Способ измерения фазового сдвига световых волн

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских!

Социалистических

Республик (6! ) Доно !пптсл!эпос к авт. с!!пд ву (22) Заявлено 17.07.75 (21) 2158025, 28 с присоединением зая !кп № (51) М, Кл - б 01В 11/00

ГосУдаРственнь|к комитет (23) П ио чтет

Совета Министров СССР ло дела!и изобретений и открытий (53) Опубликовано 15.09.77. Б!оллетень ¹ 34 (53) УДК 531.715(088.8) (45) Дата опубликования описания 19.12.77 (72) Авторы изобретения

В. С. Васильев, С. Ф. Корндорф, Б. Д. Никитин, В. И. Телешевский, A. Ю. Криштул, А. Ф. Левитес и Е, П. Потапов

Ордена Трудового Красного Знамени экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежу!цих станков и Московский станкоинструментальный институт (71) Заявители (54) СП!ОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА

СВЕТОВЫХ ВОЛН

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига световых волн при интерференционных измерениях величины линейных и угловых перемещенпй объектов.

Известен иптерференционпый способ измерения фазового сдвига световых волн, например при измерении угловых или линейных перемещений объекта с использованием лазера с внутрирезонаторным расщеплением спектральной линии в магнитном поле (эффект Зеемана) (1).

Однако известный спосоо обладает рядом недостатков, в частности необходимостью применения двухчастотного лазера, невысоким диапазоном скоростей контролируемых перемещений, наличием дополнительных шумов и флуктуаций в выходных сигналах интерференпионного преобразователя, повышенной сложностью и трудоемкостью юстирозки оптической схемы, вытекающей из физической природы способа.

Наиболее близким по технической сушности к предлагаемому изобретению является способ измерения фазового сдвига световых волн, например, при измерении угловых или линейных персмегцений объекта, заключаюгцийся в том, что мопохроматпческпе когерентные излучения опорного и измерительного каналов иптерферометра направляют па светомодулятор, в котором создают одну движуп!у!ося с постоянной скоростью периодическу!о структуру, регистрируют результаты и iтерференции двух дифрагпрованных излу5 чений и определяют разность фаз интерферирующих потоков излучений, по которой судят о значении перемещения объекта (2).

Однако этот способ сложен в реализации, обладает недостаточной точностью и разре10 шапощей способностью измерений.

Целью изобретения является упрощение способа и его аппаратурной реализации, повьппение точности и разрешающей способности измерений.

15 Это достигается тем, что излучения опорного и измерительного каналов направляют па свстомодулятор так, что они пересекаются в плоскости периодической структуры светомодулятора под углом, обеспечивающим

2! мпогопорядковую дифракцию от каждого излучения, а интерферирующпе порядки дифрагированHûх излучений преобразуют в электрические сигналы, частота которых определяется алгебраической разностью номе25 ров пптерферирующих порядков.

Кроме того, одно из излучений до светомодулятора формиру!от так, чтобы оно представляло сооой два потока, симметрично расположенных относительно другого излучения, а с целью измерения пространственных пе572646

3 рсмс!не!!пй О<гьекта излучения опорного и нзмсРIIT<11>ft<>t О Ii tt<:<, (

На фиг. 1 изображена одноканальная схема измерения фазового сдвига световых волн; на фиг. 2 — двухканальная схема измерения фазового сдвига световых волн; на фиг. 3 — одноканальная схема измерения с двумерной периодической структурой, где — частота излучений опорного и измерительного каналов; fI и f — частоты возбуждения структу ры во взаимно перпендикулярных направлениях.

Способ осуществляется следующим ооразом. Монохроматические когерентные излучения 1 и 2 опорного н измерительного каналов интерферометра направляют на светомодулятор, в котором возбуждают одну движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру 3. Световые волны излучений 1 и 2 определяются известными формулами. Периодическая структура 3 может быть амплитудной или фазовой.

Рассмотрим предложенный способ на примере амплитудной периодической структуры (решетки) 3 с произвольным периодическим распределением пропускания. В этом случае функция и ропускапня решетки описывается рядом Фурье

+, Т (х, 1) == Л„,cos m (vt — х), (1)

К

m=0 где А,„— коэффициент разложения;

g — период решетки, На выходе из решетки образуется спектр, содержащий набор волн, дифракционных порядков, обозначенных на фиг. 1 номерами

0 1, 2 ... Ка>кды!! т-ый дифракционный not, рядок составляет угол m — с направлением

k падения волны Ez на решетку 3 и имеет комплексну!о амплитуду

Er (и) = Er А„, ехр + mf) /+ И,)<<, (2) > где f — — частота допплеровского сдвига, соК ответствующая скорости перемещения решетки.

После прохождения решетки световая волна Ez разделяется на ряд когерентных световых пучков — дифракционных порядков, оптические частоты которых смещены относительно частоты световой волны Ет на соответствующую величину допплеровского сдвига mf, При этом в каждом из порядков с частотой (v+mf) содержится информация оо оптическом пути bl световой волны Ez в виде фазового члена И< (2).

На выходе из решетки 3 световая волна

E1z аналогично разделяется на ряд дифракционных порядков 0<-1, 2... с допплеровски смещенными оптическими частотами.

З5

4

0<.об<. «1!Ость 1!рсдло неttttoi о способа зак.!!Оч

Ен направляются из интерференционной схемы на днфракционную решетку не произвольно, а под определенными углами.

Направления этих волн осуществляют так, чтобы m-ый порядок дифракции одной волны совпал с и-ым порядком дифракции другой волны, причем номера совпадающих порядков Iml lnI В этом случае в зоне перекрытия дифракционных порядков неравных номеров происходит интерференция разночаcToTHbIx световых пучков Е (т) и Етт(и).

Так как интерферирующие пучки имеют различные частоты (v+mf) (v+nf), в поле их интерференции содержится переменная составляющая интенсивности с разностной частотой (n — m)f, для преобразования и выделения которой в виде электрического сигнала в поле интерференции порядков Ez(m) и Err(n) устанавливают фотоприемник 4 с фильтром 5, настроенным на алгебраическую разность частот и) и mf.

Возникающий на выходе фильтра электрический сигнал определяется выражением

U,„,. (t) = U, cos ((n — т) ft — kgb), (3) где U — амплитуда.

Величина Ab входит в фазу сигнала (3), > частота которого равна 2—

Г

При этом измерение фазы производится путем сравнения сигнала (3) с сигналом той же частоты и постоянной фазы, который формируется устройством, определяющим параметры движущейся периодической структуры.

С точки зрения преобразования величины

Ab в фазу электрического сигнала равноправными являются поля интерференции совпадающих порядков, номера которых имеют разность (n — и). В каждом из этих полей может устанавливаться фотоприемник 4 с фильтром 5, настроенным на частоту (и— — т) f, и выделяться электрический сигнал (3).

Предложенный способ осуществляет многоканальное, и в частности двухканальное преобразование контролируемого перемещения в фазу, что повышает стабильность и разрешающую способность измерений и увеличивает чувствительность интерференцион11ых преобразователей.

Формула изобретения

1. Способ измерения фазового сдвига световых волн, например при измерении угловых или линейных перемещений объекта, закл1оча1ощийся в том, что монохроматические когерентные излучения опорного и измерительного каналов интерферометра направляют на светомодулятор, в котором создают одну движущуюся с постоянной скоростью периодическую структуру, регистрируют результаты интерференции двух дифрагирован572646

Е;(2) о ных излучений и определяют разность фаз интерферирующих потоков излучений, по которой судят о значении перемещения объекта, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и его аппаратурной реализации, повышения точности и разрешающей способности измерений, излучения опорного и измерительного каналов направляют на светомодулятор так, что они пересекаются в плоскости периодической структуры светомодулятора под углом, обеспечивающим многопорядковую дифракцию от каждого излучения, а интерферирующие порядки дифрагированных излучений преобразуют в электрические сигналы, частота которых определяется алгебраической разностью номеров интерферируюших порядков. ,2. Способ по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что одно из излучений до светомодуля гора формируют так, чтооLI оно представляло собой два потока, симметрично расположенных относительно другого излучения.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью измерения пространственных перемещений объекта, излучения опорного и измерительного каналов по каждой координате направляют на периодическую структуру светомодулятора, которой задают взаимно перпендикулярные перемещения.

И сточники информации, принятые во внимание при экспертизе

15 1. Патент США № 3458259, кл. 35б — 10б, 29.07.б9.

2. Авторское свидетельство № 399722, кл. G 01В 9/02, 1971.

572646 (+r)

+г)

)+f Г, 1 -,р.

Фи .. 7

Составитель П. Юров

Редактор Н. Хлудова Техред М. Семенов Корректор Л, Котова

Подписное

Заказ 2775/1 Изд. № 1007 Тираж 907

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытии

113035, Москва, К-35, 1за нпская наб., д. 4/5

ТпнограФия, ир. Сапунова, 2