CS211122B1 - Method of making of interference fields of light beams with optional phase shift in laser interferometer and apparatus for making the same - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení k vytváření interferenčního pole svazků světla . pro laserový interferometr obsahující informaci o poloze a smyslu vzájemného pohybu interferujících svazků světla mezi sebou.

Interferenční pole pro technické poožiií,. např. pro měření délek, musí vždy obsahovat informaci o sjěru pohybu vlioplochy jednoho- ž interferujících svazků vůči druhému. Tato informace můžo být obsažena buď v časovém p... . uěhu interferenčního pole anebo v prostorovém a fázovém uspořádán tohoto pole.

Pro použití v laserových interferometrech se obvykle využívá interferenčního pole, které vznikne interferencí dvou - opačně orientovaných kruhově nebo elipticky polarizovaných svazků. Laserový interfer ? poskytuje v tomto případě interferenční pole, z něhož při detekci je možné získat dva signáty v kvadratuře, jen^ž jsou ^fázov^ě posunuté o 90% nu^tn^é pro rozlišení směru pohybu pohyblivé části interferometru.

Takový laserový interferometr s jedinou pracovní vlnovou délkou, tj. s jedinou frekvencí, obvykle sestává z dělicí jednotky, posuvného zpětného odrazného systému, detekční jednotky a zdroje lineárně polarizovaného světla, například jediofrekveičního - laseru. V ose opticky zvětšeného svazku paprsků z jednofrekvenčního laseru je obvykle umístěna čtvrtvlnná destička, která přemění - lineárně polarizované světlo laseru na.přibližně kruhově polarizovaný svazek paprsků. Za čtvrtvlnnou destičkou je dělicí jednotka, například hranol nebo deska s dělicí a částečně propustnou vrstvou. Na této dělicí vrstvě dochází k rozdělení svazku na referenční svazek a měřici svazek paprsků,

Referenční svazek po dvojnásobném odrazu na dč^ě^licí vrstvě vychází k detekční jednotce. Měřci svazek prochází nejprve částečně propustnou dělicí vrstvou a postupuje v původním směru k posuvnému zpětnému odraznému systému a po odrazu se rovnoběžně vrací zpět k dělicí vrstvě desky, kterou částečně prochází a postupuje společně s referenčním svazkem k detekční jednotce. V místě průchodu dělicí vrstvou desky se oba svazky, referenční a měMcí, sjednocují,· vyltvťiáejí interferenční pole a ve společné ose postupuji k detekční jednotce. Detekční jednotka obsahuje další d^l^zicí členy, které provedou další rozdělení svazku paprsků tak,- že například jedna část odražená v jednom směru prochází prvním.optickým polarizačním filteem в dopadá na první fotodetektor a druhá část svazku paprsků částečné prochází děěicí vrstvou dělicího členu a postupuje přes druhý optický polarizační filtr ke druhému fotodetektoru. Vhodným natočením polarizačních filtrů se získají dva signály v kvadratuře fázově posunuté - o 90°, což umožní pouuití vratných čitačů pro měření délek.

Nevýhodou dosavadních laserových interferometrů je, že obvykle pouužvají pouze kruhově polarizované světlo opačné orientace jak pro - referenční, tak i pro měř-cí svazek světla. V obou těchto svazcích jsou tedy nutná opatření pro zachování přibližně kruhově polarizovaného světla na výstupu z interferometru. V některých případech jsou ve - vlastním interferometru anebo za - ním uspořádány další optické členy, které ztěžují moonoot zachování - kruhově polarizovaného světla v laserovém interferometru.

Tyto dosavadní nevýhody odstraňuje způsob vytváření interferenčních polí s libovolným fázovým posuvem v laserovém interferometru k získání informace' o poloze a sm^lu vzájemného pohybu interferujících polí mezi sebou. Podstatou vynálezu je, že k interferenci jsou přiváděny jednak dva dílčí svazky světla ortogonálně lineárně polarizované, které vytvářejí první interferenční pole, a jednak nejméně delší dva dílčí svazky světla ortogonálně lineárně polarizované, které jsou vůči sobě fázově posunuty o požadovaný fázový posuv např. 90° a tyto svazky vytvářejí druhé interferenční pole.

Způsob umoonuje sestrojit laserový - interferometr,- tvořený laserem, vlastním interferometrem a detekční jednotkou, kde detekční jednotka je opatřena buď v ose prvního sjednoceného odraženého svazku nebo procházeeícího svazku nebo, v obou rozdělených svazcích zpožďovacím elementem, např. lineární zpožďovací destičkou.

411122

Detekční jednotka je tvořena nepolarizující dělicí deskou, za kterou v - ose prvního odraženého - sjednoceného - svazku za první lineární zpožďovací destičkou je první - pooiarizující dělič''a první fotoelektrický detektor a v ose prvního propuštěného sjednoceného svazku je umístěn za druhou lineární zpožďovací destičkou druhý oolla?izující dělič a v ose druhéhého odraženého sjednoceného svazku druhý fotoelektrický detektor.

Přednoosí uvedeného způsobu vytváření interferenčního pole laserového interfeoometru podle vynálezu je možnost jednoduchého uspořádání laserového - int^e^i^:^eo(^metru a jeho pouští v laserovém mířicím systému. PiHom laserový interferometr - po sý tuje plný interferenční signál a vykazuje vysokou spooelhivost. Pooluííí interferenčních polí s přímým fázovým posuvem bez přeměny ortogonálních lineárně polarizovaných svazků na opačnl orientované - kruhově polarizované přináší výhodu - nezávislého nastavení intenzit a fází obou interferujících svazků. Piioom dovoluje například dynamické změny fází obou interferujících svazků mimo vlastní interferometr beze změny kontrastu.

Příklad provedení -poctívající způsobu vytváření interferenčních pooí s fázovým posunem 90° v laserovém i^nt^e^]?:^eo(^me'tru je znázorněn - na výkrese. ^a

Princip vytváření interferenčních p<o.í s libovolný^ fázoiým posuvem je násled^jcí.

Předpokládá se, ortogonálně I.íz^c^é^i^í^I že - sjednocený svazek Д^р vystupjící z vlastoho ínerf monstru, polarizován a může se vyjádřit Jonesovým vektorem ve tvaru:

je

kde např. Ej ... el. vektor referenčního svazku &2 ··· el. vektor mě^i.cí^h^o svazku

Pro druhý odražený sjednocený svazek £5^5» který vyjadřuje první interferenční pole.

^(E] + E₂) kde TA , T„ ... propustnost lepoOajizující - děěicí desky 31 v rovině kolmé» resp. rovnoběžné s rovinou dopadu

8t ·.· fázový posuv lepoOajizzjící děěicí desky J 'na průchod

Dále pro intenzitu

které je úměrný sigtol na fotorlektrickém'detektoru J2 za předpokladu: Eg kde Φ je fázový posuv mezi referencím a mšicím svazkem a^ na výstupu z vlastního interfeoometru -, dostane se:

E²

S^d5 = 2 • TA . (1 + cos^<p⁾ . f'

Druhé fázově posunuté interferenční pole, které vzniká interferencí dalších dvou dílčích svazků Adic» se může vyjád^t ve tvaru:

О

_1_ kde Ср Sj ... cos©, resp. sin©, kde© je azimut lineární zpožďovací destičky ££^

... fázové zpoždění lineární zpožďovací destičky

R_±, R_B ... odrazivost něpolarizující dělicí desky Л v rovině kolmé,resp. rovnoběžné < s rovinou dopadu

Jestliže se zanedbá vliv malého fázového posuvu * 0) a dále předpokládá pro azimut zpožďovací destičky 32: = dostane se:

•/R^(-1+e^).i.sin

Pro intenzitu, které odpovídá druhý signál na fotoelektrickém detektoru ££ fázově posunutý např. o požadovaný fázový posuv 90° vůči prvnímu signálu za předpokladu:

R_x cos

dostane se:

Ri

(1 - sin<p)

Srovnáním s výrazem pro I

je vidět, že se obdrží jako výsledek interference dvou fázově posunutých interferenčních polí dva signály s požadovaným fázovým posuvem pro laserový interferometr a s plným kontrastem, ^max ^min

C = ------------------ « 1 ^Imax * ^Jmin

Příklad provedení používající způsobu vytváření interferenčních polí s fázovým posuvem 90° v laserovém interferometru je na výkrese.

Celý laserový interferometr sestává ze zdroje světla 1, vlastního interferometru £ a detekční jednotky J.

Zdroj světla je tvořen jednofrekvenčním laserem 1, ze kterého vystupuje svazek paprsků βθ lineárně polarizovaný v kmitové rovině yz, uvážujeme-li pravoúhlý souřadný systém x, y, z, kde osa z je osou šíření světla svazku. Ve vlastním interferometru prochází svazek světla nejprve půlvinnou zpožďovací destičkou £0, která natáčí rovinu kmitů pro získání vhodných intenzit na výstupu z vlastního interferometru £, a pak dopadá na polarizující interferenční dělič £1, kde dochází к rozdělení svazku paprsků na odražený svazek £, který dopadá na první zpětný odražeČ ££ a znovu přichází na polarizující dělič 21. a na propuštěný svazek д, který dopadá na druhý zpětný odražeč 23 a vrací se rovněž na polarizující dělič 22. odkud vycMzeJí oba svazky, odražený i propuštěný tj· referenční i měřicí sjednoceny. Při poiUHtí ideálních optických elementů ve vlastním interferometru 2 nedochází ke změně formy polarizace jednotlivých svazků a výstupní svazky fy fyvycházejí z vlastního interferometru ortogonálně lineárně polarizovány. Sjednocený svazek fyfy z vlastního interferometru přichází do detekční jednotky J.

Na vstupu může být zařazen rotátor nebo piŮLvlnná zpožďovací destička 31. která natočí rovinu kmitů sjednoceného svazku af . o 45°; jinak by bylo nutno natočit celou detekční jednotku . 2 vůči vlastnímu interferometru o 45°. Pak dopadá sjednocený svazek figfg n* ^ne“ dělicí desku 21 > která odráží část sjednoceného svazku a tento první odražený svazek ajy - prochází první lineární - zpožďovací destičkou 32 a jako svazek £4^4 - fázově posunutý o 90° vůči prvnímu propuštěnému sjednocenému svazku £^3 dopadá na otočný první polarizující dělič 22, kde se první odražený sjednocený svazek dělí na část odraženou, která může být využita pro získání - signálu, fázově posunutého o 180° a na část propuštěnou £5^5, která dopadá na první fotoelektrický detektor 34 a vytváří první ze dvou - el. signálů.

První propuštěný sjednocený svazek 03X3 za nepoOLar.zující dělicí deskou 31 může procházet druhou lineární zpožďovací destičkou 22, kterou se dostaví žádaný fázový posuv např. 90° mezi svazky fyfy a fy^, a jako svazek £4^4 dopadá na druhý polarizuuící dělič 22, kde se dělí na - druhý odražený sjednocený svazek Jyfy, který přichází na druhý fotoelektrický dětektor 37 a vytváří tak druhý el. signál fázově posunutý v kvadratuře vůči prvnímu el. signálu. Druhý propuštěný sjednocený svazek fyfy, který prochází - polarizačním fitrem, v - němž se odfiltruje jeho část fy, takže pouze část fy dopadá na třetí ^^elektrický detektor - 22, se využívá - ke - konUrole přeruSení svazku.

Způsob vytváření dvou- nebo více interferenčních polí s fázovým posuvem využívá ke svému vzniku vlastností dvojlomných prostředí, která mají různou fázovou rychlost v různých osách. Princip tohoto způsobu spočívá v tom, že interferující svazky, obvykle referenční a měěicí, z vlastního interferometru, které jsou ortogonálně lineárně polarizovány, se nejdříve rozddlí na dva nebo více svazků. V jednom nebo v obou rozdělených svazcích se potom např. měěicí svazek fázově posune vůči druhému svazku, čímž vzniknou fázově posunutá interferenční pole. Všechny rozdělené - svazky se potom přivedou k interferenci. K fázovému posuvu je možné vyuuít dvojlomných vlastností krystalů, ev. dalších fyzikálních jevů. K interferenci je možné svazky přivést např. pornocí polarizujících děličů.

Princip funkce laserového inlerfiromelru podle uvedeného způsobu spočívá v tom, že fázový posuv se získá lineárními zpožďovacími - destičkami, vložeiými - do rozdělených svazků.

Ze zdroje 1 vychází lineárně polarizovaný svazek světla a_Q s rovinou kmitů v rovině yz nebo xz. Působením půlvinné zpožďovací destičky 20 a polarizujícího - interferenčního děliče 21 dojde ve vlastním interferometru 2 k rozdělení svazků světla na referenční f a měřicí a svazek světla, které jsou navzájem ortogonálně lineárně polarizovány. Pomocí zpětných odražečů 22, 23 jsou oba svazky odráženy zpět a pomo.cí polarizujícího děliče 21 opět sjednocovány, takže - - vycházejí - z vlastního interferometru - jako sjednocený výstupní svazek a^, v němž referenční svazek fy a mšěicí svazek a, jsou opět ortogonálně lineárně polarizovány. .

Tyto svazky vstupují do detekční jednotky 2> kde se získávají fázově - posunuté interferenční pole a fázově posunuté signály z interferometru, v daném případě fázově posunuté o 90°. Na vstupu detekční jednotky 2 je v daném uspořádání rotátor -nebo piHvlnná zpožďovací destička 2°» která natáčí roviny kmitů obou sjednocených svazků £yjy tak, že - dopadej na nepoOaaizující dělicí desku 31 pod úhlem +45° vůči souřadiým osám xz. NepoolariUjící dělicí deska 31 rozdělí sjednocený svazek ^^2 ^na ·^dva svazky £3^3 a £^3·

Do jednoho nebo do obou rozdělených svazků je vložena lineární zpožďovací destička

32. ev. 31 s azimutem Θ = 45°. Její fázové zpoždění 8^ je pro fázový posuv dělicí desky.Д1

8д = 0 dáno výrazem

kde Ri ... odrazivost dělicí desky v rovině kolmé k rovině dopadu

Ru ... odrazivost dělicí desky v rovině rovnoběžné s rovinou dopadu

Tím se získávají dvě fázově posunutá interferenční pole svazků £4^4 a £4^4 · Pomocí polarizujících děličů 33 a 36 j; - - oba tyto svazky, první odražený sjednocený svazek ££4 i první propuštěný sjednocený svazek £4^4, přivedeny k interferenci. Fázově posunuté signály, v daném případě o 90°, posýtují dva fotoelektrické detektory — a 2Z·

Způsob získání interferenčních signálů umožňuje řadu variant. Např. fázový posuv může být realizován ' pomocí dvou zpožďovacích členů 32. 25· Rotátor nebo půlvlnnou ' zpožďovací destičku 30 na vstupu detekční jednotky 2 je možné vynechat a místo toho pouužt otočení prvního pooarizujícího děliče 33 a půlvlnné- zpožďovací destičky místo druhé lineární zpožďovací destičky -35. Msto druhého polarizujícího děliče 36 může být pouužt libovolný polarizátor.

Claims (3)

1. Způsob vytváření interferenčních polí svazků světla s libovolným fázovým posuvem v laseoovém interferometru, k získání informace o poloze a s^ylu vzájemného pohybu interferujících polí mezi sebou, vyznačený tím, že k interferenci jsou přiváděny jednak dva dílčí svazky světla ortogonálně lineárně polarizované, které vytvářejí první interferenční pole, a jednak nejméně další dva dílčí svazky světla ortogonálně lineárně polarizované, které jsou vůči sobě fázově posunuty o požadovaný fázový posuv např. 90° a tyto svazky vytvářejí druhé interferenční pole.

2. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1 tvořené laserem, vlastním interfeoometrem a detekční jednotkou, vyznačené tím, že detekční jednotka (3) je opatřena buď v ose prvního sjednoceného odraženého svazku ^b-) nebo procházejícího svazku (c4d4), anebo v obou rozdělených svazcích ^bj, Oyd4) zpožďovacím elementem, např. lineární zpožďovací destičkou (32, 35).

3. Zřízení podle bodu 2 vyznačený tím, že detekční jednotka (3) je tvořena nepooarizující - dělicí deskou (31), za kterou v ose prvního odraženého sjednoceného svazku ^b4) za první lineární zpožďovací destičkou (32) je první pooarizuuící dělič (33) a první fotoelektrický detektor (34) a. v ose prvního propuštěného sjednoceného svazku (cjdj) je umístěn za druhou lineární zpožďovací destičkou (35) druhý polarizuji ící dělič (36) a v ose druhého odraženého sjednoceného svazku ^d4) druhý fotoelektrický detektor (37).