PL219676B1 - Sposób pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej i interferometr do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej i interferometr do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej przeznaczony do oceny parametru wiązki lasera określanego jako pointing stability charakteryzującego kątową stabilność przestrzenną wiązki laserowej, a także do pomiaru mikro-odchyleń powierzchni zwierciadlanej od której odbija się analizowana wiązka oraz do stabilizacji kierunku propagacji wiązki.

Znany układ do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej składa się z testowanego lasera, który emituje laserową wiązkę światła o wysokiej koherencji, soczewki ogniskującej tę wiązkę, oraz urządzenia do rejestracji i analizy odchylenia plamki świetlnej tworzonej przez zogniskowaną wiązkę składającego się z fotodetektora połączonego z odpowiednim układem elektronicznym. Fluktuacje kątowe lub odchylenia wiązki laserowej, które mają być zmierzone, powodują przemieszczanie się planiki świetlnej w płaszczyźnie fotodetektora. Przemieszczenia te przetwarzane na dwa wyjściowe sygnały napięciowe proporcjonalne do wartości przemieszczenia się plamki w dwóch prostopadłych kierunkach. Sygnały te można podać na piezoelektryczny przetwornik sterujący zwierciadłem w taki sposób, by pojawiające się fluktuacje kierunku wiązki były korygowane odpowiednimi pochyleniami zwierciadła. Tak działający układ oparty o pomiar położenia plamki świetlnej charakteryzuje się ograniczoną rozdzielczością i czułością.

Z opisu patentowego US 6628405 znane jest urządzenie do badania odchylenia wiązki laserowej wyposażone w układ optyczny zawierający co najmniej trzy elementy optyczne: element światłodzielący i parę zwierciadeł. Skolimowana wiązka światła laserowego jest rozdzielana na dwie wiązki, które po odbiciu od zwierciadeł padają na ekran z siatką pomiarową lub macierz fotodetektorów, na przykład na kamerę CCD, w celu określenia wzajemnego położenia plamek światła i ich odchylenia kątowego na wyjściu układu. Urządzenie to może być wykorzystane do adjustacji przyrządów optycznych, w tym do badania odchylenia wiązki wejściowej. W rozwiązaniu tym dokładność pomiaru zależy od geometrii wiązki laserowej a także od rozdzielczości macierzy fotodetektorów przeznaczonych do lokalizacji plamek światła.

Znane są także przyrządy interferometryczne służące do pomiarów przesunięcia fazowego między dwiema skolimowanymi wiązkami światła koherentnego. Na przykład w interferometrze dwuwiązkowym Mach-Zandera wiązka laserowa rozdzielana jest na wejściu dwuwiązkowego układu optycznego przy pomocy elementu światłodzielącego na dwie. Każda z tych wiązek po odbiciu od zwierciadła jest w kierowana do drugiego elementu światłodzielącego znajdującego się na wyjściu układu, za którym wiązki te nakładają się na siebie i interferują, tworząc obraz prążków interferencyjnych rejestrowany przez fotodetektory. Sygnał wyjściowy fotodetektorów pozwala na określenie różnicy dróg optycznych pomiędzy dwoma interferującymi wiązkami. Okres prążków interferencyjnych zależy od kątowego ustalenia poszczególnych powierzchni odbijających światło, a przesunięcie fazy jest proporcjonalne do różnicy dróg optycznych w obu ramionach. W układzie optycznym tego typu interferometrów laserowych zmiana kąta padania wejściowej wiązki laserowej na element światłodzielący znajdujący się na wejściu układu nie wpływa istotnie na okres obserwowanych prążków interferencyjnych i nie może być wykorzystana do pomiaru tego kąta padania.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania umożliwiającego zwiększenie dokładności pomiaru przemieszczenia kątowego wiązki laserowej.

Sposób pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej, z wykorzystaniem dwuwiązkowego układu optycznego interferometru z układem powierzchni odbijających, w którym laserową wiązkę światła rozdziela się na dwie wiązki, a po odbiciu od układu powierzchni odbijających obie wiązki łączy się ponownie we wspólnym kierunku propagacji tak, że interferują ze sobą tworząc obraz prążków interferencyjnych padający na fotodetektor czuły na zmianę okresu prążków, według wynalazku polega na tym, że w układzie optycznym pomiędzy laserem a fotodetektorem doprowadza się do różnej o liczbę nieparzystą ilości odbić obu rozdzielonych wiązek od powierzchni odbijających, a odchylenie kątowe wyznacza się na podstawie zarejestrowanej przez fotodetektor zmiany okresu prążków interferujących ze sobą wiązek.

Interferometr do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej, wyposażony w dwuwiązkowy układ optyczny z układem powierzchni odbijających, w którym wiązkę lasera rozdziela się na dwie wiązki, a po odbiciu od powierzchni odbijających łączy się ponownie we wspólnym kierunku propagacji tak, że interferują ze sobą tworząc obraz prążków interferencyjnych rejestrowanych przez fotodetektor czuły na zmianę okresu prążków, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pomiędzy laserem

PL 219 676 B1 a fotodetektorem ilość powierzchni odbijających znajdujących się na drodze pierwszej wiązki jest różna o liczbę nieparzystą od ilości powierzchni odbijających znajdujących się na drodze drugiej wiązki.

Korzystnym jest, jeżeli pomiędzy laserem a dwuwiązkowym układem optycznym jest umieszczony dodatkowy element światłodzielący.

Korzystnym jest także, jeżeli pomiędzy laserem a dwuwiązkowym układem optycznym jest umieszczone zwierciadło wychylne.

W korzystnym wykonaniu interferometru zwierciadło wychylne jest połączone z elementem wykonawczym układu regulacji wymuszającym zmianę położenia kątowego zwierciadła wychylnego na podstawie sygnału wyjściowego fotodetektora.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia pomiar przemieszczeń kątowych wiązki laserowej w wybranej płaszczyźnie z wyższą dokładnością niż metodami dotychczas znanymi, na podstawie zmiany okresu prążków interferencyjnych, z wykorzystaniem dwuwiązkowego układu optycznego interferometru. Zastosowanie dwóch układów optycznych interferometru według wynalazku, umieszczonych w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach, pozwala na pomiar kątowych odchyleń przestrzennych wiązki laserowej. Interferometr według wynalazku może być również wykorzystany do pomiarów mikro-odchyleń kątowych powierzchni zwierciadlanych po odbiciu wiązki światła od takiej powierzchni oraz do stabilizacji kierunku propagacji wiązki.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ optyczny interferometru do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej w płaszczyźnie XY, fig. 2 przedstawia układ optyczny interferometru z fig. 1 z ruchomym zwierciadłem płaskim, fig. 3 przedstawia układ optyczny interferometru z fig. 2 z układem regulacji i dodatkowym elementem światłodzielącym, a fig. 4 przedstawia przykładowy układ fotodetekcyjny fotodetektora.

Sposób pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej jest realizowany za pomocą dwuwiązkowego układu optycznego interferometru przedstawionego na fig. 1. Dwuwiązkowy układ optyczny składa się z układu zwierciadeł umieszczonych pomiędzy laserem 1 a fotodetektorem 10. Laser 1 emituje laserową wiązkę światła 2 o wysokiej koherencji w kierunku pierwszego zwierciadła półprzepuszczalnego 3 stanowiącego element światłodzielący. Element światłodzielący rozdziela wiązkę światła 2 na dwie wiązki, pierwszą 4 i drugą 5. Pierwsza wiązka 4, przechodząca przez pierwsze zwierciadło półprzepuszczalne 3, biegnie w kierunku pierwszego zwierciadła płaskiego 6, które odbija ją w kierunku drugiego zwierciadła półprzepuszczalnego 7, a przechodząca przez to zwierciadło część wiązki pada na fotodetektor 10. Druga wiązka 5, odbita od elementu światłodzielącego w postaci pierwszego zwierciadła półprzepuszczalnego 3, odbija się kolejno od drugiego 8 i trzeciego 9 zwierciadła płaskiego, a następnie część tej wiązki odbija się od drugiego zwierciadła półprzepuszczalnego 7 w kierunku fotodetektora 10. Drugie zwierciadło półprzepuszczalne 7 jest ustawione pod odpowiednim kątem do pierwszego 6 i trzeciego 9 zwierciadła płaskiego tak, że odbita część drugiej wiązki 5 pokrywa się z częścią przechodzącą pierwszej wiązki 4. W efekcie obie połączone wiązki interferują ze sobą tworząc pole periodycznie naprzemiennych jasnych i ciemnych prążków interferencyjnych o ustalonym okresie. Okres prążków interferencyjnych zależy od wzajemnego ustawienia poszczególnych powierzchni zwierciadlanych w układzie optycznym interferometru oraz od kąta padania laserowej wiązki światła 2 na pierwsze zwierciadło półprzepuszczalne 3. Powstałe z interferencji wiązek 4 i 5 prążki padają na fotodetektor 10, którego sygnał wyjściowy zależy od okresu analizowanych prążków.

Dzięki zastosowaniu trzeciego zwierciadła płaskiego 9, doprowadza się do różnej o liczbę nieparzystą ilości odbić rozdzielonych wiązek od powierzchni odbijających w układzie zwierciadeł pomiędzy laserem 1 a fotodetektorem 10. Do odbić wlicza się odbicie od powierzchni odbijającej obu zwierciadeł półprzepuszczalnych. Gdy różnica liczby odbić jest nieparzysta, to odchylenie jednej z interferujących wiązek będzie miało przeciwny zwrot niż odchylenie drugiej z interferujących wiązek. W tym przypadku zmieni się kąt interferencji. Każda zmiana kąta padania laserowej wiązki światła 2 na pierwsze zwierciadło półprzepuszczalne 3, pojawiająca się w płaszczyźnie XY, powoduje zmianę kąta interferencji a tym samym zmianę okresu prążków interferencyjnych rejestrowanych przez fotodetektor 10, generując zmianę sygnału wyjściowego fotodetektora 10. Pozwala to na wyznaczenie odchyleń kątowych wiązki światła 2 lasera 1. W celu określenia odchyleń przestrzennych, należy przeprowadzić pomiar odchylenia wiązki w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach.

Interferometr przedstawiony na fig. 2 różni się tym od przykładu z fig. 1, że pomiędzy laserem 1 a pierwszym zwierciadłem półprzepuszczalnym 3 jest umieszczone zwierciadło wychylne 12. Rozwiązanie to umożliwia pomiar mikro-odchyleń kątowych zwierciadła wychylnego 12, przy użyciu lasera o wysokiej stabilności kątowej generowanej wiązki.

PL 219 676 B1

Interferometr przedstawiony na fig. 3 różni się tym od przykładu z fig. 2, że jest wyposażony w dodatkowy element światłodzielący 13 umieszczony pomiędzy zwierciadłem wychylnym 12 a pierwszym zwierciadłem półprzepuszczalnym 3 oraz układ regulacji 14 służący do kompensacji odchyleń w płaszczyźnie XY wiązki laserowej 2 wychodzącej z lasera 1 przez odpowiednie pochylenia zwierciadła wychylnego 12. Zwierciadło wychylne 12 jest połączone z elementem wykonawczym układu regulacji 14. Układ regulacji 14 na podstawie sygnału wyjściowego fotodetektora 10 wypracowuje sygnał sterowania wymuszający zmianę położenia kątowego zwierciadła wychylnego 12 na zasadzie sprzężenia zwrotnego, dążąc do stabilizacji okresu prążków interferometru. Rozwiązanie to umożliwia stabilizację odchyleń kątowych w płaszczyźnie XY wiązki laserowej biegnącej za zwierciadłem 12. W przypadku zastosowania dodatkowego elementu światłodzielącego 13, wiązkę odbitą od tego elementu można wykorzystać w układach optycznych jako wiązkę o wysokiej stabilności kątowej w płaszczyźnie XY. Zastosowanie dwóch układów optycznych interferometru według wynalazku, umieszczonych w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach, pozwala na stabilizację kątowych odchyleń przestrzennych wiązki laserowej.

Jak przedstawiono na fig. 4, przykładowy układ fotodetekcyjny fotodetektora 10 zawiera dwie pary fotoelementów usytuowanych szeregowo w kierunku prostopadłym do kierunku prążków. Dwa środkowe fotoelementy, drugi 02 i trzeci 03, oraz dwa zewnętrzne fotoelementy, pierwszy 01 i czwarty 04, są połączone tak, by ich sygnały się sumowały. Obie tak powstałe sumy są następnie odejmowane przy pomocy wzmacniacza różnicowego 11. Okres i położenie prążków ustalane są względem fotoelementów tak, by dwa sąsiednie prążki leżące w odległości δ pokrywały się z osiami symetrii dwu kolejnych par fotoelementów, pierwszej złożonej z fotoelementu pierwszego 01 i drugiego 02 oraz drugiej złożonej z fotoelementu trzeciego 03 i czwartego 04. Sygnał wyjściowy wzmacniacza różnicowego 11 wskazuje na wielkość odchyleń kątowych wiązki światła 2 lasera 1.

Jako fotodetektor 10 mogą być zastosowane różne układy fotoelementów: np. fotodetektor składający się z 3 szeregowo ustawionych fotoelementów, fotolinijka, lub kamera CCD. Rolę zwierciadeł mogą pełnić pryzmaty optyczne z powierzchnią odbijającą pochyloną odpowiednio do kierunku propagacji wiązek.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej, z wykorzystaniem dwuwiązkowego układu optycznego interferometru z układem powierzchni odbijających, w którym laserową wiązkę światła rozdziela się na dwie wiązki, a po odbiciu od układu powierzchni odbijających obie wiązki łączy się ponownie we wspólnym kierunku propagacji tak, że interferują ze sobą tworząc obraz prążków interferencyjnych padający na fotodetektor czuły na zmianę okresu prążków, znamienny tym, że w układzie optycznym pomiędzy laserem (1) a fotodetektorem (10) doprowadza się do różnej o liczbę nieparzystą ilości odbić obu rozdzielonych wiązek od powierzchni odbijających, a odchylenie kątowe wyznacza się na podstawie zarejestrowanej przez fotodetektor (10) zmiany okresu prążków interferujących ze sobą wiązek.
2. 2. Interferometr do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej, wyposażony w dwuwiązkowy układ optyczny z układem powierzchni odbijających, w którym wiązkę lasera rozdziela się na dwie wiązki, a po odbiciu od powierzchni odbijających łączy się ponownie we wspólnym kierunku propagacji tak, że interferują ze sobą tworząc obraz prążków interferencyjnych rejestrowanych przez fotodetektor czuły na zmianę okresu prążków, znamienny tym, że pomiędzy laserem (1) a fotodetektorem (10) ilość powierzchni odbijających znajdujących się na drodze pierwszej wiązki (4) jest różna o liczbę nieparzystą od ilości powierzchni odbijających znajdujących się na drodze drugiej wiązki (5).
3. 3. Interferometr według zastrz. 2, że pomiędzy laserem (1) a dwuwiązkowym układem optycznym jest umieszczony dodatkowy element światłodzielący (13).
4. 4. Interferometr według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że pomiędzy laserem (1) a dwuwiązkowym układem optycznym jest umieszczone zwierciadło wychylne (12).
5. 5. Interferometr według zastrz. 4, znamienny tym, że zwierciadło wychylne (12) jest połączone z elementem wykonawczym układu regulacji (14) wymuszającym zmianę położenia kątowego zwierciadła wychylnego (12) na podstawie sygnału wyjściowego fotodetektora (10).