eng
Выпуск #5/2021
Б.Г.Турухано, Н.Турухано, И.А.Турухано
Запись голографических дифракционных решеток с помощью импульсного лазера
Запись голографических дифракционных решеток с помощью импульсного лазера
Просмотры: 1546
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.312.319
В данной работе рассматривается устройство для записи голографических дифракционных решеток (ГДР) в импульсном лазере, которое позволяет повысить их точность и дифракционную эффективность для чего в интерферометре для записи решеток дополнительно введен второй источник когерентного излучения – импульсный лазер, расположенный на его входе и оптически связанный с ним. Это устраняет необходимость слежения за коррекциями во время засветки в силу малости величины длительности времени засветки. С этой целю в оптоэлектронную схему введен блок синхронизации, выход которого связан со вторым источником когерентного излучения импульсного действия, а вход с источником переменного напряжения оптоэлектронной схемы.
В данной работе рассматривается устройство для записи голографических дифракционных решеток (ГДР) в импульсном лазере, которое позволяет повысить их точность и дифракционную эффективность для чего в интерферометре для записи решеток дополнительно введен второй источник когерентного излучения – импульсный лазер, расположенный на его входе и оптически связанный с ним. Это устраняет необходимость слежения за коррекциями во время засветки в силу малости величины длительности времени засветки. С этой целю в оптоэлектронную схему введен блок синхронизации, выход которого связан со вторым источником когерентного излучения импульсного действия, а вход с источником переменного напряжения оптоэлектронной схемы.
Теги: diffraction efficiency holographic diffraction grids interferometer optoelectronic circuit pulse laser source of pulsed coherent radiation synchronization unit блок синхронизации голографические дифракционные решетки дифракционная эффективность импульсный лазер интерферометр источник импульсного когерентного излучения оптоэлектронная схема
ЗАПИСЬ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА
RECORDING HOLOGRAPHIC DIFFRACTION GRIDS USING A PULSE LASER
Б.Г.Турухано1, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, Н.Турухано1, вед. науч. сотр., Заслуженный изобретатель РФ, И.А.Турухано2, кинооператор / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
B.G.Turukhano1, Head of LGIIS, Honored Inventor of RF, N.Turukhano1, Leading Researcher, Honored Inventor of RF, I.A.Turukhano2, Cameraman
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.312.319
Получено: 26.05.2021 г.
В данной работе рассматривается устройство для записи голографических дифракционных решеток (ГДР) в импульсном лазере, которое позволяет повысить их точность и дифракционную эффективность для чего в интерферометре для записи решеток дополнительно введен второй источник когерентного излучения – импульсный лазер, расположенный на его входе и оптически связанный с ним. Это устраняет необходимость слежения за коррекциями во время засветки в силу малости величины длительности времени засветки. С этой целью в оптоэлектронную схему введен блок синхронизации, выход которого связан со вторым источником когерентного излучения импульсного действия, а вход – с источником переменного напряжения оптоэлектронной схемы.
This paper deals with a device for holographic diffraction gratings (HDG) recording using a pulse laser, which makes it possible to increase the accuracy of grating and its diffraction efficiency. For this purpose use was made of the interferometer for recording gratings and an optically connected second source of coherent radiation located at the input. Such configuration eliminates the need to track corrections during illumination due to a short exposure period. A synchronization unit was introduced into the optoelectronic circuit which output was connected to the second source of pulsed coherent radiation, and the input – to the AC voltage source of the optoelectronic circuit.
ВВЕДЕНИЕ
Голографические дифракционные решетки (ГДР) используются в различных измерительных системах – датчиках линейных и угловых перемещений, длиномерах, многокоординатных измерительных машинах – и позволяют получать гораздо более высокую точность и разрешение, нежели при использовании систем на базе традиционной оптики.
Это связано с тем, что в настоящее время к измерительным системам предъявляются все более высокие требования. Показатели металлообрабатывающего оборудования не полностью отвечают растущим запросам, в связи с чем необходимо повышение точности изготовления деталей машин. Технический уровень и качество продукции в станкостроении во многом зависит от смежных отраслей, поставляющих комплектующие изделия, в том числе и оптические измерительные устройства.
В статье рассматриваются вопросы повышения метрологической точности измерительных систем за счет их оснащения высокопрецизионными датчиками на базе ГДР.
НАСТРОЙКА ИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ ЗАПИСИ ГДР
При записи голографической решетки с помощью интерферометра вначале настраивают интерферометр с помощью непрерывного лазера, а затем осуществляют ее запись с помощью импульсного лазера.
Угол между плечами интерферометра выбирается в зависимости от необходимой частоты ГДР. Для определения фазовых сдвигов используется фазовая модуляция световых пучков [1]. Величина разности фаз в интерференционном поле (ИП) Δφ1k и Δφ2k определяется фотоприемниками, расположенными на прямой, параллельной направлению сдвига (ζ) волнового фронта. Падающая на решетку квазиплоская волна одного из плеч интерферометра изменяет фазу ИП таким образом, что его фазовое распределение является точным отображением фазового распределения фаз падающей волны. Это фазовое распределение превращается и в распределение амплитуд в интерференционном поле. Таким образом, на выходе интерферометра формируется квазипростая волна S с комплексной амплитудой:
S (x, y) = S0 (x, y) exp [if (x, y)], (1)
где S0 (x, y) – амплитудное, а f (x, y) – фазовое распределение волны.
Устройство для записи ГДР в импульсном лазере показано на рис.2. Луч S (1) сохраняет свою когерентность и интерферирует со вторым падающим лучом, создавая интерференционную картину.
Данный интерферометр формирует на выходе ИП комплексную амплитуду:
Sx вых (x, y) = a S (x, y) + b S (x + ζ, y). (2)
Интенсивность ИП определяется выражением:
I (x, y, t) = |exp i [f (x, y) + arg a(t)] +
+ exp i [f (x+ ζ, y) + arg b(t)]|2 = (3)
= 2{1 + cos [f (x+ ζ, y) – f (x, y) + c(t)]},
где x, y – координаты в выходной плоскости подложки, ζ – величина сдвига вдоль оси ОХ, a и b (2) – комплексные функции, определяемые реальной оптикой, используемой в интерферометре. Для случая динамического режима работы интерферометра a и b являются функциями времени.
Интенсивность ИП определяется выражением:
I (x, y, t) = |[exp i[f (x, y) + arg a(t)] +
+ exp i [f (x+ ζ, y) + arg b(t)]|2 = (4)
= 2{1 + cos [f (x+ ζ, y) – f (x, y) + c(t)]},
где c(t) = arg b(t) – arg а(t).
Если функция c(t) в (3) меняется по линейному закону, то в каждой точке ИП интенсивность изменяется по гармоническому закону с частотой ν = ω/2π.
Разность фаз между сигналами в двух точках ИП (x0, y0) и (x, y) можно записать в виде:
Δφx (x, y; x0, y0) = [f (x+ ζ, y) – f (x, y)] –
– [f (x0 + ζ, y0) – f (x0, y0)]. (5)
Из (5) видно, что функция Δφx (x, y; x0, y0) инвариантна к преобразованию функции f (x, y) вида:
f (x, y) = f (x0, y0) + с (x) + g (y) + d, (6)
где с и d – произвольные постоянные, а g (y) –
произвольная функция.
Рекуррентное выражение (4) можно привести к соотношению для значений функции f (x, y) в ряде точек, расположенных с периодом ζ, вдоль оси ОХ:
(7)
где n = 1, 2….Nx, Nx = , Dx – апертура поля вдоль оси ОХ.
Определим функцию f (x0, y) (5). Для этого осуществим сдвиг волнового фронта вдоль оси OY, то есть перпендикулярно направлению первоначального сдвига. По аналогии с вышеизложенным значения функции f (x0, y) в ряде точек с периодом µ можно записать в виде:
(8)
где m = 1, 2….Ny, Ny = Dy/μ, Dy – апертура поля вдоль оси ОУ.
Из уравнений (7) и (8) можно записать общее выражение для значений функции f (x, y) на сетке точек c периодами ζ и µ: (9)
где С1 = [f (x0 + ζ, y0) – f (x0, y0)] / ζ, С2 = [f (x0 + y0 + µ) – f (x0, y0)] / µ, d = f (x0, y0), а Δφx и Δφy (7) несут информацию о кривизне волнового фронта и измеряются непосредственно в процессе эксперимента. Постоянные С1, С2 и d можно определить только из граничных условий, которые будут задавать опорную плоскость сравнения. При этом наиболее правильным представляется использование граничных условий, при которых имеет место совпадение начальных и конечных полос исследуемого ИП.
Распределение интенсивности ИП можно записать в виде:
(10)
где Ω (x, y, t) = arg a (x, y, t) – arg b (x, y, t), Ω (x, y, t) = Ω (x, y) + c (t), Ω (x, y) – член, описывающий фазовые искажения, вносимые интерферометром.
ОШИБКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИП
При определении фазового распределения ИП возникают систематические и случайные ошибки. Первые обусловлены выбором самого метода, вторые возникают в процессе эксперимента.
Фазовая ошибка ΔΩ предложенного метода связана с ошибками, обусловленными аберрациями используемой оптической системы [2–3]:
(11)
, (12)
где h и n – толщина и показатель преломления соответственно. Если качество оптики таково, что ΔΩ(x)/dx ≤ 1 λ/см, то при dx ≤ 0,1 мм и Δα ≤ 5о то |ΔΩ(x) | max<λ/100.
Можно также оценить величину дисперсии Δn, (9) характеризующую неравномерность распределения полос ИП:
(13)
Так как величины Δφ1k и Δφ2k (10) измеряются и входят одинаково в оба плеча, то они имеют одинаковую дисперсию σn и с учетом среднеквадратической ошибки и по результатам 10 измерений (m = 10) значений разности фаз Δφi между одними и теми же точками мы окончательно получим:
. (14)
Так как в нашем случае S ≤ 2π/300, N = 6, σN/2 ≤ 5,10–3 µm, то суммарная ошибка (11) не превышает величину 3,10–2 µm.
Для оценки качества интерференционного поля введем функцию
(15)
служащую интегральной характеристикой аберраций телескопических систем (ТС) и характеризирующую максимальное отклонение функции распределения полос ИП от идеально равномерного распределения (рис.1).
ЗАПИСЬ ГДР С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА
Выбранные значения коррекций в дальнейшем поддерживаются теми же с помощью постоянного напряжения блока 20 до самой засветки первого участка ГДР. После этого запускают от блока управления и коммутации импульсный источник когерентного излучения 2 синхроимпульсом от блока 19 для засветки регистрирующего слоя.
Длительность светового импульса источника когерентного излучения порядка 10–8 с, что намного меньше, чем длительность засветки, осуществляемой в непрерывном лазере.
Синхроимпульс для запуска импульсного источника когерентного излучения можно сформировать в блоке синхронизации 19 (рис.2), который конструируется по известным принципам. Блок синхронизации содержит дифференцирующую цепь для образования отрицательного импульса по спаду пилообразного импульса. Формирователь положительного запускающего импульса на триггере "Шмидта" содержит схему регулирующей задержки на одном вибраторе, включающую регулятор задержки на переменном сопротивлении, а также содержит дифференцирующую цепочку заднего фронта сигнала от схемы задержки и схему формирования импульса запуска. Поэтому за столь короткое время на картине интерференционного поля, копируемого на синтезируемую решетку, не сказываются никакие внешние и внутренние факторы типа вибраций и деформации механических узлов, и поэтому вводимые до начала засветки коррекции сохраняют с высокой точностью свое значение и во время самой засветки.
Синхроимпульс от генератора переменного напряжения 21 служит "опорным" импульсом для определения положения муаровой полосы в пространстве. Необходимые значения Δφ можно получить с помощью блока коммутации и управления 22, который управляет фотодетектором, сигналы с которого через селективные усилители 23 и 24 подаются на фазометр 25. После этого запускают от блока управления импульсный источник когерентного излучения для засветки решетки. Благодаря короткому времени засветки величины коррекции Δφ сохраняют свою величину.
После засветки можно осуществить перемещение каретки и записать второй участок ГДР. В результате непараллельного перемещения штрихи записанного первого участка изменили свое положение относительно линий интерференционного поля, которые будут копироваться на втором участке. С этой целью вводятся соответствующие коррекции. После ввода коррекций производится засветка второго участка решетки путем очередного запуска импульсного источника когерентного излучения без слежения за коррекциями во время засветки. Цикл повторяется до синтеза решетки необходимой длины.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Аберрации реальных линзовых систем, применяемых в интерферометре, связаны с неточностью их обработки, вызывают несимметричные искажения волновых фронтов и не могут быть устранены правильным их расположением вдоль пучков.
Зейделевские аберрации: кома, дисторсия, астигматизм и кривизна поля зависят от ориентации блока [4] в интерферометре.
Сферические аберрации для идентичных телескопических систем на величину Q не влияют в силу их одинаковости в двух плечах.
Аберрации реальных ТС, связанные с их обработкой, не могут быть устранены.
Использование предложенного метода позволило получить равномерное распределение интерференционных полос ИП не хуже λ/100 и записать голографические решетки, используемые в голографических системах линейных перемещений [5], обладающие высокой точностью и разрешением вплоть до 1 нм.
Предложенное устройство позволяет повысить точность синтезируемой решетки и ее дифракционную эффективность за счет:
ВЫВОДЫ
Предложенный метод пригоден для исследования степени периодичности распределения интерференционных полос голографического 2-лучевого интерферометра.
В результате проведенных исследований, как видно из выше приведенного графика (рис.1) равномерного распределения полос, можно определить фазовое распределение интерференционных полос и отъюстировать интерферометр таким образом, что равномерность их распределения будет не хуже 2 нм на участке в 100 мм.
Поэтому можно сделать вывод, что основные погрешности связаны с неточностью обработки оптических элементов интерферометра.
В случае малых аберраций оптических элементов значение нормированной интенсивности в центре апертуры волнового пучка практически не зависит от природы аберраций и отличается от идеального случая на величину, пропорциональную среднеквадратичной деформации волнового фронта.
Повышенная метрологическая точность ГДР позволит создавать высокопрецизионные датчики на их базе и поднять уровень современных измерительных систем.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Турухано Б.Г., Турухано Н. Голографическая система для измерения линейных перемещений и фазовых сдвигов. Материалы III Всесоюзной школы по голографии Л. ЛИЯФ, 1972. С. 213–233.
Rosenhauer K., Rosenbruch K.J. The measurement of the optical transfer functions of lenses. Rep. Progr. Phys. 1967. V. 30. PP. 1–25.
Schmahl G. and Rudolph D. Progress in Optics. (Amsterdam-London, NortHoll, Publ. Comp. 1976. V. 14. P. 197.
Crane R. Appl. Optics. 1969. V. 8. P. 521.
Турухано Б.Г., Турухано Н. Датчик линейных перемещений. Патент РФ, № 2 197 713. 2003. Пр. 07.08.2000.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
RECORDING HOLOGRAPHIC DIFFRACTION GRIDS USING A PULSE LASER
Б.Г.Турухано1, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, Н.Турухано1, вед. науч. сотр., Заслуженный изобретатель РФ, И.А.Турухано2, кинооператор / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
B.G.Turukhano1, Head of LGIIS, Honored Inventor of RF, N.Turukhano1, Leading Researcher, Honored Inventor of RF, I.A.Turukhano2, Cameraman
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.312.319
Получено: 26.05.2021 г.
В данной работе рассматривается устройство для записи голографических дифракционных решеток (ГДР) в импульсном лазере, которое позволяет повысить их точность и дифракционную эффективность для чего в интерферометре для записи решеток дополнительно введен второй источник когерентного излучения – импульсный лазер, расположенный на его входе и оптически связанный с ним. Это устраняет необходимость слежения за коррекциями во время засветки в силу малости величины длительности времени засветки. С этой целью в оптоэлектронную схему введен блок синхронизации, выход которого связан со вторым источником когерентного излучения импульсного действия, а вход – с источником переменного напряжения оптоэлектронной схемы.
This paper deals with a device for holographic diffraction gratings (HDG) recording using a pulse laser, which makes it possible to increase the accuracy of grating and its diffraction efficiency. For this purpose use was made of the interferometer for recording gratings and an optically connected second source of coherent radiation located at the input. Such configuration eliminates the need to track corrections during illumination due to a short exposure period. A synchronization unit was introduced into the optoelectronic circuit which output was connected to the second source of pulsed coherent radiation, and the input – to the AC voltage source of the optoelectronic circuit.
ВВЕДЕНИЕ
Голографические дифракционные решетки (ГДР) используются в различных измерительных системах – датчиках линейных и угловых перемещений, длиномерах, многокоординатных измерительных машинах – и позволяют получать гораздо более высокую точность и разрешение, нежели при использовании систем на базе традиционной оптики.
Это связано с тем, что в настоящее время к измерительным системам предъявляются все более высокие требования. Показатели металлообрабатывающего оборудования не полностью отвечают растущим запросам, в связи с чем необходимо повышение точности изготовления деталей машин. Технический уровень и качество продукции в станкостроении во многом зависит от смежных отраслей, поставляющих комплектующие изделия, в том числе и оптические измерительные устройства.
В статье рассматриваются вопросы повышения метрологической точности измерительных систем за счет их оснащения высокопрецизионными датчиками на базе ГДР.
НАСТРОЙКА ИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ ЗАПИСИ ГДР
При записи голографической решетки с помощью интерферометра вначале настраивают интерферометр с помощью непрерывного лазера, а затем осуществляют ее запись с помощью импульсного лазера.
Угол между плечами интерферометра выбирается в зависимости от необходимой частоты ГДР. Для определения фазовых сдвигов используется фазовая модуляция световых пучков [1]. Величина разности фаз в интерференционном поле (ИП) Δφ1k и Δφ2k определяется фотоприемниками, расположенными на прямой, параллельной направлению сдвига (ζ) волнового фронта. Падающая на решетку квазиплоская волна одного из плеч интерферометра изменяет фазу ИП таким образом, что его фазовое распределение является точным отображением фазового распределения фаз падающей волны. Это фазовое распределение превращается и в распределение амплитуд в интерференционном поле. Таким образом, на выходе интерферометра формируется квазипростая волна S с комплексной амплитудой:
S (x, y) = S0 (x, y) exp [if (x, y)], (1)
где S0 (x, y) – амплитудное, а f (x, y) – фазовое распределение волны.
Устройство для записи ГДР в импульсном лазере показано на рис.2. Луч S (1) сохраняет свою когерентность и интерферирует со вторым падающим лучом, создавая интерференционную картину.
Данный интерферометр формирует на выходе ИП комплексную амплитуду:
Sx вых (x, y) = a S (x, y) + b S (x + ζ, y). (2)
Интенсивность ИП определяется выражением:
I (x, y, t) = |exp i [f (x, y) + arg a(t)] +
+ exp i [f (x+ ζ, y) + arg b(t)]|2 = (3)
= 2{1 + cos [f (x+ ζ, y) – f (x, y) + c(t)]},
где x, y – координаты в выходной плоскости подложки, ζ – величина сдвига вдоль оси ОХ, a и b (2) – комплексные функции, определяемые реальной оптикой, используемой в интерферометре. Для случая динамического режима работы интерферометра a и b являются функциями времени.
Интенсивность ИП определяется выражением:
I (x, y, t) = |[exp i[f (x, y) + arg a(t)] +
+ exp i [f (x+ ζ, y) + arg b(t)]|2 = (4)
= 2{1 + cos [f (x+ ζ, y) – f (x, y) + c(t)]},
где c(t) = arg b(t) – arg а(t).
Если функция c(t) в (3) меняется по линейному закону, то в каждой точке ИП интенсивность изменяется по гармоническому закону с частотой ν = ω/2π.
Разность фаз между сигналами в двух точках ИП (x0, y0) и (x, y) можно записать в виде:
Δφx (x, y; x0, y0) = [f (x+ ζ, y) – f (x, y)] –
– [f (x0 + ζ, y0) – f (x0, y0)]. (5)
Из (5) видно, что функция Δφx (x, y; x0, y0) инвариантна к преобразованию функции f (x, y) вида:
f (x, y) = f (x0, y0) + с (x) + g (y) + d, (6)
где с и d – произвольные постоянные, а g (y) –
произвольная функция.
Рекуррентное выражение (4) можно привести к соотношению для значений функции f (x, y) в ряде точек, расположенных с периодом ζ, вдоль оси ОХ:
(7)
где n = 1, 2….Nx, Nx = , Dx – апертура поля вдоль оси ОХ.
Определим функцию f (x0, y) (5). Для этого осуществим сдвиг волнового фронта вдоль оси OY, то есть перпендикулярно направлению первоначального сдвига. По аналогии с вышеизложенным значения функции f (x0, y) в ряде точек с периодом µ можно записать в виде:
(8)
где m = 1, 2….Ny, Ny = Dy/μ, Dy – апертура поля вдоль оси ОУ.
Из уравнений (7) и (8) можно записать общее выражение для значений функции f (x, y) на сетке точек c периодами ζ и µ: (9)
где С1 = [f (x0 + ζ, y0) – f (x0, y0)] / ζ, С2 = [f (x0 + y0 + µ) – f (x0, y0)] / µ, d = f (x0, y0), а Δφx и Δφy (7) несут информацию о кривизне волнового фронта и измеряются непосредственно в процессе эксперимента. Постоянные С1, С2 и d можно определить только из граничных условий, которые будут задавать опорную плоскость сравнения. При этом наиболее правильным представляется использование граничных условий, при которых имеет место совпадение начальных и конечных полос исследуемого ИП.
Распределение интенсивности ИП можно записать в виде:
(10)
где Ω (x, y, t) = arg a (x, y, t) – arg b (x, y, t), Ω (x, y, t) = Ω (x, y) + c (t), Ω (x, y) – член, описывающий фазовые искажения, вносимые интерферометром.
ОШИБКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИП
При определении фазового распределения ИП возникают систематические и случайные ошибки. Первые обусловлены выбором самого метода, вторые возникают в процессе эксперимента.
Фазовая ошибка ΔΩ предложенного метода связана с ошибками, обусловленными аберрациями используемой оптической системы [2–3]:
(11)
, (12)
где h и n – толщина и показатель преломления соответственно. Если качество оптики таково, что ΔΩ(x)/dx ≤ 1 λ/см, то при dx ≤ 0,1 мм и Δα ≤ 5о то |ΔΩ(x) | max<λ/100.
Можно также оценить величину дисперсии Δn, (9) характеризующую неравномерность распределения полос ИП:
(13)
Так как величины Δφ1k и Δφ2k (10) измеряются и входят одинаково в оба плеча, то они имеют одинаковую дисперсию σn и с учетом среднеквадратической ошибки и по результатам 10 измерений (m = 10) значений разности фаз Δφi между одними и теми же точками мы окончательно получим:
. (14)
Так как в нашем случае S ≤ 2π/300, N = 6, σN/2 ≤ 5,10–3 µm, то суммарная ошибка (11) не превышает величину 3,10–2 µm.
Для оценки качества интерференционного поля введем функцию
(15)
служащую интегральной характеристикой аберраций телескопических систем (ТС) и характеризирующую максимальное отклонение функции распределения полос ИП от идеально равномерного распределения (рис.1).
ЗАПИСЬ ГДР С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА
Выбранные значения коррекций в дальнейшем поддерживаются теми же с помощью постоянного напряжения блока 20 до самой засветки первого участка ГДР. После этого запускают от блока управления и коммутации импульсный источник когерентного излучения 2 синхроимпульсом от блока 19 для засветки регистрирующего слоя.
Длительность светового импульса источника когерентного излучения порядка 10–8 с, что намного меньше, чем длительность засветки, осуществляемой в непрерывном лазере.
Синхроимпульс для запуска импульсного источника когерентного излучения можно сформировать в блоке синхронизации 19 (рис.2), который конструируется по известным принципам. Блок синхронизации содержит дифференцирующую цепь для образования отрицательного импульса по спаду пилообразного импульса. Формирователь положительного запускающего импульса на триггере "Шмидта" содержит схему регулирующей задержки на одном вибраторе, включающую регулятор задержки на переменном сопротивлении, а также содержит дифференцирующую цепочку заднего фронта сигнала от схемы задержки и схему формирования импульса запуска. Поэтому за столь короткое время на картине интерференционного поля, копируемого на синтезируемую решетку, не сказываются никакие внешние и внутренние факторы типа вибраций и деформации механических узлов, и поэтому вводимые до начала засветки коррекции сохраняют с высокой точностью свое значение и во время самой засветки.
Синхроимпульс от генератора переменного напряжения 21 служит "опорным" импульсом для определения положения муаровой полосы в пространстве. Необходимые значения Δφ можно получить с помощью блока коммутации и управления 22, который управляет фотодетектором, сигналы с которого через селективные усилители 23 и 24 подаются на фазометр 25. После этого запускают от блока управления импульсный источник когерентного излучения для засветки решетки. Благодаря короткому времени засветки величины коррекции Δφ сохраняют свою величину.
После засветки можно осуществить перемещение каретки и записать второй участок ГДР. В результате непараллельного перемещения штрихи записанного первого участка изменили свое положение относительно линий интерференционного поля, которые будут копироваться на втором участке. С этой целью вводятся соответствующие коррекции. После ввода коррекций производится засветка второго участка решетки путем очередного запуска импульсного источника когерентного излучения без слежения за коррекциями во время засветки. Цикл повторяется до синтеза решетки необходимой длины.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Аберрации реальных линзовых систем, применяемых в интерферометре, связаны с неточностью их обработки, вызывают несимметричные искажения волновых фронтов и не могут быть устранены правильным их расположением вдоль пучков.
Зейделевские аберрации: кома, дисторсия, астигматизм и кривизна поля зависят от ориентации блока [4] в интерферометре.
Сферические аберрации для идентичных телескопических систем на величину Q не влияют в силу их одинаковости в двух плечах.
Аберрации реальных ТС, связанные с их обработкой, не могут быть устранены.
Использование предложенного метода позволило получить равномерное распределение интерференционных полос ИП не хуже λ/100 и записать голографические решетки, используемые в голографических системах линейных перемещений [5], обладающие высокой точностью и разрешением вплоть до 1 нм.
Предложенное устройство позволяет повысить точность синтезируемой решетки и ее дифракционную эффективность за счет:
- отсутствия необходимости слежения за коррекциями во время засветки в силу малости величины длительности времени засветки;
- отсутствия "мертвого времени", связанного с выключением модуляции перед засветкой и необходимого для принятия зеркалом стационарного положения, за которое коррекции не поддаются контролю и восстановлению;
- отсутствия процесса включения и выключения модуляции со всеми отрицательными последствиями, исходящими из него;
- впервые также были созданы линейные автоматизированные системы особо высокой точности: линейные датчики до 1 м с точностью ±0,3 мкм, а также длиномеры голографические (ДГ) с длинами: 30, 100, 200, с точностями 0,1/0,2/0,3 мкм, с разрешением до 10 нм и выше и со скоростью измерения до 500 мм/с.
ВЫВОДЫ
Предложенный метод пригоден для исследования степени периодичности распределения интерференционных полос голографического 2-лучевого интерферометра.
В результате проведенных исследований, как видно из выше приведенного графика (рис.1) равномерного распределения полос, можно определить фазовое распределение интерференционных полос и отъюстировать интерферометр таким образом, что равномерность их распределения будет не хуже 2 нм на участке в 100 мм.
Поэтому можно сделать вывод, что основные погрешности связаны с неточностью обработки оптических элементов интерферометра.
В случае малых аберраций оптических элементов значение нормированной интенсивности в центре апертуры волнового пучка практически не зависит от природы аберраций и отличается от идеального случая на величину, пропорциональную среднеквадратичной деформации волнового фронта.
Повышенная метрологическая точность ГДР позволит создавать высокопрецизионные датчики на их базе и поднять уровень современных измерительных систем.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Турухано Б.Г., Турухано Н. Голографическая система для измерения линейных перемещений и фазовых сдвигов. Материалы III Всесоюзной школы по голографии Л. ЛИЯФ, 1972. С. 213–233.
Rosenhauer K., Rosenbruch K.J. The measurement of the optical transfer functions of lenses. Rep. Progr. Phys. 1967. V. 30. PP. 1–25.
Schmahl G. and Rudolph D. Progress in Optics. (Amsterdam-London, NortHoll, Publ. Comp. 1976. V. 14. P. 197.
Crane R. Appl. Optics. 1969. V. 8. P. 521.
Турухано Б.Г., Турухано Н. Датчик линейных перемещений. Патент РФ, № 2 197 713. 2003. Пр. 07.08.2000.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
