Устройство для измерения малых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерферометра

Устройство для измерения малых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерферометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ МЕДЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКО ДЛИНЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПЛЕЧА ИНТЕРФЕРОМЕТРА , содержащее иаточник излучения , интерферометр, опорное зерка ло которого укреплено на пьезокерамическом элементе, фотоприемник. установленный на выходе интерферометра , схему обработки сигнала, генератор переменного напряжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, схема обработки сигнала выполнена в виде соединенных последовательно усилителя переменного напряжения , соединенного с фотоприемником, фазового детектора и усилителя постоянного тока, выход которого соединен с пьеэокерамическим элементом, второй вход фазового детектора соединен с генератором переменного.напряжения , а выход - с регистратором.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Зщ) 6 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВтОРСКом СаиДЯтыьСтнм (21) 2815644/18-28 (22) 07.09.79 (46) 30.06,83. Бюл. Э 24 (72) И.Л. Берштейн и В.A. Рогачев (71) Институт прикладной физики AH

СССР (53) 531.7(088.8) (56) 1. Квантовая электроника, 1977, 9 1, с. 69-71 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДНЯ ИЗМЕРЕНИЯ

МАЛЫХ МЕДЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКОЙ

ДЛИНЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПЛЕЧА ИНТЕРФЕРОМЕТРА, содержащее источник излу» чения, интерферометр, опорное зеркало которого укреплено на пьезокерамическом элементе, фотоприемник, „„Я0„„1026010 А установленный на выходе интерферометра, схему обработки сигнала, генератор переменного напряжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, схема обработки сигнала выполнена в виде соединенных последовательно усилителя переменного напряжения, соединенного с фотоприемником, фазового детектора и усилителя постоянного тока, выход которого соединен с пьезокерамическим элементом, второй вход фазового детектора соединен с генератором переменного.напряжения, а выход - с регистратором °

102 б010

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в оптической интерферометрии для измерения малых мед ленных изменений длины оптического пути, обусловленных как перемещением отражающей поверхности, так и изменением показателя преломления среды, внесенной в измерительное плечо интерферометра, в частности, устройство может быть использовано для иссле- 10 дования и измерения скорости роста кристаллов, в этом случае отражающей поверхностью будет являться растущая грань кристалла.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения малых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерферометра, содержащее источник излучения, интерферометр, опорное зеркало которого укреплено на пьезокерамическом элементе, установленный на выходе интерферометра фотоприемник, схему обработки сигнала, генератор переменного напРяжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, и регистратор (1J .

Однако известное устройство для измерения малых медленных изменений оптической длины (например, в результате изменения геометрических параметров объекта) обладает недостаточной чувствительностью, что обусловлено самим принципом измерения, основанным на регистрации временных интервалов (минимальная зарегистриро- 35 ванная и устойчиво воспроизводимая величина микронеровностей составляет

50 Х) .

Цель изобретения - повышение точности измерений. 40

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения малых медленных изменений оптической длины измерительного плеча интерфеРометра, содержащем источник излуче- 45 ния, интерферометр, опорное зеркало которого укреплено на пьезокерамическом элементе, фотоприемник, установленный на выходе интерферометра, схему обработки сигнала, генератор переменного напряжения, соединенный с

50 пьеэокерамическим элементом, и регистратор, схема обработки сигнала выполнена в, виде соединенных последовательно усилителя переменного напряжения, соединенного с фотоприемником, 55 фазового детектора и усилителя постоянного тока, выход которого соединен с пьезокерамическим элементом, второй вход фазового детектора соединен с генератором переменного напря- 60 жения,, а выход - с регистратором.

На чертеже приведена схема устройс тв а .

Устройство содержит источник 1 излучения, интерферометр, измеритель-б5 ное плечо которого образовано расстоянием от делительной полупрозрачной пластины 2 до отражателя 3, а опорное плечо образовано расстоянием от пластины 2 до опорного зеркала 4 (отражатель 3 и зеркало 4 расположены так, что на выходе интерферометра образуется интерференционная картина, отражатель 3 представляет собой либо зеркало измерительного плеча, в котором установлена исследуемая среда с переменным показателем преломления, либо является отражающей поверхностью перемещающегося объекта), пьеэокерамический элемент 5,-генератор 6 переменного напряжения, соединенный с последним, фотоприемник 7, установленный на выходе интерферометра,схему обработки сигнала, выполненную в ниде соединенных последовательно усилителя 8 переменного напряжения, фазового детектора 9 и усилителя 10 постоянного тока, соединенного с пьеэокерамическим элементом 5, и регистратор 11, соединенный с выходом фазового детектора 9.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1 (лазера) полупрозрачной пластиной 2 делится на опорное и измерительное, при этом пластина 2 направляет измерительное излучение на отражатель 3, а опорное излучение на зеркало 4. Зеркало 4 под действием напряжения частоты F подаваемого на пьезокерамический элемент 5, модулирует длину опорного плеча с частотой F. Тем самым с частотой F модулируется фаза колебаний опорного излучения. В то же время изменение оптической длины измерительного плеча приводит к изменению фазы колебаний измерительного излучения, На выходе интерферометра иитерферируют два колебания: измерительного с фазой (, линейно зависящей от оптической длины измерительного плеча Б соэ(од,-y), и опорное е соэ (wt -4>cos27

496 A. длина волны) 6 - амплитуда колебаний зеркала 4 (порядок величины Fc 5-10 кГц; Ю/Я 5-10%), В результате на выходе фотоприемника 7 содержится сигн ал, пропорциональный. E„t q2,(Р) sin

, где A — ампли» туда, определяемая интенсивностями интерферирующих лучей и коэффициентами усиления и преобразования в схеме обработки сигнала. Напряжение U

1026010

U=

Ац> ф

)\ (А ka, kot

Составитель Е. Глазкова

Редактор Л. Филь Техред С. Мигунова Корректор й. Повх

Заказ 4 546/34 . Тираж 602 Подпиа ное

BHHHtIH Государственного комитета СССР по делам изобретейий и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4! 5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 усиливается усилителем 10 постоянного тока и подается на пьеэокерамический элемент 5 зеркала 4 для автоматической подстройки оптической длины опорного плеча в соответствии с изменяющейся оптической длиной измерительного плеча (с точностью до целого числа длин волн, не влияющего на результат интерференции) ° Выравнивание оптических длин плеч приводит к значительному уменьшению разности фаэ 10

Щ менщу интерферирующими колебаниями, в результате чего ф заменится на

q-МО, где к - коэффициент усиления усилителя 10; ot - коэффициент, харак-.. теризующий чувствительность пьеэоке- 5 рамического элемента 5. При этом напряжение U на выходе фазового детектора 9, являющееся сигналом ошибки, равно U = As

При наблюдении изменений оптической длины измерительного плеча, происходящих с низкой частотой (20-200 Гц), на лабораторном макете зафиксировано пороговое значение чувствительности устройства порядка сотой доли ангстрема при полосе приема 6 Гц.

При этом даже существенные изме-. нения интенсивности излучения в измерительном плече, вызванные изменекием коэффициента отражения от отражателя 3, слабо влияют на результат измерения, поскольку, как видно из соотношения (1), сигнал ошибки U слабо зависит от величины А, пропорциональной корню квадратному от интенсивности излучения, отраженного от отражателя 3. для компенсации флуктуаций интенсивности опорного и измерительного излучений интерферометра (например, нз-за флуктуаций излучения лазера) в устройстве может быть использован второй фотоприемник, при этом он должен быть оптически связан с вторым выходом интерферометра, а выход фотоприемника должен быть подключен в противофазе с первым фотоприемником к входу усилителя переменного напряжения.