Файл: Применения лазеров..pdf

смещение пучка АС для одной пластины дается выраже­ нием

Уравнение (29) изменяет знак для угла —45°. Учитывая это, находим, что полное отклонение в низшем порядке для обеих пластин равно

Поскольку это отклонение линейно зависит от Ѳ^., все лучи опять кажутся исходящими из точечного источника, который ближе к расщепителю пучка, чем реальный источ­ ник. Кажущееся положение источника для лучей в плос­ кости yz то же самое, что и даваемое уравнением (27). Для нахождения положения источника в плоскости хг необ­ ходимо выразить полное отклонение Dnom, измеряемое в плоскости падения, через его составляющие Dx и Dy, соответствующие углам Ѳх и Ѳу. Очевидно, что Dу будет линейно зависеть от Ѳ^, давая такой же кажущийся сдвиг источника.

Присутствие пластины не только приближает изобра­ жение источника, но и создает дополнительную разность оптического пути, как и одна пластина толщиной 2d, на­ клоненная под углом 45°. Нетрудно показать, что пара наклоненных пластин эквивалентна во всем (за исключе­ нием постоянного фазового сдвига) одной более толстой пластине, установленной перпендикулярно оптической оси, хотя толщина этой пластины должна быть различной в плоскостях xz и yz. Толщина

определяет такое же кажущееся положение источника в плоскости yz, как и наклонная пластина, хотя дополнитель­ ный оптический путь в ней вдоль оси более велик. Отсюда следует, что невозможно получить совпадающие даже в одной плоскости изображения источников и S 2 и одно­ временно иметь равные длины оптического пути так, чтобы

Nh = 0.

Если в некоторой точке истинные длины оптического пути одинаковы, то источники не будут казаться совпа­ дающими; если же кривизна волновых фронтов согласова­ на, то оптические пути будут разными. Тот факт, что эти два условия не могут быть одновременно удовлетворены, является существенным недостатком нескомпенсированных интерферометров, в которых использовались лишь тепло­ вые источники света.

Для лазерных же источников света несогласованность постоянной длины пути не вызывает каких-либо затруд­ нений. Однако астигматизм пластины искажает картину полос: полосы, которые были бы, например, круговыми в скомпенсированном случае, будут эллиптическими. Кар­ тину интерференционных полос можно предсказать, ис­ пользуя уравнение (26) в ранее выполненных геометри­ ческих расчетах.3

3. 3. Ограничение степеней свободы

Обычный интерферометр Тваймана—Грина имеет много степеней свободы (линейных и угловых) и неудобен из-за высокой чувствительности к разъюстировке. Вместо плос­ ких зеркал можно использовать отражатели типа угол куба или «кошачий глаз», устраняющие две угловые степени свободы. Такой интерферометр при наклоне подвиж­ ного отражателя работает до тех пор, пока хоть какаялибо часть пучка отражается в сторону расщепителя пуч­ ка, и поэтому чувствительность к боковой разъюстировке очень низка по сравнению с первоначальной угловой чув­ ствительностью. ^Если уголковые отражатели смещены (фиг. 15), то такой интерферометр обладает дополнительным

траняющего обратное влияние на лазер) удается обеспе­ чить нечувствительность к поворотам и поперечным сме­ щениям подвижного отражателя при его перемещении. Таким способом достигается минимум необходимых степеней сво­ боды при одновременном увеличении чувствительности в 2 раза из-за удвоения пути. Как и в других надежных ус­ тройствах, все оптические элементы интерферометра могут быть смонтированы в виде единой жесткой конструкции. Более подробное обсуждение и анализ оптических аберра­ ций проведены в работе [22].

3.4. Реверсивный счет

Вприменяемых приборах необходимо обеспечить ревер­ сивный счет числа интерференционных полос с тем, чтобы измерения могли проводиться при движении зеркала как

впрямом, так и в обратном направлениях и, что более важно, чтобы не было ложного счета полос при наличии вибраций. Для определения знака перемещения необхо­ димо иметь на выходе интерферометра два сигнала со сдви­ гом фазы, равным rJ2 рад. Эти сигналы, один из которых изменяется по синусоидальному, а другой по косинусои­ дальному закону с изменением длины пути, вначале преоб­ разуются в прямоугольные импульсы. Следующие друг за другом импульсы в одном канале подсчитываются счет­ чиком, а из соотношения фаз двух сигналов определяют, будет ли регистрируемое число положительным или от­ рицательным. Основная техника такого счета, включаю­ щая электронные схемы, описана в работе [14]. В настоя­

щее время продаются реверсивные электронные счетчики, работающие непосредственно от сигнала фотодетектора и обеспечивающие скорости счета порядка 1 МГц и выше.

Наиболее простой способ получения сигналов со сдвигом фазы тс/2 заключается в наклоне опорного зеркала (фиг. 18). Наклон, равный 32 мкрад, обеспечивает пространственное разделение полос в 1 см. В этом случае два соответствую­ щим образом расположенных фотодетектора дадут необ­ ходимые сигналы. Если их подать на отклоняющие плас­ тины X и Y осциллографа, луч будет двигаться по кругу, причем направление вращения будет зависеть от направ­ ления перемещения подвижного зеркала. Длину можно изме­

искажений волновых фронтов, вызываемых атмосферной турбулентностью, необходимо иметь два сигнала, разде­ ленные по амплитуде, а не по волновым фронтам. Хороший способ предложен в работе [49], в которой использовался интерферометр, подобный изображенному на фиг. 15, а фотоприемник помещался в центре каждой из двух нала­ гающихся интерференционных картин. Если расщепитель пучка имел диэлектрическое покрытие с пренебрежимо малыми потерями, то выходные сигналы были в противо­ фазе, но общая энергия сохранялась. Если же покрытие расщепителя пучка было металлическим и вносило некото­ рые потери, то выходные сигналы уже не были в противо­ фазе; действительный фазовый сдвиг между двумя выход­ ными сигналами крайне чувствителен к толщине и составу покрытия расщепителя пучка.

В работе [52] предложен метод, в котором для обеспече­ ния необходимой величины фазового сдвига были исполь­ зованы некоторые сплавы золота и серебра. Достоинство этого метода состоит в том, что отсутствует обратное влия­ ние на лазер, нет разделения волнового фронта и исполь­ зуется весь свет, за исключением поглощенного в расще­ пителе пучка (типичная величина потерь ~40%). Изгото­ вление хороших расщепителей пучка, однако, связано с некоторыми. трудностями.

Был предложен также ряд поляризационных методов. Схема одного из них показана на фиг.20. Входящий свет линейно поляризован под углом 45° к плоскости интерферо­ метра. После отражения от подвижного зеркала и от рас­ щепителя пучка свет в измерительном пучке на выходе интерферометра все еще остается линейно поляризованным под углом 45°, и его вертикальная и горизонтальная состав­ ляющие синфазны. Однако если в опорном плече находит­ ся четвертьволновая пластинка, создающая круговую по­ ляризацию, то вертикальная и горизонтальная составляю­ щие света будут сдвинуты по фазе на я /2. После совмещения пучков призма Волластона разделяет вертикальные и гори­ зонтальные составляющие, давая две интерференционные картины, которые сдвинуты по фазе на л /2, и обеспечивает таким образом необходимые выходные сигналы. Если, на­ пример, горизонтально поляризованные составляющие на­ ходятся в фазе, то одна из вертикально поляризованных

При использовании поляризационной компенсации воз­ никают некоторые проблемы. Поляризация в общем слу­ чае изменяется при любом отражении, исключая нормаль­ ное падение, и поэтому применение установленных под углом 45° расщепителей пучка и различных обратных от­ ражателей, кроме отражателей типа «кошачий глаз» с