Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Jednofrekvenční, nebo dvoufrekvenční laserový interferometr?
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Jednofrekvenční, nebo dvoufrekvenční laserový interferometr?

Sledování interference světla je nejpřesnější metoda měření změny vzdálenosti. Využívá se v metrologii, v obráběcích strojích i při nejpřesnějším řízení polohy při výrobě mikroelektroniky. Jednotkou měření je vlnová délka světla ve vzduchu a její zlomky.

Paprsek světla, které má interferovat, je vyslán ke sledovanému předmětu, kde se odrazí zrcadlem nebo koutovým odražečem. Do proběhnuté vzdálenosti tam a zpět se vejde určitý počet vlnových délek světla, který není obecně celým číslem. Odražené světlo od předmětu po návratu interferuje s vysílaným světlem.
Interference je sčítání okamžitých intenzit vysílaného a odraženého světla. Pozorujeme nebo měříme výslednou intenzitu, která má velikost mezi nulou a maximem podle fází obou složek světla. Posunutí fáze odraženého světla oproti fázi vysílaného světla se plynule mění při vzdalování nebo přibližování předmětu.
Intenzita světla obou paprsků se ovšem s časem mění sinusově s frekvencí řádu 1014 Hz. Tak vysokou frekvenci světelné energie dnešní elektronika není schopna snímat žádným fotoelektrickým čidlem, není schopna vlny přímo počítat a určit jejich vzájemné zpoždění. Jedině pozorování interference umožní zjistit změny jejich fází. Fázový posun paprsků se změní o 360° při změně dráhy paprsku o jednu vlnovou délku, tj. při posunu předmětu o polovinu vlnové délky. Výsledná intenzita světla se změní od nuly do maxima a zpět do nuly.
Použité světlo je monochromatické s jedinou vlnovou délkou, aby fázový posun při interferenci netrpěl snížením kontrastu, zejména při větších měřených vzdálenostech. Používá se světlo heliumneonového laseru s vlnovou délkou 633 nm, jehož frekvence je 4,7 x 1014 Hz.
Přesná znalost vlnové délky nebo s ní svázané frekvence a její časová a prostorová stabilita mají zásadní důležitost pro přesnost přepočtu počtu vlnových délek na posunutí předmětu. Stabilizuje se jednak délka trubice laseru, která se mění s teplotou, jednak se sleduje stav vzduchu, který má vliv na vlnovou délku světla procházejícího k předmětu a zpět.
Změnu intenzity dvou paprsků při interferenci lze sledovat, pokud jsou paprsky lineárně polarizovány ve shodném směru. Pro transformaci kruhové polarizace světla z laseru na lineární v potřebném směru a pro oddělování složek světla s odlišným směrem polarizace slouží polarizační optické hranoly, čtvrtvlnové a půlvlnové destičky a polarizační filtry. Nepolarizační hranoly odklánějí světlo bez vztahu ke směru polarizace.
Interference paprsku odraženého odrazným prvkem na sledovaném předmětu s paprskem přicházejícím z laseru se realizuje v interferometru. Interferometr obsahuje dělicí hranol, obvykle polarizační, který rozdělí paprsek laseru v poměru intenzit 1 : 1 na měřicí a referenční. Měřicí paprsek se odrazí odrazným prvkem předmětu, referenční paprsek se odrazí od odrazného prvku přiloženého k dělicímu hranolu. Frekvence světla referenčního paprsku je konstantní, frekvence světla odraženého měřicího paprsku je větší nebo menší o Dopplerovu frekvenci danou pohybem předmětu. Frekvence světla laseru je ( = 4,7 x 1014 Hz, Dopplerova frekvence je (D = 2 v/(. Rychlost předmětu je v, vlnová délka světla v měřicím prostředí je (.
U jednofrekvenčního laserového interferometru je frekvence referenčního paprsku stejná jako frekvence vysílaného měřicího paprsku. Jestliže předmět stojí, je Dopplerova frekvence (D nulová. Fázový posun obou paprsků v místě interference je konstantní a výsledná intenzita se nemění. Pohyb předmětu vyvolá změnu výsledné intenzity s Dopplerovou frekvencí. Intenzitu snímá fotoelektrická dioda.
Světlo laseru má dvě složky stejné frekvence s kruhovou polarizací v opačných směrech. Polarizační hranol interferometru složky rozdělí a změní kruhové polarizace na lineární navzájem kolmé. K interferenci dojde na polarizačním filtru natočeném o 45°, který z obou složek propustí části ve společném směru, jež mohou interferovat. Následuje snímací dioda.

Nevýhody jednofrekvenčního laserového interferometru

Základní uspořádání interferometru nedává informaci o směru pohybu. Tu získáme rozdělením světla za výstupem z hranolu na dvě větve. Fáze jedné větve se zpozdí čtvrtvlnovou destičkou o 90°. V každé větvi následuje polarizační filtr a snímací dioda.
Od snímacích diod a připojené elektroniky se požaduje linearita v rozsahu od nulové frekvence až po Dopplerovu frekvenci při nejvyšší rychlosti předmětu.
Změna intenzity má stejný efekt jako změna polohy předmětu. Proto přesnost měření zhoršuje nestabilitou výkonu laseru, odklonem měřicího paprsku prouděním vzduchu, kolísáním polohy odrazného prvku na předmětu, které mění překrytí s referenčním paprskem a nestabilitou citlivosti snímacích diod.
Dosáhnout dobrého odstupu měřicího signálu od rušení v celém rozsahu měřicí frekvence je obtížné, protože rozsah je už od nuly do nejvyšší Dopplerovy frekvence a počet zdrojů rušení roste při snižování frekvence signálu.
Rozlišení při měření dosahuje 1/4 x (/2 = (/8, jestliže se využijí 4 hrany signálů z dodatečně odděleného signálu se zpožděnou fází. Další zvýšení rozlišení pomocí interpolace není možné, neboť oba signály jsou odvozeny ze stejnosměrného výstupu po interferenci.
U dvoufrekvenčního laserového interferometru je frekvence referenčního paprsku (2 odlišná od frekvence vysílaného měřicího paprsku (1 o přesnou hodnotu (1 - (2.
Dvoufrekvenční laser vysílá dvě frekvence s opačnými kruhovými polarizacemi a zajišťuje přesnost jejich rozdílu (1 - (2. Záznějová frekvence (1 - (2 je volena tak, že je zpracovatelná snímacími diodami a elektronikou. Obě frekvence se rozdělí polarizačním hranolem.
Frekvence (1 se použije jako referenční, frekvence (2 jako měřicí. Po zpětném průchodu hranolem a polarizačním filtrem paprsky interferují. Jejich frekvence se liší o (1 - (2, jestliže předmět stojí. Měřicí frekvence (2 se při odrazu o pohybující se předmět sníží nebo zvýší o Dopplerovu frekvenci. Pak se frekvence paprsků liší o (1 - ((2 ( (D ) = (1 - (2 ( (D. Intenzita světla, kterou snímá snímací fotodioda, je střídavá s frekvencí (1 - (2 ( (D, i když předmět stojí, neboť frekvence jsou voleny tak, aby (1 - (2 byla větší než (D. Signál fotodiody se přivede do diferenciálního čítače impulzů. Do něj se přivede i signál (1 - (2 paprsku odděleného ještě před hranolem a počty vln v obou signálech se odečítají. Čítač dodá počet inkrementů dráhy předmětu, které jsou určeny počtem vln frekvence (D včetně znaménka, tj. směru pohybu.

Vlastnosti dvoufrekvenčního laserového interferometru

Kolísání intenzity světla neovlivňuje frekvence (1, (2, (D. Změna intenzity nemůže být posuzována jako pohnutí předmětem. Střídavý systém má vyšší stabilitu měření a nižší citlivost na rušení turbulencí vzduchu, elektrickým i optickým rušením. Na každou měřicí osu stačí jedna snímací fotodioda, protože i směr pohybu předmětu je uložen ve frekvenci měřicího signálu. Snižují se nároky na vyrovnání optiky včetně kolísání ustavení při pohybu, na zisk a stabilitu citlivosti fotodiody. Mezi dvěma střídavými signály (1 - (2 , (1 - (2 ( (D lze interpolovat a zjemnit rozlišení na (/512. Vysoké rozlišení má ovšem vliv na přípustnou rychlost předmětu s ohledem na frekvenční propustnost snímací fotodiody.

Šířka pásma frekvencí

Rozsah měřitelné rychlosti předmětu v je přímo úměrný šířce pásma frekvence signálu s informací o pohybu předmětu. Jednofrekvenční laser využívá pásmo od nuly do 2 MHz. Je to frekvence vzniklá Dopplerovým efektem (D = 2v/(. Dvoufrekvenční laser, který využívá k vytvoření dvou frekvencí Zeemanova jevu, vysílá dvě frekvence s odstupem 2 až 3 MHz. Na záznějovou frekvenci (1 - (2 se superponuje Dopplerova frekvence a výsledná frekvence je od 1 až 4 MHz.
Dvoufrekvenční laser, který využívá k vytvoření dvou frekvencí akusticko-optickou metodu, např. Bruggovou komorou, vysílá dvě frekvence s odstupem až 25 MHz. Výsledná frekvence po superpozici Dopplerovy frekvence je od 15 do 25 MHz. U dvoufrekvenčních laserových interferometrů je účelné snížit poměr šířky pásma k nosné frekvenci ((1 - (2). Elektronika k pokrytí rozsahu rychlostí předmětu je pro nižší poměr jednodušší. Z tohoto pohledu je výhodný systém s vyšší nosnou frekvencí.

Využití vláknové optiky

Vláknová optika se zpravidla používá k vedení jednoduchého paprsku z pohledu polarizace. Vláknová optika obtížně udrží polarizaci při změnách teploty a deformacích vláken. Jednofrekvenční laserový interferometr má jednoduchý paprsek na vstupu do interferometru, ale na výstupu je zpravidla paprsek rozdělen pro rozeznání směru pohybu. Vláknová optika se použije zpravidla na vstupu. Dvoufrekvenční laserový interferometr má jednoduchý paprsek na výstupu z interferometru, zatímco na vstupu nikoliv. Vláknová optika na výstupu umožní vzdálit elektroniku jako zdroj tepla od interferometru a zvýšit tak přesnost měření. Výrobce dvoufrekvenčních interferometrů Agilent používá vláknovou optiku i na vstupu do interferometru, ale pro dvě polarizace potřebuje dva paralelní světlovody.

Další články

Měření ve strojírenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: