FR2569269A1 - Laser with incorporated interferometer for continuous metrology or reading of lengths, speeds, angles and refractive indices - Google Patents

Laser with incorporated interferometer for continuous metrology or reading of lengths, speeds, angles and refractive indices Download PDF

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Abstract

The object of the present invention is to place in the same apparatus the laser emitter and the interferometer, with a reduced number of optical devices, and to be able to determine, in addition to the difference between two optical paths, the sense of the variation of this difference using very simple arrangements. An improvement of the invention is also provided for continuous measurement of the refractive index and opacity of glassy fluids with an automatic resetting system in the case of drift of the apparatus.

Description

La présente intervention concerne la métrologie à partir d'ondes lumineuses. Le principe de base de la métrologie à partir de rayons lumineux est de comparer les variations relatives de longueur de deux chemins optiques parcourus par deux ondes lumineuses émises par une meme source, un des deux étant le chemin de référence, immuable en longueur et en indice de réfraction. On fait interférer les deux rayonnements en un point donné, et l'on observe l'intensité lumineuse à cet endroit. Si le chemin mesuré n'a pas varié en longueur, ni en indice de réfraction, la composition des deux rayonnements qui sont de même fréquence, crée au point choisi une onde stationnaire dont on mesure l'intensité lumineuse.Chaque fois que le chemin optique mesuré augmente de ltéquivalent d'une longueur d'onde (par modification de longueur ou d'indice de réfraction) on voit l'intensité lumineuse du point d'interférence se modifier d'une sinusoïde complète, en passant donc par un maximum et un minimum. Il suffit alors de compter les franges qui défilent ainsi pour connaître les variations de longueur ou d'indice de réfaction du chemin optique mesuré en comparaison du chemin optique de référence. The present intervention concerns metrology from light waves. The basic principle of metrology from light rays is to compare the relative variations in length of two optical paths traversed by two light waves emitted by the same source, one of the two being the reference path, immutable in length and in index of refraction. The two radiations are made to interfere at a given point, and the light intensity is observed there. If the path measured has not varied in length or in refractive index, the composition of the two radiations which are of the same frequency, creates at the chosen point a standing wave whose light intensity is measured. measured increases by the equivalent of a wavelength (by modification of length or refractive index) we see the light intensity of the interference point change by a full sinusoid, thus passing through a maximum and a minimum. It is then sufficient to count the fringes which pass thus in order to know the variations in length or in refractive index of the optical path measured in comparison with the reference optical path.

Ce principe a été mis depuis longtemps en application par FRESNEL,
YOUNG, MICHELSON etc ..., en utilisant des dispositifs expérimentaux plus ou moins compliqués ou il y avait, d'une part une ou des sources lumineuses, et d'autre part un ensemble de pièces optiques formant interféromètre. Des améliorations à ces dispositifs ont été également apportées en juxtaposant deux interféromètres dont l'un d'entre eux produisait une onde stationnaire en avance ou en retard d'un quart de période sur l'autre, ce qui permettait de savoir, en comparaison du signal émis par l'autre interféromètre, dans quel sens tétait produite la modification de longueur de chemin optique ou d'indice de réfraction. (Selon que le maximum de luminosité sur le deuxième interféromètre était atteint immédiatement avant ou après celui du ler interféromètre).This principle has long been implemented by FRESNEL,
YOUNG, MICHELSON etc ..., using more or less complicated experimental devices where there was, on the one hand one or more light sources, and on the other hand a set of optical parts forming an interferometer. Improvements to these devices have also been made by juxtaposing two interferometers, one of which produced a standing wave ahead or behind by a quarter period over the other, which made it possible to know, in comparison with the signal from the other interferometer, in which direction the change in optical path length or refractive index was produced. (Depending on whether the maximum brightness on the second interferometer was reached immediately before or after that of the first interferometer).

Une logique electronique mettait en forme les signaux ainsi émis par des photodiodes et un compteur électronique additionnait ou soustrayait le nombre de franges qui avait défilé devant elles.  An electronic logic shaped the signals thus emitted by photodiodes and an electronic counter added or subtracted the number of fringes which had paraded before them.

La présente invention propose d'installer dans un seul bottier rigide à la fois la source lumineuse (un émetteur laser) et l'interféromètre, et de faire en -sorte par un artifice de construction,- que ledit interféromètre puisse émettre également le deuxième signal décalé d'un quart de période par rapport au premier, ce qui rend particulièrement simple et économique la construction de l'appareil. The present invention proposes to install in a single rigid case both the light source (a laser emitter) and the interferometer, and to make a -sort by a construction device, - that said interferometer can also emit the second signal shifted by a quarter of a period compared to the first, which makes the construction of the device particularly simple and economical.

Comme de tels dispositifs ne mesurent que des variations de longueur de chemin optique ou d'indice de réfraction, selon une disposition annexe de l'invention, il est également décrit un système de lecture en continu des indices de réfraction des fluides avec système automatique de remise à zéro de l'appareil, sur un étalon connu. As such devices only measure variations in optical path length or refractive index, according to an annexed arrangement of the invention, there is also described a system for continuously reading the refractive indices of fluids with automatic system of reset the device to a known standard.

L'invention sera plus précisément décrite en s'aidant des deux planchefs, la planche 1/2 décrivant le fonctionnement optique de l'appareil et son utilisation en mesure de longueurs, la planche 2/2 montrant son utilisation pour la mesure des indices de réfraction des liquides et des gaz. The invention will be more precisely described with the aid of the two boards, board 1/2 describing the optical operation of the apparatus and its use in measuring lengths, board 2/2 showing its use for measuring the indices of refraction of liquids and gases.

On voit sur la planche I, figure 1, l'ensemble laser interféromètre, objet de la présente invention. We see on plate I, FIG. 1, the laser interferometer assembly, object of the present invention.

Le bottier 1, qui peut etre de forme prismatique, cylindrique ou tout autre contient à une extrémité l'émetteur laser, repère 2, fixé par au moins 6 vis permettant l'alignement du faisceau. Le laser choisi sera du type monomode, ou, si ce n'est pas le cas, un dispositif polariseur éliminera le mode superflu.La longueur d'onde émise sera aussi stable que possible, et l'on installera éventuellement les dispositifs de stabilisation de la longueur d'onde, en prévoyant un capteur de fréquence qui delivrera un signal en cas d'écart trop important avec la consigne, et agira sur la longueur séparant les deux miroirs d'extrémité du laser, en chauffant par exemple le corps du tube ou, autre exemple non limitatif, en installant un des deux miroirs d'extrémité sur un corps dont la dimension change sous l'effet d'une tension électrique (quartz piézoelectrique par exemple).  The case 1, which can be prismatic, cylindrical or any other form, contains at one end the laser transmitter, reference 2, fixed by at least 6 screws allowing the alignment of the beam. The laser chosen will be of the single-mode type, or, if this is not the case, a polarizing device will eliminate the superfluous mode. The emitted wavelength will be as stable as possible, and the stabilization devices will be installed if necessary. the wavelength, by providing a frequency sensor which will deliver a signal in the event of too large a deviation from the setpoint, and will act on the length separating the two end mirrors of the laser, by heating for example the body of the tube or, another nonlimiting example, by installing one of the two end mirrors on a body whose size changes under the effect of an electric voltage (piezoelectric quartz for example).

Dans une disposition présentée sur la figure 1, le faisceau est ensuite élargi par deux lentilles, repère 3, qui peuvent être toutes deux convergentes, ou divergente pour la première et convergente pour la seconde. In an arrangement presented in FIG. 1, the beam is then widened by two lenses, reference 3, which can both be convergent, or divergent for the first and convergent for the second.

L'élargissement du faisceau rend le système plus tolérant aux défauts d'alignement, et l'on est mieux assuré d'obtenir une interférence au bout des deux chemins optiques, sans pour autant que cette disposition soit indispensable.The widening of the beam makes the system more tolerant of misalignments, and one is better assured of obtaining interference at the end of the two optical paths, without this arrangement being essential.

A l'autre extrémité du boîtier, un logement de forme prismatique reçoit l'interféromètre dont les pièces optiques Sont, selon l'invention, simplement accolées les uns aux autres dans le logement prévu à cet effet, sans aucune vis de réglage ou de fixation. At the other end of the housing, a prismatic housing receives the interferometer, the optical parts of which, according to the invention, are simply joined to one another in the housing provided for this purpose, without any adjusting or fixing screws. .

La figure 2 de la planche I montre le détail des chemins optiques suivis par les faisceaux. Le cube séparateur est formé de deux demi-cubes 5 et 5" assemblés par leur face diagonale sur une lame séparatrice 5', d'une épaisseur telle qu'elle produit un décalage d'environ un huitième de période sur la lumière du rayonnement choisi. Ce prisme séparateur ainsi constitue permet, selon l'invention, de réaliser deux points d'interférences, repère e et j, dont l'intensité lumineuse est lue respectivement par les photodiodes repères 7 et 6. Figure 2 of Plate I shows the detail of the optical paths followed by the beams. The separator cube is formed by two half-cubes 5 and 5 "assembled by their diagonal face on a separating blade 5 ', of a thickness such that it produces an offset of approximately one eighth of a period on the light of the chosen radiation. According to the invention, this separating prism thus makes it possible to produce two interference points, mark e and j, the light intensity of which is read respectively by the photodiodes mark 7 and 6.

La photodiode 7 observe une interférence entre les rayons suivants d'une part ab + bc + cd + de, et d'autre part af + fg + gh + hi + ij + je, en considérant que af et je correspondent à la traversée de la lame repere 5'1 d'épaisseur E. Photodiode 7 observes an interference between the following rays on the one hand ab + bc + cd + de, and on the other hand af + fg + gh + hi + ij + je, considering that af and I correspond to the crossing of the blade identifies 5'1 of thickness E.

La photodiode 6 observe une interférence entre les rayons suivants d'une part ab + bc + cd + de + Ae, et d'autre part af + fg + gh + hi + it, en considérant que af et ej correspondent a la traversee de la lame repere 5',-d'épaisseur E. Photodiode 6 observes an interference between the following rays on the one hand ab + bc + cd + of + Ae, and on the other hand af + fg + gh + hi + it, considering that af and ej correspond to the crossing of the blade marks 5 ', - of thickness E.

On voit que pour la photodiode 6, les deux traversées de la lame 5' (ej et af) s'annulent lorsque l'on fait le bilan de la différence des chemins optiques, alors que pour la photodiode 7, ces deux traversées (af et je) s'ajoutent a la différence de marche entre les deux chemins optiques.  We see that for photodiode 6, the two crossings of the blade 5 '(ej and af) cancel each other when we take stock of the difference in optical paths, while for photodiode 7, these two crossings (af and i) add to the path difference between the two optical paths.

On aura donc créé, en face de la photodiode 7 une onde stationnaire en retard de y + K 5 # par rapport à l'onde stationnaire situee
4 4 2 en face de la photodiode 6, ce qui aura l'avantage de savoir quand le chemin optique fg > gh,-hi, ij variera (par déplacement du prisme de renvoi 8, ou variation de l'indice de réfraction du milieu traversé par les rayons fg et ij) de combien ce chemin optique a varié, en terme de nombre de longueur d'onde dans le milieu considéré.We will therefore have created, in front of photodiode 7 a standing wave late by y + K 5 # with respect to the standing standing wave
4 4 2 opposite photodiode 6, which will have the advantage of knowing when the optical path fg> gh, -hi, ij will vary (by displacement of the reference prism 8, or variation of the refractive index of the medium crossed by the rays fg and ij) by how much this optical path has varied, in terms of number of wavelengths in the medium considered.

Les repères 4 et 8 sont des prismes de renvoi, constitués de coins de cube, renvoyant la lumière dans la direction opposée et, parrallèlement a ellememe.  The marks 4 and 8 are return prisms, consisting of cube corners, returning the light in the opposite direction and, parallel to itself.

Si le prisme de renvoi 8 se déplace de 1/2 longueur d'onde, les diodes observent une sinusoTde complète, et l'on peut ainsi connattre, avec une grande précision, la variation de longueur de chemin optique (soit la longueur réelle multipliée par l'indice de réfraction). If the return prism 8 moves by 1/2 wavelength, the diodes observe a complete sine wave, and it is thus possible to know, with great precision, the variation in optical path length (i.e. the actual length multiplied by refractive index).

Dans une disposition annexe de l'invention, on voit, planche 2/2, figure 3, les rayons lumineux traverser un liquide contenu dans une canalisation 10. In an annexed arrangement of the invention, we see, plate 2/2, FIG. 3, the light rays passing through a liquid contained in a pipe 10.

Au passage des rayons, la canalisation est, selon l'invention, équipée de deux glaces parallèles. Si l'on commence par faire circuler une solution témoin dans la canalisation 10, et que l'on met alors le compteur de franges zéro, puis que l'on fait varier progressivement de O a X, la concentration de la solution à mesurer, par rapport à la solution témoin, on connattra la différence entre l'indice de réfraction de la solution à mesurer et celui de la solution témoin (étant donné que la longueur L du chemin géométrique est connue). When the spokes pass, the pipe is, according to the invention, equipped with two parallel windows. If we start by circulating a control solution in line 10, and we then put the counter of fringes zero, then we gradually vary from O to X, the concentration of the solution to be measured, compared to the control solution, we will know the difference between the refractive index of the solution to be measured and that of the control solution (given that the length L of the geometric path is known).

La manoeuvre pouvait être réalisée par un dispositif mangeur à trois voies, ou par tout autre dispositif permettant de mélanger deux liquides en faisant varier toutes les concentrations possibles de 1 1un des deux liquides dans l'autre.  The operation could be carried out by a three-way eater device, or by any other device making it possible to mix two liquids by varying all the possible concentrations of one of the two liquids in the other.

Selon un perfectionnement de l'invention, on peut éviter d'avoir recours à une solution témoin et effectuer la lecture directe de l'indice de réfraction. Un tel dispositif est montré Planche 2 - Figure 4. Le bloc laser-interféromètre repère 1 est monte sur un châssis 14. La solution à mesurer circule dans un cylinde 15, obturé à une extrémité par une glace fixe 16 et à l'autre extrémité par un piston mobile 17 sur lequel est monté le réflecteur 8, le tout étant attelé à la tige mobile d'un vérin pneumatique ou hydraulique repère 18, dont le corps est articule par une chape arrière 19 sur le châssis 14.Les faisceaux aller et retour du laser traversent longitudinalement le fluide contenu dans le cylindre 15, si bien que le trajet L accompli par le rayon lumineux à travers la solution à mesurer est différent selon que le vérin 18 à sa tige sortie (L') ou sur sa tige rentrée (L"). On compte, grâce à ce dispositif interférométrique décrit plus haut le nombre de franges entre les deux positions et, connaissant par contruction la différence de longueur entre L' et L", on en déduit l'indice de réfrac- tion du milieu observé sans avoir à se référer à une solution témoin. According to an improvement of the invention, it is possible to avoid resorting to a control solution and to carry out the direct reading of the refractive index. Such a device is shown Plate 2 - Figure 4. The laser-interferometer block reference 1 is mounted on a frame 14. The solution to be measured circulates in a cylinder 15, closed at one end by a fixed glass 16 and at the other end by a movable piston 17 on which the reflector 8 is mounted, the whole being coupled to the movable rod of a pneumatic or hydraulic jack reference 18, the body of which is articulated by a rear yoke 19 on the chassis 14.The beams go and return of the laser longitudinally pass through the fluid contained in the cylinder 15, so that the path L accomplished by the light ray through the solution to be measured is different depending on whether the jack 18 at its extended rod (L ') or on its retracted rod (L "). We count, thanks to this interferometric device described above, the number of fringes between the two positions and, knowing by contruction the difference in length between L 'and L", we deduce the refractive index of the environment observed without having to refer rer to a control solution.

Enfin, selon une deuxième disposition annexe, la présente invention propose d'utiliser les dispositifs optiques décrits ci-dessus pour connaître de façon continue l'opacite du milieu traversé par le faisceau. Cette mesure se fait de façon très simple en reportant sur le cadran d'un galvanomètre, ou au moyen de tout autre appareil de mesure, la valeur moyenne ou maximumde la tension électrique émise par l'une et/ou l'autre des deux photodiodes repères 6 et 7 fig. 1 ou 2. Finally, according to a second annexed arrangement, the present invention proposes to use the optical devices described above to continuously know the opacity of the medium through which the beam passes. This measurement is done very simply by plotting on the dial of a galvanometer, or by means of any other measuring device, the average or maximum value of the electric voltage emitted by one and / or the other of the two photodiodes. marks 6 and 7 fig. 1 or 2.

Cette information pourra servir à deux fins - dans le cas de métrologie de longueurs (et corrélativement de vitesse et
d'accélération ou d'angles), on saura si le signal est suffisant pour que
l'ensemble du dispositif reste fiable, et l'on pourra donc établir un dis
positif d'alarme en cas de signal insuffisant ou d'obstruction du fais
ceau, - dans le cas de la mesure des indices de réfraction des solides, liquides
ou gaz, outre la mise en place des dispositifs d'alarmes décrits ci
dessus, on connaîtra de façon continue une grandeur physique que l'on peut
appeler nébulosité ou opacité, et dont il est évident qu'elle est en
corrélation très fine avec la teneur des matières en suspension non
dissoutes du milieu vitreux observé. This information can be used for two purposes - in the case of length metrology (and correspondingly of speed and
acceleration or angles), we will know if the signal is sufficient for
the whole device remains reliable, and we can therefore establish a dis
positive alarm in case of insufficient signal or obstruction of the beam
ceau, - in the case of the measurement of refractive indices of solids, liquids
or gas, in addition to the installation of the alarm devices described above
above, we will continuously know a physical quantity that we can
call cloudiness or opacity, and it is obvious that it is in
very fine correlation with the content of suspended solids not
dissolved from the vitreous medium observed.

Claims (6)

R E V E N D I C A T I O N SR E V E N D I C A T I O N S 1/ Ensemble de mesure interférométrique constitué d'un émetteur laser1 / Interferometric measurement set consisting of a laser transmitter (Light Âmplifyied by Stimulated Emission of Radiation) repère 2, stabi (Light Âmplifyied by Stimulated Emission of Radiation) reference 2, stabi lisé de façon très précise en longueur d'onde de la radiation monochra read very precisely in wavelength of the monochra radiation tique remise, caractérisé par un bloc interféromètre constitué de 2 tick remitted, characterized by an interferometer block consisting of 2 demi-prismes 5 et 5", accolés par leur grande face sur une lame 5 and 5 "half prisms, joined by their large face on a blade séparatrice 5', dont ltépaisseur optique est égale ou multiple d'un separator 5 ', whose optical thickness is equal to or multiple of one huitième de longueur d'onde, et de deux prismes de renvoi repère 4 pour eighth wavelength, and two reference prisms, reference 4 for le chemin optique de référence et repère 8 pour le chemin optique à the optical path of reference and reference 8 for the optical path to mesurer de deux photodiodes 6 et 7 observant chacune une interférence measure of two photodiodes 6 and 7 each observing an interference lumineuse se produisant sur chacune des faces de la laie séparatrice light occurring on each side of the separating strip 5', l'ensemble ayant pour résultat que chaque fois que la longueur du 5 ', the result being that each time the length of the chemin optique séparant l'interféromètre du prisme de renvoi 8 varie, optical path separating the interferometer from the return prism 8 varies, deux signaux sinusoTdaux décalés de 1/4 de période, apparaissent en two sinusoidal signals shifted by 1/4 of period, appear in face des deux photodiodes, lesquelles observent chacune une face de la face of the two photodiodes, which each observe one face of the lame séparatrice. separating blade. 2/ Dispositif tel que décrit en revendication 1/ caractérisé par un2 / Device as described in claim 1 / characterized by a montage dans un même bottier (repère 1) du laser 2 et du bloc interferomètrique.  laser 2 and interferometer block mounted in the same case (item 1). 3/ Dispositif tel que décrit en revendication 1/, et caractérisé par le3 / Device as described in claim 1 /, and characterized by the fait que les pièces optiques 5, 5', 59 et 4 simplement accolées ou causes the optical parts 5, 5 ', 59 and 4 to be simply joined or collées dans un logement creusé à cet effet dans le bottier 1, sans glued in a housing hollowed out for this purpose in the case 1, without aucune vis de reglage et de fixation. no adjustment and fixing screws. 4/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2 ou 3, utilise pour mesurer4 / Device according to claims 1 or 2 or 3, used to measure l'indice de réfraction d'un liquide circulant entre les deux glaces the refractive index of a liquid circulating between the two windows parallèles 11 et 11' et caractérisé par le fait que le bottier 1 conte 11 and 11 'parallel and characterized by the fact that the shoemaker 1 tells nant le laser et les pièces interferometriques et le prisme de renvoi 8 the laser and the interferometric parts and the return prism 8 qui sont montés de façon fixe sur un bâti fixe repère 13, et que la which are fixedly mounted on a fixed frame, reference 13, and that the mesure de l'indice de réfraction se réalise en faisant circuler entre refractive index is measured by circulating between les glaces 11 et 11' d'abord une solution temoin, puis la solution à ice creams 11 and 11 'first a control solution, then the solution to mesurer, en composant progressivement toutes les concentrations possi measure, gradually composing all possible concentrations bles de O à 100 Z de la solution à mesurer dans la solution témoin.  from 0 to 100% of the solution to be measured in the control solution. 5/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2 ou 3, utilisé pour mesurer 5 / Device according to claims 1 or 2 or 3, used to measure l'indice de réfraction d'un fluide, caracterise par le fait que les the refractive index of a fluid, characterized by the fact that faisceaux aller et retour du laser interféromètre revendiqué ci-dessus,  back and forth beams of the laser interferometer claimed above, traversent longitudinalement un cylindre dont le fond fixe 16 est cons-  longitudinally pass through a cylinder, the fixed bottom 16 of which is titué de matériaux transparents, et que, en de plaçant le piston 17 made of transparent materials, and that by placing the piston 17 entre deux positions connues, on fait varier de façon connue la between two known positions, the temperature is varied in a known manner longueur du chemin gEométrique, en comptant le nombre de franges ou length of the geometric path, counting the number of fringes or d'ondes dans les dispositifs interferometriques revendiques plus haut, waves in the interferometric devices claimed above, on en déduit la variation de longueur de chemin optique et ensuite we deduce the variation in optical path length and then l'indice de réfraction du fluide observe 6/ Dispositif selon la revendication 5, caracterise par la vérification the refractive index of the fluid observed 6 / Device according to claim 5, characterized by verification périodique de la distance séparant les deux positions extrêmes du pis periodic of the distance between the two extreme positions of the udder ton 17 de façon très simple en faisant actionner le système moteur, tone 17 in a very simple way by activating the engine system, mais en admettant dans le cylindre 15 un fluide connu (par exemples de but by admitting into the cylinder 15 a known fluid (for example of l'air à pression, température, et humidité connues), et en utilisant air at known pressure, temperature, and humidity), and using l'ensemble de l'appareil pour vérifier, aussi souvent que nécessaire,  the whole device to check, as often as necessary, la longueur du chemin géométrique de référence du réfractomètre. the length of the geometric reference path of the refractometer. 7/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 caractérisé7 / Device according to claims 1 or 2 or 3 or 4 or 5 characterized en ce que l'on observe le niveau d'amplitude maximum ou moyen de la in that we observe the maximum or average amplitude level of the tension électrique des photodiodes 6 et/ou 7 et que l'on peut en dédui electric voltage of photodiodes 6 and / or 7 and which can be deduced therefrom re la néBulosité ou l'opacité du milieu traverse par le faisceau, et, re the nebulosity or opacity of the medium traversed by the beam, and, par lA-m8me, la quantité de matières opaques et non vitreuses, donc non by the same, the quantity of opaque and non-vitreous materials, therefore not dissoutes contenues dans le milieu observe. dissolved in the medium observed. 8/ Dispositif selon la revendication 5 et/ou 6, utilise pour mesurer l'in8 / Device according to claim 5 and / or 6, used to measure the in dice de réfraction ou/et la teneur en matières opaques non dissoutes et refractive dice or / and the content of undissolved opaque matter and caracterise en ce que l'on utilise le-cylindre 15 et son piston 17  characterized in that the cylinder 15 and its piston 17 are used pour aspirer, au moyen des tuyaux et clapets, le fluide à mesurer et to suck the medium to be measured by means of pipes and valves and ensuite, le refouler dans le milieu : fût, réservoir, bassin, then push it back into the medium: barrel, tank, basin, canalisation, etc, d'ou on l'a préleve, et constituer ainsi un pipeline, etc, from where it was taken, and thus constitute a dispositif de prelèvement et -de mesure, dispositif qui, peut facilement sampling and measuring device, a device which can easily entre automatisé.  between automated.
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