Лазерные измерители угловых перемещений




 

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 12 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-      
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.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-06-03 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: