CZ302520B6 - Interferometrický systém s kompenzací zmen indexu lomu prostredí - Google Patents

Abstract

Interferometrický systém s kompenzací zmen indexu lomu prostredí je tvoren svetelným zdrojem (2) a dvema interferometry (1a, 1b) s detektory (6). Mezi obema interferometry (1a, 1b), jejichž vzdálenost je fixní, je oboustranný pohyblivý odražec (5) a pred prvním interferometrem (1a) je delic (7) svazku pro prevod cásti svazku do druhého interferometru (1b). Detektory (6) prvního i druhého interferometru (1a, 1b) jsou napojeny na regulátor (4), který je spojen se svetelným zdrojem (2).

Description

Oblast techniky

Řešení je určeno k měření vzdálenosti v prostředí atmosféry s velkou přesností. Je vylepšením laserové interferometrie geometrických veličin.

io Dosavadní stav techniky

Metrologie délek je odvozena od vysoce přesného a stabilního etalonu optické frekvence; vlastní odměřování vzdáleností je čítáním elementárních délkových úseků daných vlnovou délkou zdroje světelného záření. Vlnová délka zdroje - laseru - je odvozena od jeho frekvence prostřednictvím is rychlosti šíření světla. Tuto rychlost lze považovat za známou a velmi přesnou ve vakuu, v jakémkoli jiném prostředí je ovlivněna hodnotou indexu lomu. V plynném a kapalném prostředí je navíc ovlivněna prouděním a gradienty hlavních fyzikálních parametrů. Nejobvyklejší prostředí vzduch prostřednictvím indexu lomu a jeho fluktuací ovlivňuje přesnost měření zcela zásadně, a to mnohem významněji, než na jaké úrovni se pohybují limity dané nejistotou základních etalonu nů.

Relativní nejistota interferometrického měření je primárně dána stabilitou (přesností) laserového zdroje. V případě měření na bázi jednoduchého čítání interferenčních maxim (proužků) se tato malá nejistota uplatní jen při měření velkých vzdáleností, kdy je čítači kvantízační chyba zaned25 batelná. Rozlišení v rozsahu malých vzdáleností je problémem vlnové délky světelného zdroje. Techniky pokročilého digitálního zpracování signálu umožňují rozlišit a interpolovat velmi malé zlomky interferenčního proužku. Zde je limit technický, daný šumem laseru, dynamikou analogově-digitálního převodu a šířky pásma. Moderní systémy dosahují rozlišení až na úrovni desítek pikometrů, hodnot nedosažitelných žádnou jinou optickou metodou.

Hodnota indexu lomu prostředí (vzduchu) je tedy vždy tím největším omezením. Řešení tohoto problému dalo vzniknout celému oboru metrologie - refraktometrii. V případě komerčních interferometrických systémů je tradičním způsobem stanovení vlivu indexu lomu vzduchu tzv. Edlénova formule. Jedná se o empirický vztah určující hodnotu indexu lomu ze základních fyzikál35 nich parametrů atmosféry - z teploty, tlaku, vlhkosti a případně i obsahu oxidu uhličitého. Limity určení indexu lomu prostřednictvím Edlénovy formule se pohybují na úrovni IO”⁶, v laboratorních podmínkách až k 10”⁷. Omezení jsou dána především prouděním vzduchu a teplotními gradienty současně s praktickou nemožností měřit vlastnosti atmosféry přesně v ose měřicího svazku.

Potýkání se s problémem indexu lomu vzduchu je již léta metrologickým evergreenem. V laboratořích metrologie geometrických veličin je interferometrícký refraktometr nepostradatelnou pomůckou. Umožňuje měřit hodnotu indexu lomu přímo a je nezbytný pro kalibrace celkové přesnosti průmyslových interferometrických systémů. Základní konfigurací interferometrického refraktometru je diferenční interferometr velkým rozlišením a s měřením rozdílu mezi vzdušnou a vakuovou dráhou uvnitř a podél evakuovatelné kyvety známé délky. Postupně se objevila rada konstrukcí refraktometrů, přičemž cílem bylo nalézt řešení kompaktní a přesné, kdy by hodnota indexu lomu byla k dispozici nepřetržitě, nebo alespoň častěji, než umožňuje periodické čerpání kyvety. Navrhované systémy pracovaly s posuvnou trojúhelníkovou kyvetou, délkově proměn50 nou kyvetou, aj.

Přestože úroveň nejistoty měření dosažitelná refraktometrem dosahuje až IO^-8, problém fluktuaci indexu lomu vzduchu způsobený prouděním a teplotními gradienty je stále přítomen. Refraktometr může opět být pouze v blízkosti měřené dráhy. Použití refraktometrické kompenzace indexu

- I CZ 302520 Β6 lomu vzduchuje tedy odkázáno opět na laboratorní podmínky, kde lze zabezpečit teplotní stabilizaci a omezené proudění.

Snaha spojit interferometr pro měření vzdáleností a refraktometr do jednoho měřicího systému, který by vyhodnocoval hodnotu indexu lomu a s ní kompenzoval vlastní měření délky není nová. Objevily se sestavy s dvěma oddělenými interferometry měřícími index lomu a délku. Kompenzace vlivu indexu lomu je takto možná, ale není tím řešen problém určení hodnoty indexu lomu v ose měřicího svazku. Pozoruhodný přístup představuje využití vlivu disperze, kde měření na dvou různých vlnových délkách generovaných Nd:YAG laserem se zdvojnásobením frekvence umožňuje stanovit hodnotu indexu lomu na základě rozdílu hodnot odměřené délky na těchto dvou vlnových délkách. Systém měření na dvou různých vlnových délkách je schopen pouze zlepšit šumové podmínky způsobené turbulencemi vzduchu v dráze měření bez přímé kompenzace. Zlepšení v potlačení vlivu fluktuací indexu lomu vzduchu je také možné dvoufrekvenčním laserem s generací druhé harmonické a s řízením fáze v heterodynním detekčním systému. Jiná metoda navrhuje vazbu vlnové délky laseru na mechanickou délku rámu, nebo základové desky. Jedná se o sestavu dvou interferometrů, z nichž jeden měří pevnou a neměnnou délku a slouží jako reference pro vlnovou délku laseru. Princip laserové stabilizace a délkové metrologie je zde obrácený, etalonem zde není optická frekvence laserového zdroje kteráje prostřednictvím rychlosti šíření světla a známé hodnotě indexu lomu převedena ve vlnovou délku, ale vlnová délka je fixována na mechanickou, čímž jsou fluktuace indexu lomu vzduchu potlačeny. To ovšem vyžaduje široce a plynule laditelný laser. Není také možné takto vyřešit problém mimoběžných os měření kompenzačního a měřicího interferometru. Tento přehled nepokrývá všechna prezentovaná řešení, ale představuje nástin různých koncepcí a přístupů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky známých řešení odstraňuje zařízení podle tohoto vynálezu, jehož podstatou je použití dvou interferometrů odměřujících tutéž vzdálenost. Jejich funkce není odlišena na měřicí a kompenzační a oba interferometry odměřují vzdálenost protiběžně v téže ose. Sloučení funkcí interferometrů pro měření i kompenzaci umožňuje vyřešit zásadní problém - kompenzaci vlivu fluktuací indexu lomu v ose vlastního měření vzdálenosti. Jádrem řešení je uspořádání se dvěma interferometry odměřující tutéž vzdálenost diferenčně ze dvou směrů a se světelným zdrojem (laserem), kde vlnová délka jeho světlaje stabilizována na součet hodnot z výstupů obou interferometrů. Tento součet je konstantní při pohybu společného oboustranného odražeče obou interferometrů za předpokladu konstantní hodnoty indexu lomu vzduchu. V případě fluktuací indexu lomu se s nimi mění. Vazba vlnové délky laserového zdroje na celkovou délku rozsahu měření eliminuje vliv fluktuací indexu lomu a zajistí konstantní vlnovou délku v ose měření.

Interferometrický systém s kompenzací změn indexu lomu prostředí sestává ze zdroje záření a dvou protíběžných interferometrů s fixní vzdáleností, jejichž děliče svazku jsou nastaveny tak, aby osy měřicích ramen obou interferonů byly identické. Vzdálenost obou děličů tak vymezuje rozsah měření, v němž se může pohybovat společný oboustranný odražeč. Před prvním interferometrem je dělič svazku pro převod části svazku do druhého interferometru. Detektory prvního i druhého interferometru jsou napojeny na regulátor, který je spojen se zdrojem záření. Výstupní údaje obou interferometrů jsou zpracovány a vyhodnocen součet obou hodnot. Tento součet slouží jako veličina pro stabilizaci optického kmitočtu laseru.

Zmíněný odražeč může být vytvořen jako oboustranné rovinné zrcadlo nebojím mohou být dva koutové odražeče otočené svými vrcholy k sobě. Uspořádání interferometru s koutovými odrážecí je výhodné především proto, že není náchylné na úhlové odchylky odražeče při posuvu podél odměřované trasy. Jako dělič svazku lze použít polopropustné zrcadlo nejlépe s dělicím poměrem 1:1 a bez závislosti na polarizaci procházejícího světla nebo dělicí hranol. Tato varianta předpokládá celkové uspořádání ve volné optice, zrcadla jsou zrcadla s velkou odrazivostí. Další varianta představuje systém, kdy rozvod světelného záření do obou interferometrů je realizován pro- 7 CZ 302520 B6 střednictvím optovlákenných komponentů a dělič svazku je tím pádem tvořen optovlákenným děličem. Takovýto optovláknový dělič je potom s druhým interferometrem spojen optickým vláknem. Další varianta představuje systém, stejný, jako v předchozím případě, kdy celý rozvod světla je plně optovláknový počínaje laserem vyvázaným do vlákna, na vlákně umístěným opto5 vláknovým děličem a na něj navazujícími vlákny přivádějícími světelné záření do obou interferometrů, zakončenými vláknovými kolimátory. Další varianta představuje systém, kdy je kombinována volná a optovláknová optika, rozvod světelného záření je částečný volný z laseru po dělič svazku a vyvázání do vláken následuje až po děliči, dále je rozvod řešen, jako v předchozích příkladech s kolimátory na koncích vláken. Další varianta představuje systém, který může i o být kombinován se všemi předchozími principy, přičemž základní rozlišení interferometrů je zvýšeno víceprůchodovým uspořádáním.

Přehled obrázku na výkrese

Základní varianta navrhovaného řešení je znázorněna na obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Interferometr la, lb pro měření vzdáleností je Michelsonův interferometr a v sestavě jsou použity dva a jsou uspořádány protisměrně. Dělič 7 svazku a referenční ramena interferometrů la, lb jsou umístěny na základové desce (rámu) z materiálu s co nejmenší teplotní roztažností. Pohyblivý oboustranný odražeč 5 je společný oběma interferometrům la, lb. Oba interferometry la, lb jsou napájeny zjednoho světelného zdroje 2, kterým je plynule přeladitelný laser s rozsahem přeladění tak velkým, aby pokryl změny vlnové délky odpovídající změnám indexu lomu vzduchu v rozmezí předpokládaných pracovních podmínek. Optický svazek je rozdělen děličem 2 a jeho část je pomocí zrcadel 3 převedena do druhého interferometru [6. Výstupy z detektorů 6 interferometrického signálu udávající odměřenou vzdálenost jsou nepřetržitě během měření (pohybu) i v době klidu sčítány a v regulátoru 4 je optická frekvence laseru řízena tak, aby hodnota tohoto součtu byla stále konstantní. Tím je zajištěno nepřetržité řízení vlnové délky v celé měřené ose a v ose měřicího svazku s ohledem na mechanickou délkou sestavy a vliv změn indexu lomu prostředí je trvale regulátorem eliminován.

Průmyslová využitelnost

Využití nalezne systém všude, kde velmi záleží na přesnosti interferometrického inkrementálního měření vzdálenosti a kde není možno umístit měřicí sestavy ve vakuu.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. interferometrický systém s kompenzací změn indexu lomu prostředí sestávající ze světelného zdroje a dvou interferometrů sdetektory, vyznačující se tím, že mezi oběma interferometry (la, lb), jejichž vzdálenost je fixní, je oboustranný pohyblivý odražeč (5) a před

   50 prvním interferometrem (la) je dělič (7) svazku pro převod části svazku do druhého interferometru (lb), přičemž detektory (6) prvního i druhého interferometru (la, lb) jsou napojeny na regulátor (4), který je spojen se zdrojem (2) záření.
2. 2. Interferometrický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že oboustranný

   55 pohyblivý odražeč (5) je oboustranné zrcadlo.

   -3CZ 302520 B6
3. 3. Interferometrický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že oboustranný pohyblivý odražeč (5) je koutový odražeč.
4. 4. Interferometrický systém podle nároku 2 nebo 3, vyznačující svazkuje polopropustné zrcadlo.

   se tím, že dělič (7)
5. 5. Interferometrický systém podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se svazkuje dělicí hranol.
6. 6. Interferometrický systém podle nároku 2 nebo 3, vyznačující svazkuje optovláknový dělič.

   tím, že dělič (7) se tím, že dělič (7)
7. 7. Interferometrický systém podle nároku 6, vyznačující se tím, že optovláknový dělič je s druhým interferometrem (1 b) spojen optickým vláknem.
8. 8. Interferometrický systém podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že na dělič (7) svazku navazuje soustava zrcadel (3).
9. 9. Interferometrický systém podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že na dělič (7) svazku navazuje vláknový kolimátor spojený s druhým interferometrem (lb) optickým vláknem.