Интерференционные эффекты лежат в основе работы приборов, называемых
интерферометрами. В последние годы интерферометрия шагнула значительно
вперед, в ней применяются новейшие средства оптоэлектроники,
микроэлектроники, лазерной, вычислительной техники. Применение ЭВМ
позволяет в течение нескольких минут проводить измерения, на которые
раньше уходили часы й даже дни. В интерферометрах сочетается
исключительная точность, высокая чувствительность и большой диапазон
измерения. С их помощью можно измерять угол поворота объекта, меньший
1", контролировать линейные перемещения в диапазоне более 30 м с
точностью 0,01 мкм. Интерферометры используют для исследования
деформации земной коры, сложных сооружений и оптических деталей, для
измерения толщины тонких пленок и плотности плазмы, для исследования
газовых потоков. Посредством интерферометра Майкельсона, установленного
на спутнике, были получены спектры излучения Земли и ее атмосферы. На
основе интерферометров созданы эталоны длины и частоты.
Интерференционные измерители линейных перемещений
У оптической интерферометрии большой стаж - более ста лет. Однако только
с появлением лазерных источников излучения интерферометры приобрели те
уникальные свойства, которые позволяют применять их как в лабораторных,
так и в производственных условиях. В основе всех интерференционных
измерений лежит принцип сравнения измеряемого параметра с естественной
физической константой - длиной световой волны. Как известно, эта
величина обратна частоте излучения. Частоту лазерного излучения можно
поддерживать в течение, длительного времени с точностью 10"|0, что
гарантирует высокую точность и надежность результата измерения.
Привлекает также бесконтактность интерферометрического контроля.
Одной из важнейших областей применения интерферометров является
измерение линейных перемещений. Многие отечественные и зарубежные
предприятия используют лазерные интерферометры для калибровки и
периодического контроля станков с программным управлением. | Для этого
интерферометр устанавливают на станке и с его помощью определяют
положение перемещающегося стола станка в разные моменты времени.
Полученные результаты сопоставляют с задаваемой программой. Весь процесс
контроля занимает не более 2 мин. Легко представить сокращение времени
ремонта и связанный с ним простой оборудования.
Интерферометры перемещения отличаются между собой как оптической
системой, так и методами электрической обработки, но все они построены
по схеме Майкельсона. Принципиальная схема интерферометра французской
фирмы SORO (рис. 78, а) состоит из двух блоков: интерферометрического I
и блока отражателя II. Интерферометрический блок устанавливают на станке
неподвижно, а отражатель на подвижном столе станка.
Рис. 78. Измеритель линейных (а) и угловых (б)
перемещений: I - интерферометрический блок: II - блок отражателя: I -
лазер: 2 - неподвижная отражательная призма: 3 - светоделительная
призма: 4 - перемещающаяся отражательная призма: 5 - фоторегистратор
Рис. 78. Измеритель линейных (а) и угловых (б)
перемещений: I - интерферометрический блок: II - блок отражателя: I -
лазер: 2 - неподвижная отражательная призма: 3 - светоделительная
призма: 4 - перемещающаяся отражательная призма: 5 - фоторегистратор
Идея измерения состоит в следующем. Свет лазера делится на два потока
- измерительный и опорный. Опорный поток освещает неподвижную призму 2,
а измерительный поступает в подвижный отражательный блок II, освещая
призму 4. Отраженные от призм 2 и 4 потоки совмещаются и интерферируют.
Образуется интерференционная картина в виде чередующихся темных и
светлых полос одинаковой ширины. При движении отражательного блока
разность хода между измерительным и опорным потоками изменяется. Это
приводит к тому, что полосы как бы бегут относительно фоторегистратора
5. Если, например, отражательный блок смещается на половину длины волны,
картина сдвигается на ширину полосы. В схемах, где источником служит
гелий-неоновый лазер, смещение блока на 1 мм соответствует смещению 3000
полос.
Нетрудно догадаться, что принцип измерения линейного перемещения
сводится к счету числа интерференционных полос, промелькнувших мимо
фоторегистратора. Произведение этого числа на длину волны излучения
определяет путь, пройденный отражательным блоком совместно с подвижным
столом станка. Если этот путь равен тому, который задан программой,
значит станок работает в пределах допустимой ошибки. Точность измерения
отдельных моделей интерферометров составляет + 0,01 мкм в диапазоне до
30 м. Для достижения такой высокой точности важно, чтобы длина волны,
которая принята за эталон длины, оставалась постоянной в течение всего
времени измерения. Как уже отмечалось, сейчас удается стабилизировать
лазер с точностью Ю-10. Однако длина волны в воздухе зависит также от
его показателя преломления, который меняется с изменением окружающей
температуры и давления. В связи с этим в интерферометры часто вводят
систему, которая автоматически корректирует результаты измерений в
зависимости от окружающих условий. Таким образом, современные
интерферометры - это сложные оптико-электронные системы, снабженные
вычислительными, цифропечатающими устройствами (ЦПУ).
Функции интерферометров не ограничиваются только измерением линейных
перемещений. Такие устройства могут также измерять скорость, угловые
перемещения.