Optymalizacja konstrukcyjna układu

MECHANIK NR …/201…  …
1696
MECHANIK NR 11/2016
Optymalizacja konstrukcyjna układu interferometryczneOptymalizacja konstrukcyjna układu interferometrycznego
go do pomiaru mikro-odchyleń kątowych.
do pomiaru mikroodchyleń kątowych
of the design
of the interferometer
Optimization of the design ofOptimization
the interferometer
for angular
micro deflecfor angular micro deflection
measurement
tion measurement
MAREK DOBOSZ *
DOI: 10.17814/mechanik.2016.11.497
DOI: 10.17814/mechanik.2016.numer
numer
kolejny
Kilka najnowszych rozwiązań w wydania.
grupie ASD
to interferoPrzedstawiono metodę i interferencyjny czujnik do pomiaru
metry
laserowe
[np.
9,
10].
wzajemnych mikroodchyleń kątowych wiązki laserowej i czujPrzedstawiono
metodę
i interferencyjny
czujnik do
porzystujące
graniczny
kąt odbicia
[np.
7, 8].techniki
Kilka najnowPosiadają
one te same
wady, co
opisane
ODBS
nika. Przeanalizowano
wybrane
konfiguracje układów
optyczmiaru
wzajemnych
wiązki
szych
grupie ASD
interferometry
– czylirozwiązań
zbyt dużew wymiary,
gdytowymagana
jestlaserowe
wysoka
nych. Oceniono
wpływ mikro-odchyleń
błędów wykonania kątowych
elementów optyczlaserowej i czujnika. Przeanalizowano wybrane konfigu[np.
9, 10].
czułość.
nych w wybranym układzie interferometru.
racje układów optycznych. Oceniono wpływ błędów
Posiadają one temetoda
same wady
co wcześniej
ograProponowana
pomiarowa
[11, opisane
12] pozwala
SŁOWA KLUCZOWE:
pomiary
odchyleńwkątowych,
interferowykonania
elementów
optycznych
wybranym
ukłaniczenia
technik
ODBS
– czyli zbyt
duże kątowych
wymiary gdy
wyzbudować
układ
do
pomiaru
odchyleń
wiązki
metr interferometru.
laserowy
dzie
magana jest wysoka czułość.
SŁOWA KLUCZOWE: pomiary odchyleń kątowych, inMethod and the
interference sensor for measuring micro-deterferometr
laserowy
viations of a laser beam in relation to the sensor is presented.
Method
the interference
miSelected and
configurations
of opticalsensor
systemfor
aremeasuring
analyzed. Influcro-deviations
of errors
a laser
beam in
relation to
sensor
ence of fabrication
in optical
components
in the
the selected
is
presented.
Selected configurations of optical system
layout
is presented.
are analyzed. Influence of fabrication errors in optical
KEYWORDS: measurement of the angular deflection, laser incomponents in the selected layout is presented.
terferometer measurement of the angular deflection,
KEYWORDS:
laser interferometer
Jedną z bardziej użytecznych cech wiązki światła laserowego jest fakt, że może się ona propagować na duże
odległości, definiując przy pomocy własnej osi linię prostą.
1.Wstęp
Wymieniona cecha wiązki laserowej wykorzystywana jest
Jedną z bardziej
użytecznych
cech wiązki
światła
lasew olbrzymiej
ilości układów
optycznych
zarówno
w badarowego
jest fakt, że
się ona propagować
na duże
niach naukowych,
jakmoże
i w nowoczesnej
technice. Kluczową
odległości
definiując przy wspomnianej
pomocy własnej
osi linię światła
prostą.
sprawą w wykorzystaniu
właściwości
Wymieniona
cecha
wiązki
laserowej
wykorzystywana
jest w
laserowego jest uzyskanie stabilności i precyzyjna kontrola
olbrzymiej
ilości układów
optycznych zarówno w badaniach
kierunku kątowego
wiązki.
naukowych
i w nowoczesnej
technice.
Detekcjajak
odchylania
kątowego
wiązki Kluczową
laserowej sprawą
zwana
w wykorzystaniu wspomnianej właściwości światła laserojest jako optical-beam deflection sensing (OBDS). Najwyżwego jest uzyskanie stabilności i precyzyjna kontrola kieszą rozdzielczość i dokładność uzyskuje się przy użyciu
runku kątowego wiązki.
tzw.
proflierów
wiązki laserowej
beam
profileres)
[1,
Detekcja
odchylania
kątowego(laser
wiązki
laserowej
zwana
2].
Drugą
grupę
tworzą
układy
w
tzw.
konfiguracji
triangujest jako optical-beam deflection sensing (OBDS). Najwyżlacyjnej
[np. 3–5].i dokładność
Trzeci rodzaj
techniksię
ODBS
jest oparty
szą
rozdzielczość
uzyskuje
przy użyciu
tzw.
na tzw. układzie
[np. 1,profileres)
3, 6].
proflierów
wiązki autokolimacyjnym
laserowej (laser beam
[1, 2].
Znane
techniki
ODBS,
wyjątkami,
pozwalają
uzyDrugą
grupę
tworzą
układypoza
w tzw.
konfiguracji
triangulacyjskać
maksymalną
rozdzielczość
rzędujest
1 μrad.
nej
[np.
3–5]. Trzeci rodzaj
technik ODBS
oparty Jednak
na tzw.
podstawową
wadą większości
czujników
tego rodzaju,
układzie
autokolimacyjnym
[np. 1, 3,
6].
Znane technikiwODBS,
poza wyjątkami
pozwalają
uzyw szczególności
zastosowaniu
do pomiaru
niestabilnoskać
maksymalną rozdzielczość
rzędu 1 μrad.
Jednak
podści przestrzennej
osi wiązki laserowej,
są duże
wymiary
stawową
wadą
większości
czujników
rodzaju
w
gabarytowe
urządzeń
mieszczące
się w tego
granicach
rzędu
szczególności
zastosowaniu
doimpomiaru
od 100 mm do w
1000
mm. Z reguły
większaniestabilności
czułość meprzestrzennej
osi wiązki
laserowej
duże wymiary
tody, tym większe
wymiary
układu są
pomiarowego.
Wgabaryefekcie
towe
urządzeń
się w do
granicach
od
systemy
te mogąmieszczące
być zastosowane
pomiaru rzędu
tej cechy
100mm
1000mm.laboratoryjnych.
Z reguły im większa
czułość
metody
wiązki wdo
warunkach
Z powodu
tego
ogratym większe wymiary układu pomiarowego. W efekcie sysniczenia nie ma możliwości użycia tych metod do systemu
temy te mogą być zastosowane do pomiaru tej cechy wiązki
aktywnej stabilizacji wiązki który byłby wprowadzony do
w warunkach laboratoryjnych. Z powodu tego ograniczenia
konstrukcji
lasera. użycia tych metod do systemu aktywnej
nie
ma możliwości
Możliwość
uniknięcia
tego wprowadzony
ograniczenia dają
tylko niestabilizacji wiązki
który byłby
do konstrukcji
które
ze
znanych
technik
ODBS,
określane
jako
angle
lasera.
sensitive
devices
(ASD).
się one
w tylko
większości
Możliwość
uniknięcia
tegoNadają
ograniczenia
dają
niektórównież
do pomiarów
mikroodchyleń
sytuacji
re
ze znanych
technik ODBS
określanekątowych
jako anglewsensitive
gdy wiązka
lasera
pozostaje
a kątowo
odchyla
devices
(ASD).
Nadają
się onestabilna
w większości
również
do
się zespółmikro-odchyleń
pomiarowy. Większość
tej wiązka
grupie
pomiarów
kątowych rozwiązań
w sytuacji wgdy
lasera
pozostaje
stabilna agraniczny
kątowo odchyla
się zespół
to układy
wykorzystujące
kąt odbicia
[np. 7,po8].
miarowy. Większość rozwiązań w tej grupie to układy wyko-
* Dr hab. inż. prof. PW Marek Dobosz ([email protected]) –
Politechnika Warszawska
laserowej lub zespół do pomiaru odchyleń względem wiązProponowana metoda pomiarowa [11, 12] pozwala zbuki laserowej o rozdzielczości o rząd lub dwa wyższej niż
dować układ do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowiększość stosowanych obecnie metod przy gabarytach
wej lub zespół do pomiaru odchyleń względem wiązki
zespołu pomiarowego
rzędu
kilku
laserowej
o rozdzielczości
o rząd
lubcentymetrów
dwa wyższej sześcienniż obecnych,
eliminując
wady
znanych
rozwiązań.
nie większość stosowanych metod przy gabarytach zespołu
Metoda ta stanowi
podstawę
budowy czujnika
typuwady
ASD
pomiarowego
rzędu kilku
cm sześciennych
eliminując
jednocześnie
należącego do grupy ODBS. Podstawą proznanych
rozwiązań.
ponowanej
jest analiza
okresu
Metoda tametody
stanowipomiarowej
podstawę budowy
czujnika
typu prążASD
ków interferencyjnych
w wybranej
obserwacji
jednocześnie
należącego
do grupypłaszczyźnie
ODBS. Podstawą
promierzonej wiązki.
ponowanej
metody pomiarowej jest analiza okresu prążków
interferencyjnych w wybranej płaszczyźnie obserwacji mierzonej wiązki.
Idea metody pomiarowej
2. Idea metody pomiarowej
Znane są liczne rodzaje interferometrów dwuwiązkowych
do pomiaru
między interferującymi
falami
Znane
są liczneróżnicy
rodzajefaz
interferometrów
dwuwiązkowych
świetlnymi.
We
wszystkich
tego
typu
systemach
odpodo pomiaru różnicy faz między interferującymi falami świetlwiedniWe
element
światłodzielący
rozdzielaodpowiedni
wiązkę lasera
nymi.
wszystkich
tego typu systemach
elena dwie
części, tworzącrozdziela
dwa tzw.wiązkę
ramionalasera
interferometru.
ment
światło-dzielący
na dwie
W tak powstałych
torach interferometru
części
tworząc dwadwóch
tzw. ramiona
interferometru.wzajemnie
W tak pokoherentne
fale torach
świetlne
doznają szeregu
odbić,koherentnajczęwstałych
dwóch
interferometru
wzajemnie
ne
świetlne powierzchni
doznają szeregu
odbić, najczęściej
ściejfale
od płaskich
zwierciadlanych.
Załóżmy od
że
płaskich
powierzchni
zwierciadlanych.
Załóżmy, że
obu
w obu ramionach
interferometru
propagowane
są w
wiązki
ramionach
interferometru
propagowane
są wiązka
wiązki światła
o
światła o płaskim
czole fali.
Załóżmy że
wejściopłaskim
czole fali. Załóżmy
że wiązka
wa interferometru
(czyli padająca
nawejściowa
pierwszy interferoelement
metru
(czyli padająca
na się
pierwszy
element
światłodzielący
odchyla
o niewielki
kątświatłodzielący
dθ. W trakcie
dθ.
odchyla
się
o
niewielki
kąt
W
trakcie
odbiciaodbijającej
wiązki od
odbicia wiązki od dowolnej płaskiej powierzchni
dowolnej
odbijającej
następuje
zmiana
następujepłaskiej
zmianapowierzchni
zwrotu odchylenia
wiązki
wejściowej
na
zwrotu odchylenia wiązki wejściowej na przeciwny co pokaprzeciwny, co pokazano na rys. 1.
zano na rys. 1.
Rys. 1. Zmiana kierunku odchylenia kątowego wiązki pod odbiciu od
Rys.
1. Zmiana kierunku odchylenia kątowego wiązki pod odbiciu
płaskiej powierzchni zwierciadlanej
od płaskiej powierzchni zwierciadlanej
Jeżeli w obu ramionach interferometru występuje taka
Jeżeli
w obu
ramionach
interferometru
występuje
sama
liczba
odbić
lub ogólnie
w obu, parzysta
lub w taka
obu
sama
liczba liczba
odbić odbić,
lub ogólnie
obu parzysta
lub odchyli
w obu
nieparzysta
to gdywwiązka
wejściowa
nieparzysta liczba odbić to gdy wiązka wejściowa odchyli się
się na wejściu układu kątowo, to w jednakowy sposób
na wejściu takiego układu kątowo to w jednakowy sposób
odchylą się wiązki interferujące na wyjściu takiego układu.
odchylą się wiązki interferujące na wyjściu takiego układu.
W efekcie
efekcienie
niezmieni
zmienisięsiękątkąt
interferencji,
nie zmieW
interferencji
czyliczyli
nie zmieni
się
ni
się
okres
prążków
interferencyjnych.
Natomiast
jeżeli
okres prążków interferencyjnych. Natomiast jeżeli w jednym
w jednym torze interferometru występuje parzysta, a w drugim nieparzysta liczba odbić, czyli różnica liczby odbić jest
MECHANIK NR 11/2016
1697
+
nieparzysta, to odchylenie jednej z interferujących na wyjściu
interferometru
będzie
miało aprzeciwny
torze
interferometruwiązek
występuje
parzysta
w drugimzwrot
nieparzysta
liczba odbić
czylizróżnica
liczby odbić
jest nieparzysta
niż
odchylenie
drugiej
interferujących
wiązek.
Zmieni
to kąt
odchylenie
jednej
z interferujących
na wyjściu
interferosię
interferencji
o wartość
kątową 2dθ.
Spowoduje
to
metru okresu
wiązek obserwowanych
będzie miało przeciwny
niż odchylenie
zmianę
prążkówzwrot
interferencyjnych.
drugiej
z interferujących
wiązek. zmiany
W takimokresu
przypadku
zmieni
Na
podstawie
zaobserwowanej
prążków
się kątwyliczyć
interferencji
o wartość
kątową
2dθ. Spowoduje
można
wartość
odchylenia
kątowego
[11], co jestto
zmianę
okresu obserwowanych
prążków
istotą
opracowanej
metody. Zmiana
okresuinterferencyjnych.
prążków może
Na
podstawie
zaobserwowanej
zmiany
okresu
prążków
być zmierzona z wysoką rozdzielczością przy
użyciu
wiemożna wyliczyć wartość odchylenia kątowego [11], co jest
lu typów układów fotodetekcyjnych (można użyć kamerę
istotą opracowanej metody. Zmiana okresu prążków może
CCD z programem do analizy obrazu, układ odpowiednio
być zmierzona z wysoką rozdzielczością przy użyciu wielu
połączonych
fotoelementów,
fotolinijkę).
W rezultacie
możtypów układów
fotodetekcyjnych
(np. można
użyć kamerę
liwy
jest
pomiar
kąta
odchylenia
wiązki
wchodzącej
do
tak
CCD z odpowiednim softwarem do analizy obrazu, układ
skonstruowanego
interferometru.
odpowiednio połączonych
fotoelementów, fotolinijkę). W
Rolę zwierciadeł
ramionach
interferometru
mogą wchopełrezultacie
możliwy w
jest
pomiar kąta
odchylenia wiązki
nić
również
pryzmaty
optyczne
z
powierzchnią
odbijającą
dzącej do tak skonstruowanego interferometru.
lub światłodzielącą
odpowiednio
domogą
kierunku
Rolę zwierciadeł pochyloną
w ramionach
interferometru
pełnić
propagacji
wiązek. optyczne z powierzchnią odbijającą lub
również pryzmaty
światłodzielącą
pochyloną
do kierunku
propaMożna łatwo wykazać,
że odpowiednio
jeżeli w omawianym
interferogacji wiązek.
metrze
interferują wiązki dobrze skolimowane (charakteMożna
wykazać
że jeżeli wwprzybliżeniu
omawianym płaskim
interferoryzujące
sięłatwo
zgodnie
z założeniem
metrze
interferują
wiązki
dobrze
skolimowane
(charakteryczołem fali) to system jest nie czuły na poprzeczne przezujące się zgodnie
założeniemwchodzącej
w przybliżeniu
płaskim
mieszczenia
osi wiązkiz laserowej
do układu.
to system
jest niekilka
czuły
na poprzeczne
przeWczołem
dalszejfali)
części
przedstawimy
możliwych
rozwiązań
mieszczenia
osi
wiązki
laserowej
wchodzącej
do
układu.
konstrukcyjnych układów interferometrycznych realizują-W
dalszej części przedstawimy kilka możliwych rozwiązań
cych
prezentowaną metodę
MECHANIK NR .../20...
dołączono reflektor narożny CC, oraz pryzmat prostokątny
PP.
2b biegnąca
biegnąca w
PP.Wiązka
Wiązkalasera
laseraoznaczona
oznaczona jako
jako S
S na rys. 2b
na kostce
kostceświatłodzielącej
światłodzielącej i
wkierunku
kierunku osi
osi Y, rozdzielona jest na
padawwjednym
jednymramieniu
ramieniuinterferometru
interferometrunananaroże
narożesześciasześciai pada
nuaawwdrugim
drugimnanapryzmat
pryzmatprostokątny.
prostokątny.WWukładzie
układzieprzedprzednu,
stawionym
na
rys.
2a
i
2b
część
odbita
biegnie
do
pryzmatu
stawionym na rys. 2a i 2b część odbita biegnie do pryzmatu
prostokątnego aaprzechodząca
przechodzącado
donaroża
narożasześcianu.
sześcianu.PoPo
prostokątnego,
odbiciu
powraca,
przechodzi
przez polaryzator,
odbiciu
od od
nichnich
powraca,
przechodzi
przez polaryzator,
który
który sprowadza
polaryzacje
obu do
wiązek
do tejpłaszczyzny,
samej płaszsprowadza
polaryzacje
obu wiązek
tej samej
czyzny, łączy się interferując i biegnie do układów fotodełączy
się, interferując, i biegnie do układów fotodetekcyjnych.
tekcyjnych.
a)
b)
konstrukcyjnych układów interferometrycznych realizujących
prezentowaną metodę
Ogólne założenia i wymagania co do układu
optycznego
3. Ogólne założenia i wymagania co do układu optyczUkład optyczny interferometru realizującego zaproponego
nowaną metodę pomiarową powinien spełniać następu- c)
jące Układ
wymagania:
optyczny interferometru realizującego zapropono●●waną
Zmiana
kąta padania
wiązki
na zespół
interferometru
metodę
pomiarową
powinien
spełniać
następujące
musi
powodować zmianę kąta pomiędzy interferującymi
wymagania:
czołami
fal świetlnych
(spełnienie
warunku
kąta padania
wiązki na
zespół nieparzystej
interferometru
• Zmiana
różnicy
w liczbie odbić
w obukąta
ramionach
interferometru);
musi powodować
zmianę
pomiędzy
interferującymi
●●czołami
Układ powinien
być czuły
na przemieszczenia
kątowe
fal świetlnych
(spełnienie
warunku nieparzystej
wiązki
wejściowej
tylkowwobu
jednej
płaszczyźnie.
Przy poróżnicy
w liczbie odbić
ramionach
interferometru);
powinien pracujących
być czuły nadwóch
przemieszczenia
kątowe
mocy
równocześnie
układów możliwe
• Układ
wiązki
wejściowej
tylko w jednej wiązki
płaszczyźnie.
Przywpomocy
jest
wyznaczenie
przemieszczeń
wejściowej
całej
równocześnie pracujących dwóch układów możliwe jest
przestrzeni;
wiązkiinterferującymi
wejściowej wwiązcałej
●●wyznaczenie
Różnica drógprzemieszczeń
optycznych między
przestrzeni;
kami
powinna być jak najmniejsza w szczególności w układróg optycznych
między
interferującymi
• Różnica
dzie
do stabilizacji
kierunku wiązki
laserowej.
Wynikawiązto
kami
powinna
być
jak
najmniejsza
w
szczególności
w poukłaz faktu, że faza prążka interferencyjnego wpływa na
dzie dopunktu
stabilizacji
kierunku
wiązki kątowej
laserowej.
Wynika to z
łożenie
stabilizacji
wartości
wskazywanej
faktu, że faza prążka interferencyjnego wpływa na położenie
przez czujnik;
punktu stabilizacji wartości kątowej wskazywanej przez
●●czujnik;
układ powinien zapewniać małe straty sygnału optycznego
celem użycia go w pętli sprzężenia zwrotnego do
• układ powinien zapewniać małe straty sygnału optycznestabilizacji
wiązki
wyjściowej
go celem kątowej
użycia go
w pętli
sprzężenialasera;
zwrotnego do stabili●●zacji
zespół
interferometru
powinien
zapewniać zwartą komkątowej
wiązki wyjściowej
lasera;
paktową
budowę
tak by jego
sztywność
zapewniała
stabilinterferometru
powinien
zapewniać
zwartą
kom• zespół
ność
kątową
interferujących
wiązek.
paktową
budowę
tak by jego
sztywność zapewniała stabilMożna
skonstruować
wielewiązek.
praktycznych interferencyjność
kątową
interferujących
nychMożna
układów
optycznychwiele
realizujących
postulat
niepaskonstruować
praktycznych
interferencyjnych układów
optycznych
realizujących
rzystej
liczby odbić
w jednym
ramieniu i postulat
parzystejnieparzyliczby
liczbyWodbić
w jednym ramieniu
i parzystej
liczby w
wstej
drugim.
prowadzonych
badaniach
przeanalizowaW prowadzonych
badaniach
przeanalizowano
teonodrugim.
teoretycznie
wiele możliwych
rozwiązań.
W kolejnych
retycznie wiele
możliwych rozwiązań.
W kolejnych
rozdziarozdziałach
przedstawiamy
analizę wybranych
układów
łach przedstawiamy
analizę wybranych układów optycznych
optycznych
interferometru.
Rys. 2. Przykład propozycji zwartego układu interferometru, który może
Rys.
2. Przykład
propozycji
zwartego komercyjnie
układu interferometru,
który
być
zbudowany
przy użyciu
standardowych
dostępnych elemoże optycznych:
być zbudowany
przyukładu
użyciu
standardowych
komercyjnie
mentów
a) schemat
interferometru,
b) schemat
biegu
dostępnych
elementów c)
optycznych.
a) Schemat
układu interferomewiązek
w interferometrze,
widok sklejonego
kompaktowego
zespołu
optycznego
(bez polaryzatora)
tru. b) Schemat
biegu wiązek w interferometrze. c) Widok sklejone-
go kompaktowego zespołu optycznego (bez polaryzatora)
Wiązka odbijana przez pryzmat prostokątny biegnie torem Wiązka
S→A→
I → J →przez
K → pryzmat
L → H →prostokątny
F. Wiązka biegnie
odbijanatoodbijana
rem S
→ A →narożny
I → J →biegnie
K → Ltorem
→H→
F. A
Wiązka
odbijana
przez
pryzmat
S→
→B→
C→
pryzmat
biegniewprowadzoną
torem S → A →
B→C→D
Dprzez
→E→
G → Hnarożny
→ F. Wiązkę
prostopadle
→ E → G
→ H →
F. Wiązkę wprowadzoną
prostopadle
względem
zespołu
przedstawiono
linią ciągłą, natomiast
względem
zespołukątowo
przedstawiono
linią
ciągłą, natomiast
wiązkę
odchyloną
na wejściu
reprezentuje
linia
wiązkę odchyloną
kątowo na wejściu,
reprezentuje
linia
przerywana.
Z przedstawionego
biegu wiązek
wynika, że
przerywana.
Z
przedstawionego
biegu
wiązek
wynika,
że
w ramieniu z pryzmatem prostokątnym PP występują czte- w
pryzmatem
występują
4 odbicia
ryramieniu
odbicia zpodczas
gdyprostokątnym
w ramieniu zPP
narożem
sześcianu
podczas gdy w ramieniu z narożem sześcianu CC. wiązka
CC. wiązka odbija się trzykrotnie.
odbija się 3 krotnie.
Odchylenie kątowe wiązki względem zespołu powoduje
Odchylenie kątowe wiązki względem zespołu powoduje
przemieszczenie
wiązki odbitej
odbitejod
odnaroża
narożaoraz,
oraz,
przemieszczenie liniowe
liniowe wiązki
zazależnie
kierunku zamiany
zamiany kąta
kąta na
leżnie kierunku
na oś
oś XXlub
lubZ,Z,odchylenie
odchylenie
liniowe
odbitejwwpryzmacie
pryzmacieprostokątnym.
prostokątliniowelub
lubkątowe
kątowe wiązki
wiązki odbitej
nym.
Zmiana
wiązki
w kierunku
Z w pryzmacie
Zmiana
kąta kąta
wiązki
w kierunku
osi Z osi
w pryzmacie
prostoprostokątnym
powoduje
zmianę
obserwowanych
kątnym powoduje
zmianę
okresuokresu
obserwowanych
prążków
prążków
interferencyjnych.
Odchylenia
w kierunku
interferencyjnych.
Odchylenia
linowe wlinowe
kierunku
osi Y (pointerferometru.
osi
Y (poprzeczne
do kierunku
nie wywołuje
przeczne
do kierunku
biegu biegu
wiązki)wiązki)
nie wywołuje
efektu
interferencyjnego.
efektu
interferencyjnego.
Zespół interferometryczny z pryzmatem
Zaletą
rozwiązaniajest
jestmożliwość
możliwośćjego
jegoskonstruowania
skonstruowania z
Zaletą
rozwiązania
prostokątnym i narożem sześcianu
4. Zespół interferometryczny z pryzmatem prostokąt- z komercyjnie
komercyjnie dostępnych
dostępnych elementów
elementówoptycznych.
optycznych.Możliwe
Możliwe
nym
i narożem
sześcianu
jesttakie
takiedopasowanie
dopasowaniewysokości
wysokościpryzmatów,
pryzmatówbybyróżnica
różnica
Układ
z pryzmatem
prostokątnym i narożem sześcianu jest
dróg
optycznych
w
interferometrze
była
bliska
zeru.
składa się z kostki światłodzielącej BS (rys. 2a), do której dróg optycznych w interferometrze była bliska zeru.
Układ z pryzmatem prostokątnym i narożem sześcianu
składa się z kostki światłodzielącej BS (rys. 2a) do której
dołączono reflektor narożny CC, oraz pryzmat prostokątny
Z kolei wadą rozwiązania jest fakt, że rozmiar elementu
światłodzielącego musi być co najmniej dwa razy większy
1698
MECHANIK NR 11/2016
MECHANIK NR …/201…  …
kolei wadą
rozwiązania
jest fakt,
że rozmiar
elementu transmitowany
dowej polaryzacji
do płaszczyzny
niżZśrednica
użytej
wiązki laserowej.
Możliwa
jest modyfikaprzezprostopadłej
warstwę światłodzielącą
padarysunku,
następMECHANIK
NR …/201…

światłodzielącego
musiten
być
co najmniej
dwa razy
a transmituje
składową
o polaryzacji
równoległej.
Poniecja
układu
rozwiązująca
problem
a pokazana
na większy
rys. 3.
nie
na płaszczyzny
odbijające
pod kątami
mniejszymi
od …
średnica
użytej
wiązki
laserowej.
Możliwa
modyfika- granicznego,
niżniż
średnica
użytej
wiązki
laserowej.
Możliwa
jestjest
modyfikaważ
promieńpłaszczyzny
transmitowany
przez
warstwę
światłodzielątransmitowany
przez warstwę
światłodzielącą
pada następte muszą
być pokryte
metaliczną
rozwiązująca
problema apokazana
pokazana
narys.
rys.3.3. warstwą
naodbijającą.
płaszczyzny
odbijające
pod
mniejszymi
od
cjacja
układu
rozwiązująca
tenten
problem,
na
cą nie
pada
następnie
na
płaszczyzny
odbijające
pod
kątami
niżukładu
średnica
użytej wiązki
laserowej.
Możliwa
jest
modyfikatransmitowany
przez
warstwę
światłodzielącą
pada
następWiązki
biegnące
wkątami
pryzmacie
prostogranicznego,
tepłaszczyzny
muszą
być
pokryte
metaliczną
cja układu rozwiązująca ten problem a pokazana na rys. 3. kątnym
nie ina
podkątem
kątami
mniejszymi
mniejszymi
od płaszczyzny
granicznego,
te45°
muszą
być
w płaszczyzny
pryzmacie
z odbijające
pojedynczym
biegną
w od
warstwą
odbijającą.
Wiązkiteodbijającą.
biegnące
w Wiązki
pryzmacie
prostogranicznego,
płaszczyzny
muszą być
pokryte
metaliczną
pokryte
metaliczną
warstwą
biegnąkierunku
płaszczyzny
pryzmatu
prostokątnego
prostopadłej
i wodbijającą.
pryzmacie
z pojedynczym
kątem
biegną
w
warstwą
Wiązki
biegnące
w przejściu
pryzmacie
prostoce kątnym
w
pryzmacie
prostokątnym
i w pryzmacie
z45°
pojedyndo
płaszczyzny
wejściowej,
a następnie
po
przez
kierunku
pryzmatu
prostokątnego
prostopadłej
kątnym
wustawiony
pryzmacie
zkierunku
pojedynczym
kątem generując
45°
biegną w
odpowiednio
polaryzator
interferują
czym
kątemipłaszczyzny
45°
biegną w
płaszczyzny
pryzmatu
do
płaszczyzny
wejściowej,
a następnie
po przejściu
przez
kierunku
płaszczyzny
pryzmatu
prostokątnego
prostopadłej
interesujące
nas
prążki
interferencyjne.
Wiązka
odbita
w
prostokątnego
prostopadłej
do
płaszczyzny
wejściowej,
odpowiednio
ustawiony
polaryzator
interferują
generując
do
płaszczyzny
wejściowej,
a
następnie
po
przejściu
przez
pryzmacie
prostokątnym
doznaje
tylko
jednego
odbicia.
a następnie po przejściu przez odpowiednio ustawiony
interesujące
nas
prążki
interferencyjne.
odbita
w
odpowiednio
ustawiony
polaryzator
interferują
generując
Wiązka
transmitowana
wewnątrz
pryzmatu
zWiązka
pojedynczym
polaryzator
interferują,
generując
interesujące
nas prążki
pryzmacie
prostokątnym
doznaje
tylko
jednego
odbicia.w
interesujące
nas
prążki
interferencyjne.
Wiązka
odbita
kątem
45°
doznaje
dwóch
odbić.
Główne
wady
rozwiązania
interferencyjne.
Wiązka odbita
w pryzmacie
prostokątnym
Wiązka
transmitowana
wewnątrz
pryzmatu
z pojedynczym
pryzmacie
prostokątnym
doznaje
tylko kilka
jednego
odbicia.
to
duża
różnica
dróg optycznych
(wWiązka
praktyce
cm) oraz
doznaje
tylko
jednego
odbicia.
transmitowana
kątem
45°
doznaje
dwóch
odbić.
Główne
wady
rozwiązania
Wiązka
transmitowana
wewnątrz
pryzmatu
z
pojedynczym
konieczność
wykonywania
układu w całości
na45°
zamówienie
wewnątrz
pryzmatu
z dwóch
pojedynczym
kątem
doznaje
tokątem
duża 45°
różnica
optycznych
praktyce
kilka
cm) oraz
doznaje
odbić.
Główne
wady
rozwiązania
co podnosi
koszty
wdróg
przypadku
małej(w
liczby
sztuk.
dwóch
odbić.
Główne
wady
rozwiązania
to
duża
różnica
konieczność
wykonywania
układu (w
w całości
nakilka
zamówienie
to duża różnica
dróg optycznych
praktyce
cm) oraz
dróg
optycznych
(w w
praktyce
kilka
cm)
oraz sztuk.
konieczność
co
podnosi koszty
przypadku
małej
konieczność
wykonywania
układu
w liczby
całości
na zamówienie
Rys. 3. Kompaktowy układ zbudowany z pryzmatu prostokątnego i
wykonywania
układu
całości
na małej
zamówienie
colub
podnosi
co podnosi
koszty w
w przypadku
liczby sztuk.
naroża
sześcianu o układ
zmniejszonych
6.
Układ
z wykorzystaniem
siatki
dyfrakcyjnej
pryRys. 3. Kompaktowy
zbudowanygabarytach
z pryzmatu prostokątnego i naroża
koszty Wollastona
w przypadku małej liczby sztuk.
Rys. 3.o Kompaktowy
zbudowany z pryzmatu prostokątnego i zmatu
sześcianu
zmniejszonychukład
gabarytach
naroża
o zmniejszonych
gabarytach
Rys. 3.sześcianu
Kompaktowy
układ zbudowany
z pryzmatu prostokątnego i 6. Układ z wykorzystaniem siatki dyfrakcyjnej lub pryzmatu
Wollastona
naroża
sześcianu
o
zmniejszonych
gabarytach
Układ
z wykorzystaniem
siatkiniedrogie
dyfrakcyjnej
lub lub
6. Układ
wykorzystaniem
siatki
dyfrakcyjnej
W
powyższym
układzie
wiązki
odbite
od pryzmatu
proRysunek
5 zprzedstawia
proste
w realizacji
roz-pryW tym układzie wiązki odbite od pryzmatu
prostokątnezmatu
Wollastona
pryzmatu
Wollastona
stokątnego
oraz
od
pryzmatu
narożnego
kierowane
są
na
wiązanie
z
siatką
dyfrakcyjną.
Światło
rozdzielane
jest
przy
go oraz od pryzmatu narożnego kierowane są na prostoW powyższym
układzie
wiązki odbite
od pryzmatu
proste
niedrogie
w realizacjinarozRysunek
5 przedstawia
prostopadłą
do wejściowej
powierzchnię
kostki
świałodzie-pro- pomocy
siatki (lub
w innej wersji
pryzmatu
wollastona)
padłą
do wejściowej
powierzchnię
kostki
świałodzielącej
Na
rys.
5 przedstawiono
proste
niedrogie
w realizacji
rozstokątnego
oraz
odukładzie
pryzmatu
narożnego
są prona dwie
wiązanie
zenergetyczne
siatką
dyfrakcyjną.
Światło
rozdzielane
jest
przy
W powyższym
wiązki
odbite kierowane
od pryzmatu
Rysunek
5 przedstawia
proste
niedrogie
w realizacji
rozlącej
poprzez
wstawienie
płytek
ćwierćfalowych.
Poprzez
równo
części,
(w
tym
przypadku
rzędy
poprzez
wstawienie
płytek ćwierćfalowych.
Poprzez
dwu- wiązanie
z
siatką
dyfrakcyjną.
Światło
rozdzielane
jest
przy
prostopadłą
do
wejściowej
powierzchnię
kostki
świałodziepomocy
siatki
(lub
w
innej
wersji
pryzmatu
wollastona)
na
stokątnego
oraz
od
pryzmatu
narożnego
kierowane
są
na
wiązanie
z
siatką
dyfrakcyjną.
Światło
rozdzielane
jest
przy
dwukrotne
przejście
przez
te
płytki
polaryzacja
obu
odbitych
dyfrakcyjne
±1)
które
doprowadzane
są
do
interferencji
przy
krotne
przejście
przez
te płytki
polaryzacja
obu odbitych
pomocy
siatki
(lub
w innej
wersji
pryzmatu
na
lącej
poprzezsię
wstawienie
płytek
ćwierćfalowych.
Poprzez pomocy
dwie
równo
energetyczne
części,
(w
tymWollastona)
przypadku
rzędy
prostopadłą
do
wejściowej
powierzchnię
kostki
świałodziepomocy
siatki
(lub
w sklejonych
innej
wersji
pryzmatu
wollastona)
na
wiązek
zmienia
o 90° przez
co wiązka
transmitowana
zespołu
dwóch
pryzmatów
romboidalwiązek
zmienia
sięwstawienie
o 90°,
przez
co wiązka
transmitowana
dwukrotne
przejście
przez
te
płytki
polaryzacja
obu odbitych
dwie
równo
energetyczne
części,
(w tym
przypadku
rzędy
dyfrakcyjne
które doprowadzane
sątym
do interferencji
przy
lącej
płytek
ćwierćfalowych.
Poprzeznych.
dwie
równo
energetyczne
części,
(w
przypadku
rzędy
staje
się poprzez
odbijana
a wiązka
poprzednio
odbita jest
teraz
Jedna
z ±1)
klejonych
powierzchni
pokryta
jest warstwą
staje
się odbijana,
a wiązka
poprzednio
odbitatransmitowana
jest
wiązek
zmienia
się
oprzez
90° przez
copolaryzacja
wiązka
pomocy
zespołu
dwóch
sklejonych
romboidaldwukrotne
przejście
te płytki
obuteraz
odbitychświatłodzielącą,
dyfrakcyjne
±1),±1)
które
doprowadzane
są pryzmatów
do
interferencji
przy-przy
dyfrakcyjne
które
doprowadzane
są
do interferencji
transmitowana.
która
odbija
rząd +1 oraz
transmituje
rząd
transmitowana.
staje
się
odbijana
a
wiązka
poprzednio
odbita
jest teraz 1.Światło
nych.
Jedna
zrzędu
klejonych
powierzchni
pokryta
jestromboidalwarstwą
wiązekrozwiązania
zmienia sięjest
o to,
90°że
przez
co wiązka
transmitowana
pomocy
zespołu
dwóch
sklejonych
pryzmatów
pomocy
zespołu
dwóch
pryzmatów
romboidalZaletą
wymiar
kostki światłodzieugięte
-1sklejonych
(górna
wiązka)
ulega dwukrotneZaletą,
rozwiązania
to, równy
żepoprzednio
wymiar
kostki
światłotransmitowana.
światłodzielącą,
rząd
+1pokryta
oraz
transmituje
rząd staje
odbijana
ajest
wiązka
odbita
jest
nych.
Jedna
z która
klejonych
powierzchni
warstwą
nych.
Jedna
z klejonych
powierzchni
jest jest
warstwą
lącej
możesię
być
w przybliżeniu
średnicy
wiązki
wej-terazmu
odbiciu,
podczas
gdyodbija
wiązka
rzędu
+1pokryta
odbija
się
tylko
Zaletą
rozwiązania
jest to,
wymiar
kostkikoszty
światłodziedzielącej
może
być
w przybliżeniu
równy
średnicy
wiązki
1.Światło
ugięte
rzędu
-1
ulega
transmitowana.
światłodzielącą,
która
odbija
rząd
+1
oraz
transmituje
rząd ściowej.
Wadą
rozwiązania
są że
jego
wyższe
ze
światłodzielącą,
która
odbija
rząd
+1wiązka)
oraz
transmituje
rząd
raz.
Układ charakteryzuje
się(górna
zerową
różnicą
dróg dwukrotneoptyczlącejZaletą
może
być w
przybliżeniu
równy
średnicy
wiązki
wej- nych
podczas
gdy
wiązka
rzędu
+1istotną
odbija
się tylko
wejściowej.
rozwiązania
jego
wyższe
koszty
ze
rozwiązania
jestdwóch
to,są
że
wymiar
kostki
światłodzie1.Światło
ugięte
rzędu
-1
(górna
wiązka)
ulega
dwukrotnewzględu
na Wadą
wprowadzenie
płytek
opóźniających,
coodbiciu,
jakugięte
pokażą
dalsze
badania
stanowi
zaletę.
-1. mu
Światło
rzędu
-1
(górna
wiązka)
ulega
dwukrotneściowej.
rozwiązania
sąpryzmatów
jego średnicy
wyższe
koszty
ze Wadą
Układ
charakteryzuje
się
zerową
różnicą
dróg
optyczlącej
może
byćby
w krawędzie
przybliżeniu
równy
wiązki wejmu
odbiciu,
podczas
gdy
wiązka
rzędu
+1 wiązki
odbija
się
względu
na Wadą
wprowadzenie
dwóch
płytek
opóźniających,
oraz
wymagania
odbijających
tego
rozwiązania
duże
straty
mocy
wej-tylko
muraz.
odbiciu,
podczas
gdysą
wiązka
rzędu
+1
odbija
się tylko
względu
na
wprowadzenie
dwóch
płytek
opóźniających,
nych
co
jak
pokażą
dalsze
badania
stanowi
istotną
zaletę.
ściowej.
Wadą
rozwiązania
są
jego
wyższe
koszty ześciowej
raz.
Układ
charakteryzuje
się
zerową
różnicą
dróg
optyczoraz
wymagania,
by
krawędzie
pryzmatów
odbijających
światło
były bardzo
ostre
celem uniknięcia
zakłóceń
dyfrakprzy
ugięciu
na
siatce
dyfrakcyjnej.
Można
je
raz. Układ charakteryzuje się zerową różnicą dróg optyczoraz
wymagania
by
krawędzie
pryzmatów
odbijających
Wadą
tego
rozwiązania
są
duże
straty
mocy
wiązki
wejwzględu
na
wprowadzenie
dwóch
płytek
opóźniających,
nych
co
jak
pokażą
dalsze
badania
stanowi
istotną
zaletę.
światło na
były
bardzo ostre celem uniknięcia zakłóceń dy- zmniejszyć
cyjnych
wyjściu.
zastosowanie
siatki stanowi
odbiciowej
lub usunąć
nych, co jakprzez
pokażą
dalsze badania,
istotną
zaletę.
światło
były
ostrekrawędzie
celem uniknięcia
zakłóceń
dyfrak- zastępując
ściowej
przy rozwiązania
ugięciu
na sąsiatce
Można
je
oraz wymagania
pryzmatów
odbijających
Wadą tego
duże dyfrakcyjnej.
stratyWallastona.
mocy wiązki
wejsiatkę
dyfrakcyjna
pryzmatem
W
frakcyjnych
na bardzo
wyjściu.by
Wadą
tego rozwiązania
są duże straty
mocy
wiązki lub
wejściocyjnych
wyjściu.
zmniejszyć
przez
zastosowanie
siatki
odbiciowej
usunąćje
światło na
były
bardzo ostre celem uniknięcia zakłóceń dyfrak-drugim
ściowej
przy
ugięciu
najednak
siatce
dyfrakcyjnej.
Można
przypadku
podnosi
to
istotnie
koszty
budowy
wejzastępując
przy ugięciu na siatce
dyfrakcyjnej.
Można jeWallastona.
zmniejszyć W
dyfrakcyjna
pryzmatem
cyjnych
na wyjściu.
zmniejszyć siatkę
przez zastosowanie
siatki odbiciowej
lub usunąć
Układ
interferometru
przez
zastosowanie
siatki
odbiciowej
lub
usunąć,
zastępując
5.
Układ
interferometruzzpryzmatem
pryzmatem w
w konfiguracji
konfiguracji pena)
b)
drugim
przypadku
podnosi
to
jednak
istotnie
koszty
budowyW
zastępując
siatkę
dyfrakcyjna
pryzmatem
Wallastona.
pentagonalnej
siatkę
dyfrakcyjną
pryzmatem
Wallastona.
W drugim
przytagonalnej
drugim
przypadku
podnosi
to
jednak
istotnie
koszty
budowy
5. Układ interferometru z pryzmatem w konfiguracji pen- padkua)podnosi to jednak istotnie koszty
b) budowy
Ideę
kolejnego
układu
przedstawiono
na
rys.
4.
tagonalnej
5. Układ
interferometru
z pryzmatem
w konfiguracji
pena)
b)
Ideę
kolejnego
układu przedstawiono
na rys.
4.
a) tagonalnej
a)
b)
Ideę kolejnego układu przedstawiono na rys. 4.
Ideę kolejnego układu przedstawiono na rys. 4.
MECHANIK NR …/201…  …
b)
Rys. 5. a) schemat ideowy układu z wykorzystaniem siatki dyfrakcyjnej, b) zdjęcie wykonanego i testowanego pryzmatu
5. a) schemat
ideowyz układu
z wykorzystaniem
siatki dyfrakRys.Rys.
5. Schemat
ideowy układu
wykorzystaniem
siatki dyfrakcyjnej
(a).
cyjnej,
b) a)
zdjęcie
i testowanego
Rys.
5.
schemat
ideowy układu
z wykorzystaniem
Zdjęcie
wykonanego
i wykonanego
testowanego
pryzmatu
(b) pryzmatu siatki dyfrakcyjnej, układu
b) zdjęciedocelowego
wykonanego i testowanego pryzmatu
7. Wybór
Wybór układu docelowego
7. Wybór układu
docelowego
Wcześniej
przedstawione
konfiguracje układów interfe-
Wcześniej
przedstawione
konfiguracje
układów
interfe7. Wybór układu
docelowego
rometrycznych
jak również
wiele
innych tutaj
nie prezentoWcześniej
przedstawione
konfiguracje
interferometrycznych,
jak
również wiele
innych tutaj układów
nie prezentowanych
poddano
analizom
teoretyczno-doświadczalnym.
rometrycznych
jak
wiele
innych tutaj
nie prezentoWcześniej
konfiguracje
układów
interfewanych,
poddano
analizom
teoretyczno-doświadczalnym.
Doprowadziły
oneprzedstawione
dorównież
wyboru
ostatecznego
rozwiązania
wanych
poddano
analizom
teoretyczno-doświadczalnym.
rometrycznych
jak
również
wiele
innych
tutaj
nie
prezentoDoprowadziły
one
do
wyboru
ostatecznego
rozwiązania
przeznaczonego
zarówno
do
budowy
czujnika
odchyleń
Rys. 4. Idea budowy pryzmatu w konfiguracji pentagonalnej (a). Widok
Doprowadziły
one
do
wyboru
ostatecznego
rozwiązania
Rys.
4. a) idea
budowy
pryzmatu w(b)konfiguracji pentagonalnej, b)
wanych
analizom
teoretyczno-doświadczalnym.
kątowych
jak poddano
i systemu
stabilizacji
kierunku
osi wiązki
laseprzeznaczonego
zarówno
do budowy
czujnika
odchyleń
testowanego
zespołu
monolitycznego
widok testowanego zespołu monolitycznego
przeznaczonego
zarówno
do
budowy
czujnika
odchyleń
Doprowadziły
one
do
wyboru
ostatecznego
rozwiązania
rowej.
Wybrano
układ
z narożem
sześcianu
i pryzmatem
kątowych,
jak
i
systemu
stabilizacji
kierunku
osi
wiązki
Rys. 4. a) idea budowy pryzmatu w konfiguracji pentagonalnej, b)
kątowych
jakOi wyborze
systemu
stabilizacji
kierunku
osii wiązki
laseprzeznaczonego
zarówno
do budowy
czujnika
odchyleń
zadecydowały
następujące
jego
laserowej.
Wybrano
układ
z narożem
sześcianu
pryzmaZespół
interferometru
przedstawiony
na rys.4a4askłada
skła- b)prostokątnym.
widok
zespołu
monolitycznego
Rys. testowanego
4. interferometru
a) idea budowy
pryzmatu
w konfiguracji
Zespół
przedstawiony
na rys.pentagonalnej,
rowej.
Wybrano
układ z stabilizacji
narożem sześcianu
i pryzmatem
kątowych
jak i systemu
kierunkunastępujące
osi
wiązki lasecechy:
tem
prostokątnym.
O
wyborze
zadecydowały
da
się
z
pryzmatu
prostokątnego
oraz
pryzmatu
z
pojetestowanego
zespołu monolitycznego
się zwidok
pryzmatu
prostokątnego
oraz pryzmatu z pojedynczym
prostokątnym.
wyborze
zadecydowały
następujące
jego
rowej. Wybrano
układ stopniu
z narożem
sześcianu
i pryzmatem
wykorzystanie
wOdużym
komercyjnych
elementów
cechy:
dynczym
45°,
które tworząc
są sklejone,
tworząc
Zespół
interferometru
przedstawiony
napentagonalny.
rys. pryzmat
4a składa •jego
kątem
45°,kątem
które
są
sklejone
pryzmat
cechy:
prostokątnym.
O wyborze
zadecydowały następujące jego
optycznych
co
istotnie
obniża
cenę;
się zZespół
pryzmatu
prostokątnego
orazpryzmatami
pryzmatu
zrys.
pojedynczym
w dużym
stopniu
komercyjnych
elemenpentagonalny.
Między
sklejonymi
znajduje
interferometru
przedstawiony
4a
składa●● wykorzystanie
Między
sklejonymi
pryzmatami
znajduje
się na
warstwa
świawykorzystanie
woptycznych
dużym
stopniu
komercyjnych
elementów
•cechy:
mała
różnica dróg
(<50
•tów
µm);
45°,
któreprostokątnego
są sklejone
tworząc
pryzmat
optycznych
co
istotnie
obniża
cenę;
siękątem
warstwa
światłodzieląca
(dlapentagonalny.
się z pryzmatu
oraz pryzmatu
zuniknięcia
pojedynczym
tłodzieląca
polaryzacyjna
(dlapolaryzacyjna
uniknięcia
wielokrotnych
odoptycznych
co
istotnie
obniża
cenę;
wykorzystanie
w
dużym
stopniu
komercyjnych
elementów
•
niewrażliwość
układu
na
przemieszczenia
kątowe
w
Między
sklejonymi
pryzmatami
znajduje
sięDo
warstwa
świa- •●● mała różnica dróg optycznych (<50 mm);
kątem
które
są
sklejone
tworząc
pryzmat
pentagonalny.
wielokrotnych
wiązki
w
z kątem
45°).
Do
bić
wiązki45°,
w odbić
pryzmacie
z pryzmacie
kątem
45°).
zespołu
mała różnica
dróg optycznych
(<50 µm);co upraszcza
•optycznych
co istotnie
obniża
cenę;
płaszczyźnie
nieczułości
interferometru
tłodzieląca
polaryzacyjna
(dla
uniknięcia
wielokrotnych
od- ●● niewrażliwość układu na przemieszczenia kątowe
Między
sklejonymi
pryzmatami
znajduje
się pod
warstwa
świazespołu
wprowadzana
jest
wiązka
o polaryzacji
liniowej
wprowadzana
jest wiązka
o polaryzacji
liniowej
kątem
układu
na przemieszczenia
kątowe w
mała
różnica adiustacji;
dróg
optycznych
(<50 µm);
•• niewrażliwość
procedurę
w
z interferencji
kątem
45°).
Do
zespołu
tłodzieląca
(dla
uniknięcia
wielokrotnych
od-znacznie
w płaszczyźnie
nieczułości
interferometru,
cocoupraszcza
podbić
kątem
45°polaryzacyjna
do pryzmacie
płaszczyzny
(płaszczyzny
45°
do wiązki
płaszczyzny
interferencji
(płaszczyzny
rysunku).
płaszczyźnie
nieczułości
interferometru
upraszcza
niewrażliwość
układu
na
przemieszczenia
kątowe w
•
możliwość
sklejenia
zespołu
w
stosunkowo
prostym
•
wprowadzana
wiązka
o polaryzacji
liniowej
pod
kątem znacznie procedurę adiustacji;
bić wiązki
wjestpryzmacie
z kątem
45°).
zespołu
Warstwa
światłodzieląca
odbija
wiązkę
o składowej
polaryrysunku).
Warstwa
światłodzieląca
odbija
wiązkęDo
o
skłaznacznie
procedurę
adiustacji;interferometru co upraszcza
płaszczyźnie
nieczułości
45°
do płaszczyzny
interferencji
(płaszczyzny
rysunku).
wprowadzana
jest
wiązka
o polaryzacji
liniowej
pod
kątemopracowanym w tym celu stanowisku;
zacji
prostopadłej
do płaszczyzny
rysunku,
a transmituje
możliwość
sklejenia
zespołu w stosunkowo prostym
•znacznie
procedurę
adiustacji;
Warstwa
światłodzieląca
odbija
wiązkę
o
składowej
polary45°
do
płaszczyzny
interferencji
(płaszczyzny
rysunku).
składową o polaryzacji równoległej. Ponieważ promień
opracowanym
wsklejenia
tym celu stanowisku;
możliwość
zespołu w stosunkowo prostym
•
zacji
prostopadłej
do płaszczyzny
rysunku,
a transmituje
Warstwa
światłodzieląca
odbija wiązkę
o składowej
polaryopracowanym w tym celu stanowisku;
składową
o polaryzacji
równoległej.rysunku,
Ponieważ
promień
zacji prostopadłej
do płaszczyzny
a transmituje
składową o polaryzacji równoległej. Ponieważ promień
MECHANIK NR 11/2016
1699
●● możliwość sklejenia zespołu w stosunkowo prostym prostopadłej jak to pokazano na rys. 7. Łatwo zauważyć,
+
NR .../20...
że odchylenie wiązki o kąt η generuje teMECHANIK
same zjawiska,
co
opracowanym
w tym celu stanowisku;
●● nieistotny wpływ większych gabarytów układu w porów- odchylenie wiązki o kąt κ spowodowanej błędem wykonania
+
MECHANIK NR .../20...
wpływ większych
gabarytów
układu wco
porów• nieistotny
naniu
np. z układem
w konfiguracji
pentagonalnej
wy- kąta prostego pryzmatu prostokątnego
Z
naniu
z układem
w konfiguracji
pentagonalnej
co wynika
nika
z np.
faktu,
że o gabarytach
czujnika
będą decydowały
z faktu,wszystkim
żewpływ
o gabarytach
czujnika
decydowały
przede
nieistotny
większych
gabarytów
układu
w porów• przede
dużo większe
odbędą
optyki
rozmiary
układu
wszystkim
dużo większe
od optyki
rozmiary układu
elektroZ
naniu
np. z układem
w konfiguracji
pentagonalnej
co wynika
elektronicznego.
nicznego.
z faktu,
że o gabarytach czujnika będą decydowały przede
Y
wszystkim
dużo większe odwykonania
optyki rozmiary
układu elektroWpływ niedokładności
elementów
nicznego.
wybranego
układu
Y
6. Wpływ niedokładności wykonania elementów wybranego układu
η
W układzie interferometrycznym z pryzmatem narożnym
6. Wpływ niedokładności wykonania elementów wybraiW
pryzmatem
prostokątnym błąd wykonania
kątanarożnym
prostego i
układzie interferometrycznym
z pryzmatem
nego
układu
X’out
η
prymatu
prostokątnego
spowoduje
zakłócające
odchylenie
X
pryzmatem
prostokątnym
błąd wykonania
kąta
prostego
Xin Xout
wiązki
laserowej w
ramieniu
pomiarowym
interferoprymatu
prostokątnego
spowoduje
zakłócające
odchylenie
Wkątowe
układzie
interferometrycznym
z pryzmatem
narożnym
i
X’out
metru.
Na
rys.
6
przedstawiono
biegi
promieni
wychodząkątowe
wiązki
laserowej
w
ramieniu
pomiarowym
interferoX
pryzmatem prostokątnym błąd wykonania kąta prostego
Rys. 7. Biegi promieni Xin
wychodzących
z układu interferometru z
cych
z prostokątnego
układu
interferometru
z pryzmatem
prostokątnym
Xout
metru.
Rysunek
6 przedstawiono
biegi promieni
wychodząprymatu
spowoduje
zakłócające
odchylenie
pryzmatem prostokątnym i narożnym
i
narożnym.
Rys.
7.
Biegi
promieni
wychodzących
z
układu
interferometru z pryzmatem
cych wiązki
z układu
interferometru
z pryzmatem
prostokątnym
kątowe
laserowej
w ramieniu
pomiarowym
interfero- i
Rys.
7. Biegi promieni
prostokątnym
i narożnymwychodzących z układu interferometru z
narożnym.
metru.
Rysunek 6 przedstawiono biegi promieni wychodząPodsumowanie
pryzmatem
prostokątnym i narożnym
cych z układu interferometru z pryzmatem prostokątnym i
Podsumowanie
narożnym.
W artykule przedstawiono nową metodę pomiaru mikroPodsumowanie
odchyleń
wiązki
laserowej i układu
wiązki laseroW artykule
przedstawiono
nowąwzględem
metodę pomiaru
miwej.artykule
Zaprezentowano
i przeanalizowano
pod
katem
metroW
przedstawiono
nowąi układu
metodę względem
pomiaru
mikrokroodchyleń
wiązki laserowej
wiązki
logiczno-użytkowym
wybrane
konfiguracje
układów
odchyleń
wiązki
laserowej4 i układu
względem
wiązki
laserolaserowej.
Zaprezentowano
i przeanalizowano
pod
kątem
optycznych.
Wybrano
zespół
z
pryzmatem
narożnym
i prowej.
Zaprezentowano
i
przeanalizowano
pod
katem
metrometrologiczno-użytkowym cztery wybrane konfiguracje
stokątnym
jako
najlepiej
spełniający
postawione
wymagalogiczno-użytkowym
4
wybrane
konfiguracje
układów
układów optycznych. Wybrano zespół z pryzmatem nania. Oceniono
w tym
układzie
wpływ błędów
wykonania
optycznych.
Wybrano
zespół
z pryzmatem
narożnym
i postaprorożnym i prostokątnym
jako
najlepiej spełniający
głównychjako
elementów
optycznych
stwierdzając
że błędy te
stokątnym
najlepiej
spełniający
postawione
wymagawione
wymagania.
Oceniono
w
tym
układzie
wpływ
błędów
obrót
analizowanych
prążków
nia.wprowadzają
Oceniono w zakłócajmy
tym układzie
wpływ
błędów wykonania
wykonania
głównych elementów optycznych, stwierdzając,
interferencyjnych
głównych
elementów optycznych stwierdzając że błędy te
że błędy te wprowadzają zakłócajmy obrót analizowanych
wprowadzają zakłócajmy obrót analizowanych prążków
prążków
interferencyjnych
Praca została
wykonana w ramach projektu NCBiR nr
interferencyjnych
PBS3/A6/21/2015 oraz w części w ramach prac statutowych.
Praca
została
wykonana
w ramach
projektu
NCBiR
Praca
została
wykonana
w ramach
projektu
NCBiR
nr
LITERATURA oraz w części
PBS3/A6/21/2015
statutowych.
nr PBS3/A6/21/2015
oraz wwramach
częściprac
w ramach
prac sta-
tutowych.
Rys. 6. Biegi promieni wychodzących z układu interferometru z pryzmatem
1.http://www.photonicsonline.com/article.mvc/Measuring-LaserRys. 6. Biegi promieni wychodzących z układu interferometru z LITERATURA
prostokątnym i narożnym
Position-Pointing-Stability-0002Measuring Laser Position &
pryzmatem prostokątnym i narożnym
LITERATURA
Pointing Stability - Application Note", Photon Inc. Precision Beam
1.http://www.photonicsonline.com/article.mvc/Measuring-LaserRys. 6. Biegi promieni wychodzących z układu interferometru z
Profiling, Photonics Online, 2009;
Załóżmy
że wiązkai narożnym
powracająca od pryzmatu narożnego
Position-Pointing-Stability-0002Measuring
Laser Position &
1.http://www.photonicsonline.com/article.mvc/Measuring-Laser-Position
pryzmatem
prostokątnym
2. -Pointing-Stability-0002Measuring,
http://www.ophiropt.com/laser-measurement
instruments/beamZałóżmywzdłuż
że wiązka
pryzmatu
narożnego
Pointing
Stability - Application Note",“Laser
Photon
Inc. Precision
biegnie
osi X, powracająca
przechodząc od
przez
punkt P1.
ZałóżPosition
& PointingBeam
Stability
biegnie
wzdłuż osi
przechodząc
punkt P1. idealnie
Załóżmy Profiling,
–profilers/products/slit-based-profilers/nanoscan
Application
Note”,
Photon
Inc. Precision Beam Profiling, Photonics
Photonics
Online,
2009;
my
na wstępie,
żeXoba
pryzmaty przez
są wykonane
3.
Putman
C.
A.
J.,
De
Grooth
B.
G.,
van
de
Hulst,
N.
F.
and
Greve,
na wstępie,
że obapowracająca
pryzmaty są wykonany
idealnie
i płaszOnline, 2009.
instruments/beamZałóżmy
że wiązka
pryzmatu
narożnego
i płaszczyzna
XY jest teoretycznąod
płaszczyzną
interferencji. 2. http://www.ophiropt.com/laser-measurement
J. “A detailed analysis of the optical beam
deflection technique
2.http://www.ophiropt.com/laser-measurement
instruments/beam-proficzyzna
XY
jest
teoretyczną
płaszczyzną
interferencji.
Kraprofilers/products/slit-based-profilers/nanoscan
biegnie
wzdłuż
osi X przechodząc
przez
punkt P1.
Krawędź
pryzmatu
prostokątnego
równoległa
jestZałóżmy
doosiosiY,Y,a 3. Putman
for use
in J.,
atomic
force microscopy,”
vol.72,
(1992)
lers/products/slit-based-profilers/nanoscan.
C. A.
De Grooth
B. G., van de Appl.
Hulst,Phys.
N. F. and
Greve,
pryzmatu
równoległa
jest doi płaszna wędź
wstępie,
że oba prostokątnego
pryzmaty są wykonany
idealnie
pp.detailed
6–12.
awięc
więcukład
układjest
jestczuły
czułyna
naobroty
obrotyzespołu
zespołuwokół
wokółosi
osiZ.Z.Obrót
Ob3.Putman
C.A.J.,
De Grooth
B.G.,
van debeam
Hulst N.F.,
Greve technique
J. “A detailed
J.
“A
analysis
of
the
optical
deflection
czyzna XY jest teoretyczną płaszczyzną interferencji. Kra4. analysis
Meyer
Amer
N.beam
M., deflection
"Optical beam
deflection
force
of the
optical
technique
for use
inatomic
atomic
force
rót
wiązki
wejściowej
zespołuookąt
kąt θ spowoduje
obrót
for
use in G.,
atomic
force
microscopy,”
Appl. Phys.
vol.72,
(1992)
spowoduje
wiązki
wejściowej
lublubzespołu
wędź
pryzmatu
prostokątnego
równoległaθjest
do osi Y, obrót
a
microscopy:
The
NaCl(001)
surface;
Appl.
Phys.
Lett.
vol.56,
pp.
microscopy”.
Appl.
Phys.
Vol.
72
(1992):
pp.
6–12.
pp. 6–12.
wiązki
odbitej
od
prostokątnego
samej
2100-2101,
wiązki
odbitej
odpryzmatu
pryzmatu
prostokątnego
wokół
tej
samej 4. Meyer
więc
układ
jest czuły
na obroty
zespołu wokółwokół
osi Z.tej
Obrót
4.Meyer
G.,Amer
Amer N.
N.M.
“Optical
beam
deflection
atomicatomic
force microscoG.,
M.,
"Optical
beam
deflection
force
osi
kąt
tak lub
żeże
będzie
przechodziła
przez
punkt
5. py:
Levesque
M., NaCl(001)
Mailloux
A.,
Morin
M.,
Galarneau
P.,
Champagne
obrót
wiązki
zespołu
o kąt
The NaCl(001)
surface”.
Appl.
Phys.
Lett.
Vol. 56,
pp.
2100–2101.
θ spowoduje
będzieona
ona
przechodziła
przez
punkt microscopy:
osi oowejściowej
kąt2θ,
2θ , tak
The
surface;
Appl.
Phys.
Lett.
vol.56,
pp.
P2.
Kierunek
wiązki
odbitej
od
pryzmatu
narożnego
mimo
Y.,
Plomteux
O.,
and
Tiedtke,
M.
"
Laser
pointing
stability
meas5.Levesque
M.,
Mailloux
A.,
Morin
M.,
Galarneau
P.,
Champagne
Y.,
2100-2101,
wiązki odbitej od pryzmatu prostokątnego wokół tej samej
P2. obrotu
Kierunek
wiązki
odbitej od
pryzmatu narożnego
mimo
urements
" Mailloux
Proc.
SPIE
Vol
2870,
(1996):
pp.measurements”.
216-224,
nadal
pozostanie
niezmieniony,
tzn.
będzie
się 5. Levesque
Plomteux
O.,
Tiedtke
M.
“Laser
pointing
stability
Proc.
M.,
A.,
Morin
M.,
Galarneau
P.,
Champagne
,
tak
że
będzie
ona
przechodziła
przez
punkt
osijego
o
kąt
2θ nadal pozostanie niezmieniony tzn. będzie się 6. SPIE.
equipment
Test methods
for laser
jego obrotu
Vol.and
2870
(1996):
pp. 216–224.
pokrywał
z osią X.
Y., "Lasers
Plomteux
O.,laser-related
and
Tiedtke,
M. " Laser —
pointing
stability measbeam "parameters
— 2870,
Beam
positional
stability",forInternational
6.“Lasers
and
laser-related
equipment
– Test
methods
laser beam
z
osią
X.
P2.pokrywał
Kierunek
wiązki
odbitej
od
pryzmatu
narożnego
mimo
urements
Proc.
SPIE
Vol
(1996):
pp.
216-224,
W przypadku błędu wykonania pryzmatu prostokątnego
Standard
11670,
2003.04.01.
parameters
– Beam
positional
stability”,
International
Standard
ISO
W obrotu
przypadku
błędu
wykonania
pryzmatu
6. "Lasers
and ISO
laser-related
equipment
— Test
methods
for laser
jego
pozostanie
niezmieniony
tzn. prostokątnego
będzie
się
(kąta
90°) nadal
wiązka
odbita
dozna
dodatkowego
przemiesz7. 11670,
Villatoro
J. and García
-Valenzuela
A. "stability",
Measuring
optical power
2003.04.01.
parameters
— Beam
positional
International
(kąta 90°)
wiązka
odbita dozna dodatkowego przemiesz- beam
pokrywał
z
osią
X.
czenia o kąt κ do pozycji P2’. Po odchyleniu pryzmatu,
transmission
near 2003.04.01.
the criticalA.angle
for sensing
7.Villatoro
J., García-Valenzuela
“Measuring
opticalbeam
powerdeflection"
transmisISO
11670,
do pozycji
P2'. Po
odchyleniu
pryzmatu jak Standard
czenia
o kąt błędu
κ płaszczyznę
Wjak
przypadku
wykonania
pryzmatu
prostokątnego
Appl.
Opt.
vol.37
No.
28,
(1998)
pp.
6649–6653.
sion
near
the
critical
angle
for
sensing
beam
deflection”.
Appl.
Opt.
na
rysunku,
interferencji
definiują
punkty
7.
Villatoro
J.
and
García
-Valenzuela
A.
"
Measuring
optical
power
na
rysunku
płaszczyznę
interferencji
definiują
punkty
0-P1(kąta 90°) wiązka odbita dozna dodatkowego przemiesz8. Vol.
García-Valenzuela
A.,
G.beam
E. and
Sánchez37, No.near
28 (1998):
pp.Sandoval-Romero
6649–6653.
0-P1-P2’.
Dla
zerowego
odchylenia
pryzmatu
prostokątnetransmission
the
critical
angle
for
sensing
deflection"
P2'. oDla
odchylenia
pryzmatu pryzmatu
prostokątnego
do pozycji
P2'. Po odchyleniu
jak
czenia
kąt κzerowego
Pérez
"High-resolution
optical
angle sensors:
approaching C.
the
8.García-Valenzuela
A., (1998)
Sandoval-Romero
G.E., Sánchez-Pérez
Appl.
Opt.C.
vol.37
No. 28,
pp. 6649–6653.
go płaszczyzną
interferencji
płaszczyzna
XZ,
a prążki
interferencji
jestjest
płaszczyzna
a prążki
diffraction limit tooptical
the Sandoval-Romero
sensitivity"
Appl. approaching
Opt.
vol.43,
No.22,
(2004):
“High-resolution
angle sensors:
the
diffraction
na płaszczyzną
rysunku płaszczyznę
interferencji
definiują XZ
punkty
0-P1- są 8. García-Valenzuela
A.,
G.
E.
and
Sánchezsą
wtedy
równoległe
do
W
pozostałych
przypadlimit
to the sensitivity”.
Appl. Opt.
Vol. 43, No. 22 (2004): pp. 4311–4321
4311-4321,
and references
therein
wtedy
do
osiosi
Y. Y.
Wpryzmatu
pozostałych
przypadkach
P2'.
Dla równoległe
zerowego
odchylenia
prostokątnego
Pérez
C.
"High-resolution
optical
angle sensors: approaching the
kach
płaszczyzna
interferencji
zostaje
odchylona
o kąt
γ
references therein.
9. and
García-Valenzuela
A., Pen˜a-Gomar
M.,vol.43,
and Villatoro
J., “Sensipłaszczyzna
interferencji
odchylona
kąt
γ od
płaszczyzną
interferencji
jest zostaje
płaszczyzna
XZ a o
prążki
są
diffraction
limit to the sensitivity"
Appl. Opt.
No.22, (2004):
9.García-Valenzuela
A.,
Peña-Gomar
M., Villatoro
J. “Sensitivity
tivity
analysis
of
angle
sensitive
detectors
based
on a filmanalyresood
płaszczyzny
teoretycznej
(P1-P2-0)
co
generuje
obrót
4311-4321,
and
references
therein
wtedy
równoległe
do osi Y.(P1-P2-0)
W pozostałych
przypadkach
płaszczyzny
teoretycznej
co generuje
obrót prążsis
of angle
sensitive
detectors
based
on1084–1092,
a film resonator”.
Opt. Eng.
nator,”
Opt.
Eng.
Vol.42,
(2003):
pp.
and
references
prążków.
wynika
z rys.
6γ kąt
γ zależy
odoθkąta
9. García-Valenzuela A., Pen˜a-Gomar M., and Villatoro J., “Sensipłaszczyzna
interferencji
zostaje
odchylona
kąt
ków. Jak Jak
wynika
z rys.6
kąt
zależy
od kąta
. θ.γ od
Vol. 42
(2003): pp. 1084–1092 and references therein.
therein.
tivity
analysis of angle sensitive detectors based on a film resoNiedokładność
wykonania
kątówco90°
pryzmatu
narożnego
J., J.,
Thomas
P., Zhu X.D.
pointing
stabilitypointing
measuredstability
by an
10. Gray
Thomas
and“Laser
Zhu
X. D. "Laser
płaszczyzny
teoretycznej
(P1-P2-0)
generuje
obrót
prążNiedokładność wykonania kątów 90° pryzmatu narożnego 10.Gray
nator,”
Opt.
Eng.
Vol.42,P.,(2003):
pp. 1084–1092,
and references
powoduje,
że wiązka
nie od
jestkąta
równoległa
do wiązki
oblique-incidence
transmittance difference
technique”. Review
measured by anoptical
oblique-incidence
optical transmittance
differków.
Jak wynika
rys.6wyjściowa
kąt
γ zależy
θ.
powoduje,
że związka
wyjściowa
nie jest
równoległa
do wiąz- therein.
of
Scientific
Instruments.
Vol.of72,
No. 9 (2001):
pp. 3714–3717.
wchodzącej do pryzmatu. Możemy mieć do czynienia z dwo- 10. Gray
ence
Review
Scientific
Instruments.
vol.72,
No.9,
J.,technique,"
Thomas
P.,
and
Zhu
X.
D.
"Laser
pointing
stability
ki wchodzącej
do pryzmatu.
mieć donarożnego
czynienia z 11.Dobosz
Niedokładność
wykonania
kątówMożemy
90° pryzmatu
Iwasińska-Kowalska
O. “Interference method for ultra-pre(2001): M.,
pp.
3714-3717.
ma
składowymi
odchylenia
wiązki.
Jedną
składową
można
measured
by
an
oblique-incidence
optical
transmittance
differdwoma że
składowymi
odchylenia
wiązki.
Jednądoskładową
powoduje,
wiązka wyjściowa
nie jest
równoległa
wiązmeasurement
and compensationO.of “laser
beam angular
deflec11.cision
Dobosz
M., Iwasińska-Kowalska
Interference
method
zdefiniować
jak składową
leżącą wleżącą
płaszczyźnie,
w której
ence
technique,"
of Scientific
Instruments.
No.9, for
można zdefiniować
jak składową
tion”.
Appl. Opt. Review
Vol.
53, No.
1 (2014):
pp. 111–122. vol.72,
ki wchodzącej
do pryzmatu.
Możemy mieć w
dopłaszczyźnie
czynienia z w
ultra-precision
measurement
and
compensation
of
laser
beam
(2001): pp.M.,
3714-3717.
leżą
wiązka
i wyjściowa
dla prymatu
Iwasińska-Kowalska
PolishNo.1,
patent
application
P-397925
której
leżą wejściowa
wiązka wejściowa
i wiązki.
wyjściowa
dla bezbłędnego
prymatu
bez- 12.Dobosz
angularM.,
deflection“
Appl. Opt. O.
vol.53,
(2014):
pp. 111-122
dwoma
składowymi
odchylenia
Jedną
składową
11.
Dobosz
Iwasińska-Kowalska
O.
“
Interference
method
for
(płaszczyzna
XY na
a drugą
ww
płaszczyźnie
niej
(in Polish).M., Iwasińska-Kowalska O., Polish patent application ■P12.Dobosz
błędnego
(płaszczyzna
XY na
rysunku),
a drugą wdo
płaszmożna
zdefiniować
jakrysunku),
składową
leżącą
płaszczyźnie
w
ultra-precision
measurement and compensation of laser beam
397925
(in Polish).
czyźnie
niej prostopadłej
to pokazano
na rys.7.bezŁatwo angular
której
leżą do
wiązka
wejściowa i jak
wyjściowa
dla prymatu
deflection“
Appl.■ Opt. vol.53, No.1, (2014): pp. 111-122
generuje
te same 12.Dobosz M., Iwasińska-Kowalska O., Polish patent application Pzauważyć
że odchylenie
wiązki
o kąt η
błędnego
(płaszczyzna
XY na
rysunku),
a drugą
w płaszczyźnie
do niej
jak to opokazano
na rys.7. Łatwobłę- 397925 (in Polish). ■
zjawiska
co prostopadłej
odchylenie wiązki
kąt κ spowodowanej
te same
zauważyć
że odchylenie
wiązki opryzmatu
kąt η generuje
dem wykonania
kąta prostego
prostokątnego