Возможности лазерного интерферометра

Интерферометр впервые был сконструирован А.А. Майкельсоном в 1881 г. Упрощенная схема интерферометра показана на рис. 1.. Измерение перемещения с использованием лазерного интерферометра позволяет добиться точности измерения порядка 0,4 ppm в воздушной среде и 0,02 ppm  в вакууме. То есть это значит, что точность измерения, к примеру, для воздушной среды составляет порядка 40 нм.

Давайте рассмотрим схему работы: когерентный пучок света падает на полупрозрачное зеркало. Это зеркало разделяет свет на два луча. Первый проходит к референсному зеркалу (Z1) и отражается от него; второй направлен к подвижному рефлектору (Z2) и отражается от него. Отраженные лучи вновь встречаются на детекторе. 

Так как эти лучи исхдят от когерентного источника - они будут интерферировать. Когда подвижной рефлектор выполнит перемещение, частота отраженного луча в измерительном канале изменится. Детектор рассчитывает разность частот отраженных лучей fd.

Формула для вычисления измеренной величины перемещения:

где N- количество импульсов, а лямбда - длина волны света.

          В интерферометрах применяется либо одночастотный метод (гомодинный), либо двухчастотный (гетеродинный). В одночастотном методе, показанном на рис.2, в качестве когерентного источника света используется линейно поляризованный лазер. Если это двухчастотный лазер (то есть он генерируетм две длины волны) то необходимо необходимо "отсечь" вторую частоту с помощью установленного поляризатора. Поляризатор разделяет световой луч исходящий от лазера на два пучка поляризованных вертикально (90) и горизонтально (0). Первый направлен по измерительному каналу, а потом после отражения пападает на референсный канал. Частота луча в измерительном канале меняется вместе с передвжижением подвижного рекфлектора. Поляризация отраженных лучей меняется на кругообразную с использованием λ/4 волновой пластинки.

Рис.2

Блок схема работы интерферометра

по одночастотному принципу

После 0° и 45° поляризаций, получается два сигнала сдвинутых по фазе. Если перемещение происходит в измерительном канале, то мы получим сдвиг по фазе +90°, если перемещение происходит от лазера, то сдвиг по фазе будет +90°.

         Существует также гетеродинный метод, в котором используется две частоты лазера. Для использования этого метода необходим двухчастотный лазер (Зеемана). Этот лазер не подходит для интерферометра с гетеродинными принципом работы, потому, что разница f₁ и f₂ слишком высока для электронного счетчика. Выходной лазерный луч зеемановского лазера состоит из 2 кругообразных поляризованных лучей, один поляризован влево, а другой вправо. Четвертьволновая пластина преобразует круговую поляризацию на линейную. Основное различие между описанными способами состоит в том, что в гетеродинном методе частота одного луча в референционном канале отличается от частоты луча в измерительном канале (Рис.3). 

Рис. 3

Блок схема интерферометра

Гетеродинный принцип

Система регистрации происходит посредством сравнения разницы частот референционного канала и измерительного канала. Гетеродинный метод дает правильные результаты только в том случае, если f_d не превышает значение разницы частот (f₂ - f₁) лазера. На практике эта разница, возникающая из-за доплеровского эффекта, равна около 1 МГц, что ограничивает максимальную скорость передвижения измерительного плеча, в одном из направлений, до 0,3 м/с. При скорости выше 0,3 м/с использовать этот метод нельзя. 

Очередной минус гетеродинного метода - это использование обеих геренирующих частот, в то время, как в гомодинном методе частота может быть произвольно использована (например для перемещения по второй измерительной оси).