Úvod do laserové interferometrie

Prezentace na téma: "Úvod do laserové interferometrie"— Transkript prezentace:

1 Úvod do laserové interferometrie
Ústav metrologie a zkušebnictví Počítačová podpora metrologie (XPP) Úvod do laserové interferometrie

2 Světelná vlna vystupující z laseru má tři základní vlastnosti
Ústav metrologie a zkušebnictví Základní vlastnosti světelného paprsku vystupujícího z laseru Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Zesilování světla stimulovanou emisí záření) Světelný svazek vystupující z laseru si můžeme představit jako světelnou vlnu se sinusovým průběhem. Světelná vlna vystupující z laseru má tři základní vlastnosti Vlnová délka záření je přesně známá a dovoluje provádět přesná měření Vlnová délka je velmi malá a umožňuje měřit s vysokým rozlišením Všechny světelné vlny mají stejnou fázi a umožňují vznik interference (skládání světelných paprsků) 4/3/2017

3 Ústav metrologie a zkušebnictví
Základní princip interferometrů - Michelson interferometer Paprsek monochromatického světla vychází ze zdroje a dopadá na slabě postříbřenou polopropustnou destičku nastavenou pod úhlem 450 ke směru paprsku. Paprsek se na destičce rozdělí na dva navzájem kolmé paprsky. Pevné zrcadlo Z2 Pohyblivé zrcadlo Z1 Monochromatický světelný zdroj Polopropustná destička Interferující paprsky dx Detektor s fotocitlivými prvky Paprsek prošlý destičkou dopadá na zrcadlo Z1 (pohyblivé), paprsek odražený dopadá na zrcadlo Z2 (fixní). Po odrazu na zrcadlech se oba paprsky opět vrátí na polopropustnou destičku kde se opět rozdělí. Část paprsků se vrací do zdroje (nezakresleno) a část paprsků postupuje směrem k detektoru s fotocitlivými prvky, kde se detekuje interference paprsků. Maximum odpovídá světlému interferenčnímu proužku, minimum tmavému interferenčnímu proužku. Počet interferenčních proužků prošlých přes štěrbinu fotodetektoru, je mírou změny délky dx. 4/3/2017

4 Konstruktivní a destruktivní interference
Ústav metrologie a zkušebnictví Konstruktivní a destruktivní interference Interference – jev spojené se skládáním (světelných) vln. Konstruktivní interference Pro k = 0, 1, 2,…n Kde ς1- ς2 je fázový rozdíl mezi vlnami 1 a 2 Destruktivní interference Pro k = 0, 1, 2,…n Kde ς1- ς2 je fázový rozdíl mezi vlnami 1 a 2 4/3/2017

5 Lineární interferometr
Ústav metrologie a zkušebnictví Schéma činnosti laserového interferometru I Větev referenční Lineární interferometr Větev měřící Vstupní svazek Referenční svazek Měřící svazek Svazek vzniklý opětovným složením referenčního a měřícího svazku 4/3/2017

6 Nepohyblivý lineární odražeč Pohybující se lineární odražeč
Ústav metrologie a zkušebnictví Schéma činnosti laserového interferometru II Nepohyblivý lineární odražeč Vstupní svazek Pohybující se lineární odražeč Referenční svazek Měřící svazek Svazek vzniklý opětovným složením referenčního a měřícího svazku 4/3/2017

7 Ústav metrologie a zkušebnictví
Schéma činnosti laserového interferometru III + = + - = Konstruktivní interference Destruktivní interference 4/3/2017

8 He – Ne (helium - neonový) laser
Ústav metrologie a zkušebnictví He – Ne (helium - neonový) laser Lasery s malým výkonem pracují s výkonem 0.1 – 2 mW délka výbojky je do 300 mm pracují na vlnové délce 0.633µm Jedná se o nejrozšířenější druh laseru používaného v metrologii. Základní částí je výbojka o délce 100 – 300mm naplněná He a Ne. Zhotovuje se teplovzdorného skla s dostatečnou tloušťkou stěny, základním požadavkem je její lineárnost, tuhost, zanedbatelná propustnost, vysoká kruhovitost vnitřního průměru. Lasery se středním výkonem pracují s výkonem 2.5 – 15 mW pracují na vlnové délce 0.63 a 1.15µm Lasery s vyšším výkonem pracují s výkonem 20 – 60 mW pracují na vlnové délce 0.63, 1.15 a 3.39µm 4/3/2017

9 Možnosti využití laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Možnosti využití laserového interferometru Přesnost polohování lineárních os Přímost vedení a příčné vůle Přímočarost pojezdů Rovinnost Kolmost Přesnost polohování rotačních os Rychlost, zrychlení pohyblivých dílců 4/3/2017

10 Základní a doplňující části laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Základní a doplňující části laserového interferometru Optika pro polohování Jednotka kompenzace podmínek prostředí Laserová hlavice Úhlová optika Optika pro přímočarost USB Interface Optika pro rovinnost 4/3/2017 Optika a software pro stanovenírychlost, zrychlení

11 Vliv prostředí na interferometrická měření
Ústav metrologie a zkušebnictví Vliv prostředí na interferometrická měření λ – vlnová délka laserového paprsku ve vzduchu λ0 – vlnová délka laserového paprsku ve vakuu n – index lomu vzduchu Vlnová délka laserového paprsku ve vzduchu závisí na indexu lomu vzduchu. Index lomu vzduchu je funkcí teploty, tlaku, vlhkosti a složení vzduchu (CO2 a další příměsi mají také malý vliv). Nejistotu měření ovlivňuje též znečištění optické cesty mezi laserem, interferometrem a koutovým odražečem a dále skutečná teplota měřeného předmětu Vlnová délka laserového záření vzroste o 1µm těmito změnami atmosferických podmínek 1 C nárůst teploty vzduchu millibaru pokles tlaku vzduchu 100% pokles % relativní vlhkosti Má-li interferometrické měření prováděné ve vzduchu poskytnout přesné výsledky, je nezbytné kompenzovat změnu indexu lomu vzduchu 4/3/2017

12 Kompenzační jednotka laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Kompenzační jednotka laserového interferometru Pokud je měření s HeNe laserem prováděno v běžném prostředí, přesnost kompenzace podmínek prostředí je mnohem důležitější než stabilita frekvence laserové hlavice. Čidlo tlaku Čidlo vlhkosti Čidla teploty vzduchu a materiálu 4/3/2017

13 Vliv kompenzace podmínek prostředí na přesnost měření
Ústav metrologie a zkušebnictví Vliv kompenzace podmínek prostředí na přesnost měření Přesnost měření s/bez kompenzace S kompenzací Bez kompenzace 25% 50% 75% 100% Relativní vyjádření přesnosti měření na podmínkách prostředí Tlak Teplota vzduchu Rel. vlhkost Frekvence laseru 4/3/2017

14 Lineární měření pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Lineární měření pomocí laserového interferometru Lineární interferometr Lineární odražeč Montážní zařízení pro uchycení optiky Směr pohybu Kompenzační jednotka Laser Čidlo teploty materiálu Čidlo teploty vzduchu Tiskárna Stativ Vyhodnocovací softvare Interface 4/3/2017

15 Ústav metrologie a zkušebnictví
Princip lineárních měření pomocí laserového interferometru Pohled stranový Lineární odražeč Referenční paprsek Osa pohybu Měřící paprsek Laserová hlava Polopropust zrcadlo (dělič paprsku) Lineární odražeč Lineární interferometr Laserová hlava je umístěna ve směru osy měření 4/3/2017

16 Princip lineárních měření pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Princip lineárních měření pomocí laserového interferometru Pohled horní Pevné zrcadlo Referenční lineární odražeč Lineární interferometr Osa pohybu Měřící lineární odražeč Laserová hlava je natočena v pravém úhlu vzhledem k ose měření 4/3/2017

17 Princip lineárních měření pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Princip lineárních měření pomocí laserového interferometru Měřící lineární odražeč Osa pohybu Referenční lineární odražeč Lineární interferometr Směrovací zrcadlo Laserová hlava je natočena v obecném úhlu vzhledem k ose měření 4/3/2017

18 Reduktor paprsku a miniaturní reflektor při lineárních měřeních
Ústav metrologie a zkušebnictví Reduktor paprsku a miniaturní reflektor při lineárních měřeních Minimální vliv na dynamiku stroje hmotnost 10g Redukce paprsku ze 6 na 3mm a zmenšení odstupu Rozsah do 4m Pohled stranový Schéma chodu paprsků Klasický a miniaturní lineární odražeč 4/3/2017

19 Software pro vyhodnocování lineárních měření
Ústav metrologie a zkušebnictví Software pro vyhodnocování lineárních měření 4/3/2017

20 „Mrtvá dráha“ vznikající při měření
Ústav metrologie a zkušebnictví „Mrtvá dráha“ vznikající při měření 4/3/2017

21 „Mrtvá dráha“ vznikající při měření
Ústav metrologie a zkušebnictví „Mrtvá dráha“ vznikající při měření Interferometr (stacionární optika) Výchozí hodnota Záznamu (nulování laseru) Lineární odražeč Pohybující se optika Mrtvý chod Dráha měření Výchozí hodnota Záznamu (nulování laseru) 4/3/2017

22 Ústav metrologie a zkušebnictví
Cosinová chyba Naměřená vzdálenost Laserový paprsek Osa pohybu Skutečná vzdálenost 4/3/2017

23 Chyba způsobená nedodržením tzv. „Abbeho principu“
Ústav metrologie a zkušebnictví Chyba způsobená nedodržením tzv. „Abbeho principu“ Pohyblivá optika Abbeho chyba Směr laserového paprsku Úhel Osa pohybu 4/3/2017

24 Ústav metrologie a zkušebnictví
Princip úhlových měření pomocí laserového interferometru Target I Target II Target III 2 arc.sec 1 arc.sec Interval size 100mm 50 100 150 200 250 300 First targe 50mmt Last target 250 4/3/2017

25 Ústav metrologie a zkušebnictví
Princip úhlových měření pomocí laserového interferometru Target I Target II Target III 5 arc.sec Interval size 100mm 50 100 150 200 250 300 First targe 50mmt Last target 250 4/3/2017

26 Ústav metrologie a zkušebnictví
Typický diagram při úhlových měřeních 4/3/2017

27 Optika využívaná při úhlových měření
Ústav metrologie a zkušebnictví Optika využívaná při úhlových měření Úhlový odražeč Úhlový interferometr Krytky se zaměřovacímy body 4/3/2017

28 Konfigurace úhlových měření pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Konfigurace úhlových měření pomocí laserového interferometru Pohled stranový Osa pohybu Měřící paprsek Referenční paprsek Laserová hlava Úhlový interferometr Úhlovýí odražeč Laserová hlava je umístěna ve směru osy měření 4/3/2017

29 Konfigurace úhlových měření pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Konfigurace úhlových měření pomocí laserového interferometru Úhlovýí odražeč Osa pohybu Pohled stranový Úhlový interferometr Laserová hlava je natočena v pravém úhlu vzhledem k ose měření 4/3/2017

30 Uspořádání úhlových měření pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví Uspořádání úhlových měření pomocí laserového interferometru Úhlový interferometr Úhlový odražeč Montážní zařízení pro uchycení optiky Směr pohybu Laser Tiskárna Stativ Vyhodnocovací softvare Interface 4/3/2017

31 Umístění optiky reálného úhlového měření
Ústav metrologie a zkušebnictví Umístění optiky reálného úhlového měření 4/3/2017

32 Konec V.bloku 4/3/2017