Sposób pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej i interferometr do pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej

Zespół:

Istota wynalazku

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. Z kolei ta sama wiązka laserowa po zogniskowaniu tworzy przewężenie, którego centrum definiuje w przestrzeni punkt. Wymienione właściwości wiązki laserowej wykorzystywane są w olbrzymiej ilości układów optycznych zarówno w badaniach naukowych jak i w nowoczesnej technice.
Najdokładniejszymi urządzeniami do pomiaru przemieszczeń zarówno liniowych jak i kątowych są interferometry laserowe. Autorzy wynalazku proponują nowy rodzaj interferometru nadający się w szczególności do pomiaru mikro-odchyleń kątowych: układu pomiarowego względem wiązki laserowej ale również odchyleń kątowych samej wiązki.

We wszystkich interferometrycznych systemach pomiarowych odpowiedni element optyczny rozdziela wiązkę lasera na dwie części tworząc dwa tzw. ramiona interferometru. W tak powstałych dwóch torach interferometru fale świetlne doznają szeregu odbić, najczęściej od płaskich powierzchni zwierciadlanych, następnie przy użyciu odpowiedniego elementu optycznego są ponownie łączone w efekcie czego powstaje zjawisko interferencji. Zmiany fizyczne zachodzące w dowolnym ramieniu interferometru wywołane wpływem mierzonej wielkości (przemieszczenia liniowego lub kątowego) powodują zmiany w obrazie interferencyjnym dając podstawę do wyznaczenia mierzonej wartości. Jeżeli w obu ramionach interferometru występuje taka sama liczba odbić lub ogólnie w obu parzysta lub w obu nieparzysta liczba odbić, to gdy wiązka lasera odchyli się na wejściu takiego układu kątowo nie wywoła to istotnych zmian w interferencyjnym sygnale wyjściowym. Jest to korzystne w większości typowych zastosowań praktycznych. Istota wynalazku polega na tym by złamać powyższą zasadę tzn. by w jednym torze interferometru zastosować parzystą a w drugim nieparzystą liczbę odbić, czyli by różnica liczby odbić zachodzących w obu ramionach interferometru była nieparzysta. Autorzy wynalazku udowodnili, że w takim przypadku odchylenie kątowe wiązki wejściowej względem układu interferometrycznego wywoła istotną zmianę w sygnale interferencyjnym - mianowicie zmieni się okres obserwowanych prążków. Stosując odpowiedni fotodetektor składający się z szeregu równoodległych od siebie fotoelementów (zaproponowany między innymi w zgłoszeniu patentowym) można przetworzyć zmianę w obrazie interferencyjnym na odpowiedni sygnał elektryczny i na jego podstawie wyliczyć wartość zaistniałego odchylenia kątowego. W ten sposób zaproponowane rozwiązanie stanowi nową metodę pomiaru odchyleń kątowych wiązki laserowej. Opisany układ również może być zastosowany do pomiaru mechanicznych odchyleń kątowych (mikroczujnik odchyleń kątowych). Jeżeli założymy, że oś wiązki laserowej pozostaje stabilna a odchyli się kątowo względem niej kompaktowy zespół wspomnianego interferometru to wywoła odpowiednią zmianę w obrazie interferencyjnym generując sygnał proporcjonalny do zaistniałego odchylenia kątowego.

Jeżeli zgodnie z wynalazkiem przedstawionym w zastrzeżeniu patentowym użyjemy zaproponowane rozwiązanie jako superczuły układ do pomiaru mikro-odchyleń wiązki laserowej to jego sygnał wyjściowy może być wykorzystany do sterowania dodatkowym układem odchylania wiązki laserowej tak by wskazanie systemu pomiarowego sprowadzać ciągle do zera co oznacza realizację aktywnej stabilizacji kątowej wiązki laserowej.

Korzyści z zastosowania wynalazku

System pomiarowy wg wynalazku może zmieścić się w gabarytach rzędu kilku mm sześciennych stanowiąc monolityczny zespół, odporny na większość możliwych zakłóceń pomiaru. Wynalazek pozwala na budowę urządzenia do stabilizacji kierunku osi wiązki laserowej nadającego się do wbudowania w zespół lasera. Stosowane obecnie w interferometrach do pomiaru odchyleń kątowych zespoły opto-mechaniczne o względnie dużych gabarytach mogą być zastąpione czujnikiem o wielokrotnie mniejszych wymiarach. Zaproponowana metoda pozwala na uzyskanie rozdzielczości, sięgającej pojedynczych nanoradianów, co jest wartością od 10 do 100 razy większą od możliwych do uzyskania obecnie stosowanymi metodami, w szczególności jeśli chodzi o pomiar i stabilizację odchyleń kątowych osi wiązki laserowej. Istnieje możliwość regulacji rozdzielczości, dokładności i zakresu pomiarowego urządzenia przez dobór parametrów fotodetektora. Czujnik może być nawet kilkadziesiąt razy tańszy niż obecnie stosowane podobne urządzenia.

Potencjał komercjalizacyjny

Urządzenie wg wynalazku może być zastosowane w niezwykle szerokich obszarach nauki i techniki. W metrologii opartej na technice laserowej można przykładowo wymienić: systemy w których oś wiązki laserowej jest wzorcem (pomiary prostoliniowości), dalmierze laserowe, interferometry laserowe, urządzenia pomiarowe w których wykorzystywane jest przestrzenne skanowanie wiązką laserową, układy do pomiarów tzw. błędów rotacyjnych (tzw.: pitch, yaw, roll) przemieszczeń elementów maszyn (współrzędnościowych, obrabiarek sterowanych numerycznie itp.), mikroskopy skaningowe (sił atomowych) gdzie podstawą pomiaru jest pomiar odchyleń kątowych wiązki laserowej odbitej od sondy pomiarowej (tzw. cantilivera). W laserowych technologiach wytwarzania takich jak: fotolitografia, obróbka laserowa (cięcie laserowe zogniskowaną wiązką), urządzenia laserowego znakowania, (włączając w to budowę drukarek laserowych), montaż zespołów z użyciem wiązek lasera jako wzorca położenia i wiele innych.