент, найденный з в эксперименте, По выходе из лазера пучок излучения, содержащий две моды, делится светоделителем на два пучка, один из которых направляется непосредственно на основной светоделитель 2, а второй пучок — на отражательное зеркало 10 и затем также на светоделител ь 2 (см,фиг.2), При этом второй пучок при отражении от зеркала 10 претерпевает зеркальное отображение, в результате которого дольки 15, 16 моды ТЕМ о меняются местами в пространстве. В то >ке время с дольками 17, 18 моды ТЕМо1 этого не происходит, так как зеркальное отображение происходит только в одной плоско1805306

R=c/V К(п — 1)

NE

v =2-(\/ сти. Затем пучки интерферируют в обла- тогда для радиуса сферической поверхности стях 23, 24, 25 вдоль оптической оси 13, а астигматического элемента 7 следует, сотакже вдоль оси 14. При этом максимум ин- гласно (1), терференции для моды ТЕМо1 соответствует минимуму интерференции для моды ТЕМ10, 5 поскольку колебания в представленных ме(3) стами дольках 15, 16 взаимно противофазны. В результате вдоль оптической оси 13 где R — радиус, м; распространяется излучение преимущест- c — скорость света, м/с; венно моды ТЕМо1, а в направлении оси 14 10 — длина резонатора лазера 1, м, — моды ТЕМ1р. В случае равенства коэффи- Например, при V= 3 м/с следует 1 = 10 циентов отражения светоделителей 2, 9 их МГц, и в гелий-неоновом лазере 1 (Л = 0,63 коэффициентам пропускания (50Д в на- мкм) длиной L = 0,5 м при и = 0,5 10 м правлении оси 13 распространяется только имеем: R = 7 2 м. С учето о мо аТЕМ а

I мода о1, а в направлении оси 14 — только 15 R» в такая плоско-вогнутая линза несумода TEM)p. Отразившись от уголковых от- щественно отличается по вносимым потеражателей 3, 4 и объединившись в светоде- рям от плоско-пар ям от плоско-параллельной пластины и в лителе 2, излучения мод интерферируют на рамках общепринятых допусков на выполповерхности фотоприемника 5, Сигнал с фо- нение угла Брюс + 1 ) н ние угла рюстера (+ ) она всегда мотоприемника 5 поступает на блок 6 регист- 20 жет быть установлена в резонатор. При этом рации, где из исходных колебаний оптическая ось 11 должна пересекать сфеинтерференционной картины с частотой рическую поверхность линзы в точке, в которой плоскость, касательная к сфере, (Р— Р V) где и — частота моды ТЕМ01, Гц; параллельна плоской поверхности линзы.

v о — частота моды ТЕМ10, Гц; 25 Для осуществления предлагаемого усти — добавка из-за перемещения от- ройства может быть применена следующая р ° ц: ра>кателя 4, Г; элементная база. В качестве лазера 1 может вычисляется скорость перемещения отра- быть использован любой одномодовый лажателя 4 и его кос ината, ордината, зер; наиболее подходит широко применяеЦелесообразно выполнить астигмати- 30 мый лазер ОКà — 13 с небольшими ческий элемент 7 в виде сферической, на- доработками, связанными с установкой аспример, плоско-вогнутой линзы, тигматического элемента 7. Светоделитель установленной в лазере 1 под углом Брюсте- 2, угол ковые отражатели 3, 4, фотоприемник ра к оптической оси 11, Это обусловлено 5 и блок регистрации 6 могут быть взяты из высокой технологичностью сферических по- 35 комплекта узлов измерителя перемещений верхностей в оптическом производстве в ИПЛ-ЗОК. В качестве астигматического элеотличие от любых других криволинейных мента 7 может быть использована подложка поверхностей. от зеркала лазера ОКà — 13 или аналогичного

Целесообразно также укрепить свето- лазера, Светоделитель 9 и зеркало 10 отноделители 2, 9 и отражательное зеркало 10 40 сятся к изделиям массового выпуска в оптижестко на основании из материала с низким ческой промышленности. коэффициентом теплового расширения, на- Таким образом, предлагаемое техничепример из инвара или плавленого кварца, и ское решение позволяет расшить область термостатировать его при температуре, со- задания разности частот мод и диапазон ответствующей максимуму интерференции 45 скоростей подвижного отражателя, устраизлучения моды ТЕМо> в направлении опти- нить из состава постоянные магниты, устраческой оси 13, нить чувствительность устройства к

Целесообразно также выбрать частоту внешним магнитным полям и, и тем самым, биений мод и (см.выражение (1)) равной повысить надежность.

50 Формула изобретен ия (2)

Гетеродинный интерферометр, включающий лазер, светоделитель, подвижный и неподвижный уголковые отражатели, оптигде 3 — длина волны излучения лазера 1, м; чески связанный с лазером через отра а еV —. — максимально возможная скорость 55 ли и светоделитель фотоприемник, перемещения отражателя 4, м/с; подключенный к нему блок регистрации и — частота биений, Гц; дополнительный светоделитель, установленный между лазером и основным светоделителем, отличающийся тем, что, с

1805306 д /

Составитель Фиг. Я

Техред М, Моргентал Корректор Н. Ревская

Редактор

Заказ 935 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 целью повышения быстродействия, надежности интерферометр снабжен астигматическим элементом с непрозрачным участком, нанесенным на его поверхность и совмещенным с оптической осью лазера, который установлен в резонаторе лазер; при этом оба светоделителя оптически свя заны через дополнительно введенный отра жатель.