3.1. Общая оптико-электронная схема используемой в работе установки приведена на рис. 3.1.
Puc. 3.1.Оптико-электронная схема установки для исследования закономерностей формирования интерференционного поля и фотоэлектронного преобразования интерференционных картин в электрические сигналы:
1-лазер гелий-неоновый (длина волны 0,6328 мкм.); 2-поля-ризатор; 3-фазовая четвертьволновая пластина (поляризатор и фазовая пластина образуют оптический вентиль); 4-зеркало опорное; 5-светоращепитель; 6-объектив (может отсутствовать); 7-зеркало предметного стола; 8-светоращепитель; 9-линза расширяющая (поз.1-9 образуют интерферометр Майкельсона); 10-экран; 11-фотоприемник; 12-диафрагма; 13-фотоприемник (в ряде заданий не используется); 14-диафрагма фотоприемника (в ряде заданий не используется); 15-механизм крепления и перемещения фотоприемника поз.13 (в ряде заданий не используется); 16-осно-вание; 17-пневморазвязка; 18-пъезодвижетель; 19-источник переменного напряжения (генератор); 20-источник постоянного напряжения; 21-буферный блок; 22-юстировочные винты; 23-пред-
метный стол; 24-осциллограф (С1-83); 25-анализатор спектра (С4-12) с блоком преобразования; II – Блок обработки интерференционных сигналов (в ряде заданий не используется).
Примечание: вместо осциллографа (поз. 24) и анализатора спектра (поз. 25), а также совместно с ними допускается использовать виртуальные осциллограф и анализатор спектра на базе ПК и программы Pc-Lab 2000.
3.2. Внешний вид лазерного интерферометра Майкельсона и основные органы управления им показаны на рис. 3.2.
Рис.3.2. Внешний вид лазерного интерферометра. Некоторые элементы не показаны. (Для удобства отождествления на рисунке показаны и позиции элементов конструкции по рис.3.1.):
1-лазер; 2-стойка; 3-основание; 4-зеркало опорного плеча; 5-винты, крепящие зеркало опорного плеча; 6-юстировочный столик; 7-винт поворота светорасщепителя в вертикальной плоскости; 8-винты поворота нижнего светорасщепителя, 9-объ-ектив; 10-ручка перемещения объектива; 11-зеркало; 12-юсти-ровочные винты; 13-пъезостол; 14-экран; 15-расширительная линза.
ОСНОВНОЕ РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Задание 1. Исследование зависимости параметров интерференционных картин от геометрических условий схождения пучков и кривизны их волновых фронтов.
4.1.1. Вынуть объектив 9 вращением ручки 10 против часовой стрелки, предварительно сдвинув до предела юстировочный столик. Демонтировать горизонтальный ФПУ, если он установлен. Установить разводящую линзу.
4.1.2. Установить на оптическую скамью экран и юстировкой добиться появления на нем четкой интерференционной картины. Меняя угол наклона зеркала с помощью юстировочных винтов 12 (рис.3.2.) наблюдать на экране изменение интерференционной картины.
4.1.3. Схематично зарисовать (сфотографировать) интерференционные картины, отличающиеся разными пространственными периодами (расстояниями между полосами) и различным направлением полос для трех положений юстировочного столика.
4.1.4. Установить на место объектив 9, юстировкой и перемещением объектива по высоте добиться появления на экране интерференционных картин
4.1.5. Схематично зарисовать 2-3 типичные интерференционные картины, возникающие в результате различной фокусировки луча на зеркале измерительного плеча и наклона зеркала относительно горизонта.
4.1.6. Обобщить результаты, полученные при выполнении задания.
Задание 2. Исследование закономерностей фотоэлектронного формирования интерференционного сигнала.
4.2.1. Собрать установку в соответствии с рис.4.2.1.и включить приборы.
Рис. 4.2.1. Блок-схема установки для исследования закономерностей фотоэлектронного формирования интерференционного сигнала:
1-лазер в сборе с оптическим вентилем и опорным зеркалом; 2-сциллограф; 3-генератор синусоидальных сигналов (ГСС); 4-источник постоянного напряжения (ИПН); 5-буферный блок; 6-зеркало предметное; 7-пъезостол; 8-объектив (может не использоваться); 9-светоделитель; 10-ФПУ; 11-блок питания ФПУ.
4.2.2. Подать на пъезостол переменное напряжение порядка 1,5В на частоте 500Гц. и, меняя постоянное напряжение в пределах от 0 до 10В, наблюдать изменение сигнала интерференционной картины на экране осциллографа.
По результатам наблюдений определить полуволновое напряжение и записать его в журнал.
4.2.3. Установить постоянное напряжение исходя из удобства наблюдения сигнала (рекомендуется получить осциллограмму соответствующую осциллограмме а) на рисунке 4.2.3), и меняя переменное напряжение в пределах от 0 до 30В, наблюдать изменение интерференционной картины на экране осциллографа.
Типичные интерференционные картины для различных величин колебаний зеркала показаны на рис.4.2.3.
Рис.4.2.3. Осциллограммы интерференционного сигнала при различных амплитудах (а) гармонических колебаний зеркала (объекта).
4.2.4. Установить постоянное и переменное напряжения исходя из удобства наблюдения сигнала, и, меняя частоту переменного напряжения в пределах от 200Гц до 2000Гц, наблюдать изменение амплитуды интерференционного сигнала.
4.2.5. Обобщить результаты полученные в процессе выполнения задания, зарисовать (сфотографировать, создать файлы на ПК) наблюдаемые осциллограммы.
4.3. Задание 3. Исследование возможности использования интерференции лазерных пучков для контроля параметров движения объектов и измерения характеристик пъезопривода адаптивных зеркал.
4.3.1. Эксперимент проводится с использованием той же схемы (Рис. 4.2.1.).
4.3.2. Изменяя переменное напряжение в пределах от 5 до 30В через 10В при выбранном неизменном постоянном напряжении, снять амплитудную характеристику пъезопривода, т.е. зависимость амплитуды колебания зеркала от величины переменного напряжения, считывая N, d 1 и d 2.
Измерения проводятся на частотах 500Гц и 750Гц. Результаты свести в таблицу. Построить графики.
4.3.3. При выбранном неизменном постоянном напряжении, изменяя частоту в пределах от 20 до 2000Гц через 200Гц, снять зависимость амплитуды колебаний зеркала от частоты, т.е. амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) пъезопривода зеркала. Результаты занести в таблицу. Построить график АЧХ.
4.3.4. При неизменной амплитуде переменного напряжения и некоторой фиксированной частоте (выбираются из удобства наблюдения), плавно изменяя постоянное напряжение, зарегистрировать разницу постоянного напряжения, которому соответствует полный цикл изменения сигнала (см. рис. 4.2.3.б), что соответствует смещению среднего положения зеркала на половину длины волны (полуволновое напряжение).
4.3.5. Исследовать фазочастотную характеристику пъезопривода, для чего при неизменном постоянном напряжении изменять частоту возбуждения зеркала в пределах от 20 до 2000 Гц через 200Гц, фиксируя временной интервал между моментами В и В1 (см рис.4.2.3.).
Задание 4. Исследование спектральных особенностей интерференционного сигнала при гармоничном колебательном движении объекта (зеркала).
4.4.1. Собрать установку в соответствии с рис.4.4.1., при этом к установке, показанной на рис 4.2.1., добавляется только анализатор спектра (С4-12) поз.12. и включить приборы.
Рис.4.4.1. Блок-схема установки для исследования спектральных особенностей интерференционного сигнала при гармоничном колебательном движении объекта (зеркала).
4.4.2. Подать интерференционный сигнал на вход анализатора спектра (12).
На панели управления С4-12 рекомендуется установить:
- диапазон обзора - 10 кГц;
- полосу пропускания – 90Гц;
- постоянную времени – 0,002с;
- входной аттенюатор - -40Дб;
- диапазон частот – 5;
- время развертки –3 (при множителе –1).
При отсутствии переменного напряжения (сигнала) совместить метку нулевых биений с началом частотной оси на экране анализатора.
4.4.3. Изменяя частоту и величину подаваемого на пъезостол напряжения зафиксировать и зарисовать (сфотографировать, создать файлы на ПК) осциллограммы и спектрограммы для 3-4 удобных для наблюдения величин напряжения и частоты.
Задание 5. Исследование условий геометрического согласования апертуры фотоприемника и интерференционной картины формирования электрического интерференционного сигнала (влияние пространственного периода на уровень интерференционного сигнала).
4.5.1. Собрать установку в соответствии с рис. 4.5.1. и включить приборы.
Рис. 4.5.1. Схема установки для, исследования условий геометрического согласования апертуры фотоприемника и интерференционной картины.
Вместо микроскопа (1) допускается использовать экран.
Риc. 4.5.2. Сечение ОХ интерференционного поля с пространственным периодом, наложенное на апертуру диафрагмы фотоприемника.
На рисунке 4.5.2. показано сечение интерференционного поля с некоторым пространственным периодом, наложенное на апертуру D диафрагмы фотоприемника. Заштрихованная часть светового потока формирует интерференционный электрический сигнал, изменение которого во времени обусловлено движением интерференционных полос (штриховая линия).
4.5.3. Для выяснения влияния пространственного периода на уровень интерференционного сигала необходимо при отсутствии возбуждающего напряжения на пъезостоле с помощью юстировочных винтов столика получить четкую интерференционную картину с небольшим числом интерференционных полос, а затем, изменяя возбуждающее напряжение добиться получения на экране осциллографа интерференционного сигнала с 3-4 периодами в одном цуге (см. рис. 4.2.3.,г), зафиксировать величину амплитуды сигнала.
4.5.4. Изменить пространственный период, изменяя положение зеркала с помощью юстировочных винтов и повторить описанную выше процедуру. Проделать это не менее трех раз.
4.5.5. По результатам, полученным при выполнении п.п. 4.5.3. и 4.5.4., построить график зависимости амплитуды интерференционного сигнала от величины пространственного периода.
Задание 6. Изучение способов формирования квадратурных электрических интерференционных сигналов в лазерных измерителях перемещений.
4.6.1. Собрать установку в соответствии с рис. 5.1. и включить приборы.
Рис.4.6.1. Блок-схема установки для изучения способов формирования квадратурных электрических интерференционных сигналов в лазерных измерителях перемещений:
1-лазер; 2-осциллограф; 3-ГСС; 4-ИПН; 5-буферный блок; 6-зеркала; 7-пъезостол; 8-светорасщепители; 9-фотоприемники.
4.6.2. Настроить первый и второй каналы на получение устойчивых интерференционных сигналов примерно одинаковых амплитуд, после чего перевести осциллограф в режим «X–Y» (вход Х обеспечивает развертку луча по оси Х, а вход Y – по оси Y, автоматическая развертка отключается). На экране осциллографа должна наблюдаться одна из фигур Лиссажу, приведенных на рис. 4.5.2. или, при отсутствии сдвига фаз, наклонная прямая линия.
Рис. 4.5.2. Фигуры Лиссажу, наблюдаемые при настройке квадратурного интерферометра.
а - Dj=0°, б - Dj=45°, в - Dj=90°(точная квадратурность), г - Dj=135°, д - Dj=180°.
Плавно изменяя положение горизонтального фотоприемника вдоль оси Ох или изменяя положение столика, добиться получения фигур близких к указанным на рис.4.5.2. или наклонной прямой линии.
Оценить количественно сдвиг фаз для 3-х случаев. Для каждого случая создать на ПК файлы фигур Лиссажу и соответствующие им осциллограммы.
Заключение
5.1. Провести анализ полученных результатов и теоретически обосновать их.
5.2. Оформить индивидуальный отчет в соответствии с установленными требованиями.
Контрольные вопросы
1. Вывести формулу интерференции двух когерентных монохроматических световых волн.
2. От чего зависит видностъ интерференционного поля, влияние на него различных факторов.
3.Принцип действия лазерного двухлучевого интерферометра Майкельсона.
4. Фотоэлектрическое формирование электрических интерференционных сигналов и способы их обработки.
5. Приведите примеры применения интерференции лазерных лучей в измерительных схемах.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА И ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является ознакомление с конструкцией гелий-неонового лазера и основными свойствами его излучения.
