Гетеродинный интерферометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 06 1 3 9/02 П С) (Я ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) Е ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(21) 4826367/25 (22) 17,05,90 (46) 30.03.93. Бюл. М 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 В.И. - Приборы и техника эксперимента, 1973, Мт 6, с, 139-140.Коронкевич В,П., 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 2 ражатели, оптически связанный с лазером 1 через отражатели 3, 4 и светоделитель 2 фото- приемник 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 отраженного от основного светоделителя 2, 3 ил,35 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 ТЕМо 1 и ТЕМ 1 о, 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 свето- делителя 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 ТЕМ 1 о и ТЕМо 1, ранее подавленных упомянутой модой ТЕМоо из-за конкуренции мод в лазере 1. Пятно излучения моды ТЕМИНО состоит из верхней 15 и нижней 16 долек (см,фиг,2,3), а пятно моды ТЕМо 1 - 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 ТЕМ 1 о и ТЕМо 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 Р - разность частот, МГц;с, - частотный интервал между продольными модами лазера 1, МГц;и - показатель преломления материала элемента 7;щ - радиус пучка излучения, м;Я - радиус сферической поверхности элемента 7, м;К = 1,2 10 - коэффициент, найденныйзв 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 светоделитель 2 (см,фиг.2),При этом второй пучок при отражении от зеркала 10 претерпевает зеркальное отображение, в результате которого дольки 15, 16 моды ТЕМ 1 о меняются местами в пространстве. В то ке время с дольками 17, 18 моды ТЕМо 1 этого не происходит, так как зеркальное отображение происходит только в одной плоско(2) сти. Затем пучки интерферируют в обла- тогда для радиуса сферической поверхностистях 23, 24, 25 вдоль оптической оси 13, а астигматического элемента 7 следует, сотакже вдоль оси 14, При этом максимум ин- гласно (1),терференциидля моды ТЕМо 1 соответствуетминимуму интерференции для моды ТЕМ 10, 5поскольку колебания в представленных ме(3)стами дольках 15, 16 взаимно противофазны, В результате вдоль оптической оси 13 где В - радиус, м;распространяется излучение преимущест- с - скорость света, м/с;венно моды ТЕМо 1, а в направлении оси 14 10- длина резонатора лазера 1, м,- моды ТЕМ 1 о. В случае равенства коэффи- Например, при Ч= 3 м/с следует М = 10циентов отражения светоделителей 2, 9 их МГц, и в гелий-неоновом лазере 1 ( Л = 0,63коэффициентам пропускания (50%) в на- мкм) длиной= 0,5 м при и = 0,5 10 мправленииоси 13 распространяетсятолько имеем: й = 7 2 м. С учето омо аТЕМ амода о 1, а в направлении оси 14 - только 15 Я в такая плоско-вогнутая линза несумода ТЕМ 1 о. Отразившись от уголковых от- щественно отличается по вносимым потеражателей 3, 4 и объединившись в светоде- рям от плоско-парям от плоско-параллельной пластины и влителе 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 жет быть установлена в резонатор, При этомрации, 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 2 ф У )где ю - частота моды ТЕМ 01, Гц; параллельна плоской поверхности линзы,0 - частота моды ТЕМ 10, Гц; 25 Для осуществления предлагаемого усти - добавка из-за перемещения от- ройства может быть применена следующаяРракателя 4, Г; элементная база, В качестве лазера 1 можетвычисляется скорость перемещения отра- быть использован любой одномодовый лажателя 4 и его кос ината,ордината, зер; наиболее подходит широко применяеЦелесообразно выполнить астигмати мый лазер ОКГ - 13 с небольшимический элемент 7 в виде сферической, на- доработками, связанными с установкой аспример, плоско-вогнутой линзы, тигматического элемента 7, Светоделительустановленной в лазере 1 подуглом Брюсте, уголковые отражатели 3, 4, фотоприемникра к оптической оси 11, Это обусловлено 5 и блок регистрации 6 могут быть взяты извысокой технологичностью сферических по комплекта узлов измерителя перемещенийверхностей в оптическом производстве в ИПЛ-ЗОК, В качестве астигматического элеотличие от любых других криволинейных мента 7 может быть использована подложкаповерхностей. от зеркала лазера ОКГ - 13 или аналогичногоЦелесообразно 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 инварэ или плавленого кварца, и ское решение позволяет расшить областьтермостатировать его при температуре, со- задания разности частот мод и диапазонответствующей максимумуинтерференции 45 скоростей подвижного отражателя, устраизлучения моды ТЕМо 1 в направлении апти- нить из состава постоянные магниты, устраческой оси 13, нить чувствительность устройства кЦелесообразно также выбрать частоту внешним магнитным полям и, и тем самым,биений мод и (см.выражение (1 равной повысить надежность.50 Формула изобретен ияю =2.Ч Гетеродинный интерферометр, включающий лазер, светоделитель, подвижный инеподвижный уголковые отражатели, оптигде 3 - длина волны излучения лазера 1, м; чески связанный с лазером через отра а еЧ - ,- 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с1805306 оставительехред М, Моргента ская еда оррект аказ 935 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 и ГКНТ СС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. У ул.Гагарина, 1 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 стра жатель.5