Кроме лазерных интерферометров для измерения перемещений вдоль оптической оси в последнее время появилась группа лазерных приборов для измерения линейных перемещений перпендикулярно оп-тической оси или для измерения угловых разворотов и перемещений. В этом случае используют как свойство пространственной когерентности излучения лазера, так и его временную когерентность. При использо-вании временной когерентности были созданы лазерные угломеры ры-чажного типа на основе двухплечевого интерферометра Майкельсона, когда два отражателя расположены на подвижном разворачивающемся основании на расстоянии D друг от друга. Схема такого угломера при-ведена на рис. 4.32.
Элементы интерферометра расположены на двух платформах, одна из которых с отражателями M 1′ – подвижная, а другая с отражателями M 2′–неподвижная.Расстояния между уголковыми отражателями накаждой из платформ одинаковы и равны D, но размеры зеркал М 1 и М 2 несколько больше, так как они выполняют также функцию светодели-телей. Два расположенных друг против друга на разных платформах отражателя образуют ветвь интерферометра Майкельсона, а многократ-ное отражение в них позволяет увеличить чувствительность устройства
к угловым изменениям в k раз, где k – число отражений от подвижного уголкового отражателя. Излучение от лазера на светоделителе М 1 ча-стично направляется в первую ветвь, а частично – во вторую. Глухие зеркала R 1 и R 2 служат для удвоения числа отражений и увеличения угловой чувствительности прибора.
Анализ изменений интерференционной картины производится с
помощью | фотодетектирования | D | ||||
на фотодиоде и последующей об- | M 1 ' | M 1 ' | ||||
работки в электронном тракте. | ||||||
Определение | угла производит- | |||||
ся в соответствии с выражени- | ||||||
ем α = λ m /(2 kD), где m – поря- | ||||||
док интерференции. В данном | R 1 | M 2 | R 2 | M 1 | ||
устройстве k не превышает 2 | ||||||
при расстоянии между платфор- | Рис. 4.32. Схема лазерного | |||||
мами около 100 мм и углах раз- | ||||||
угломера на основе двухплечевого | ||||||
ворота более | 3°. При измерени- | интерферометра Майкельсона |
ях небольших углов до 10ʹ угловое разрешение составляет 0,6ʺ для
λ = 0,63 мкм. Увеличение чувствительности может быть достигнуто за счет измерения дробной части полосы. Однако дальность действия прибора не может быть увеличена, так как с ростом расстояния между приборами резко уменьшается число отражений и падает чувствитель-ность. Другим существенным недостатком являются высокие требова-ния к точности изготовления угла при вершине двугранного отражателя
(менее 1ʺ).
Первое ограничение может быть снято за счет применения интер-ференционных угломеров с использованием пространственной коге-рентности лазерного излучения. Схема одного из таких приборов при-ведена на рис. 4.33.
Основным элементом прибора является интерференционный дели-тель 3, представляющий собой композицию из двух одинаковых призм, грани соединения у которых покрыты полупрозрачным слоем (призма Кестерса). Интерференционная картина возникает в результате взаи-модействия двух пучков, ограниченных лучами 1 – 2 и 1 ʹ– 2 ʹ, после их частичного отражения и пропускания на полупрозрачном слое интер-ференционного делителя. Из рисунка видно, что в процессе образова-ния интерференционной картины взаимодействуют два разных участка волнового фронта излучения одного лазерного источника, и поэтому вид и качество интерференционной картины определяются степенью пространственной когерентности приходящего излучения.
2 ʹ | 4 | F ″ |
1 | F | |
3 | ||
4 | F' | |
2 |
Рис. 4.33. Схема лазерного угломера Сондерса:
1 –лазерный пучок; 2 –приемный зеркальный объектив; 3 –призма Кестерса;
4 –плоскости анализа
Изменение углового положения источника излучения приводит к смещению интерференционной картины и определяется из выражения
α = λ m / D. Поскольку схема устройства симметрична относительно оп-тической оси и, следовательно, сбалансирована по начальной разности хода в отдельных ветвях, дальность действия такого угломера опре-деляется только энергетическими критериями и может быть доведена до 100 м даже при использовании маломощных газовых лазеров. Чув-ствительность угломера может достигать 0,05ʺ при измерениях дроб-ного порядка интерференции величиной 1/20. Основным недостатком интерференционного угломера с призмой Кестерса является сложность изготовления интерференционного делителя с высокой степенью иден-тичности отдельных частей и трудностью их соединения симметрично оптической оси.
Развитие интерференционных угломеров с лазерными источника-ми в дальнейшем пошло по пути упрощения схем интерференционных делителей и основывалось, прежде всего, на известной схеме звездного интерферометра Майкельсона. Один из возможных вариантов такого угломера представлен на рис. 4.34.
Лазерный источник 1 формирует в плоскости приема сферический волновой фронт малой кривизны, из которого приемные зеркала 2 и 2' выделяют два участка. На интерференционном делителе, состоящем из зеркал 3 и 4, пучки совмещаются и образуют область интерференции, которая не локализована в какой-то одной плоскости, а может быть вос-произведена в любой плоскости, лежащей за интерференционным де-лителем. При смещении источника излучения перпендикулярно опти-
ческой оси происходит смещение | 2 | |||||
интерференционной | картины в | u | ||||
плоскости анализа в соответствии | ||||||
с уже | известным | выражением | 4 | 3 | ||
α = λ m / D. | ||||||
Требования к взаимной ори- | 2θ | |||||
ентации | относительно невысо- | 2' | ||||
ки, а глухое зеркало, кроме того, | ||||||
может служить дополнительным | Рис. 4.34. Схема лазерного угломера | |||||
элементом для проведения юсти- | ||||||
на основе звездного интерферометра | ||||||
ровки для получения интерфе- | Майкельсона: | |||||
ренционной картины требуемых | 1 – газовый лазер: 2 –приемные зеркала; 3 | |||||
– полупрозрачное зеркало; 4 | – зеркало |
параметров. На базу прибора D (расстояние между центрами прием-ных зеркал 2 и 2') ограничения накладывает размер сечения лазерного пучка в плоскости анализа, и при использовании оптической системы формирования пучка этот размер может иметь необходимую величину.
В полевых приборах ограничение на величину базу приема налагает состояние атмосферы, и в зависимости от требуемой точности можно конструктивно воспроизвести приемную систему с габаритами от 40 до 1000 мм. При этом точность угловых измерений также будет изменять-ся в 25 раз, т.е. от 0,05ʺ до 0,002ʺ при измерении 1/20 порядка интерфе-ренции. Дальность действия прибора ограничивается лишь энергетиче-скими критериями и может достигать сотен метров при использовании газовых лазеров с выходной мощностью в несколько милливатт в види-мом диапазоне спектра.