RU2698699C1

RU2698699C1 - Method of reproducing a unit of length in laser range finders based on a michelson interferometer

Info

Publication number: RU2698699C1
Application number: RU2018147034A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Губин; Денис Александрович Соколов; Виктор Михайлович Татаренков
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-08-29

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: invention relates to measurement of large distances, including using sources of coherent laser radiation, and can be used for accurate measurement of distance in accurate machine building, as well as for calibration and calibration of high-precision measurement devices. Laser radiation is directed through a collimator to a non-equable interferometer of Michelson type with a long measuring and reference short arm. Radiation source used can be a double-mode or femtosecond laser. Spatial period of interference is set, respectively, by the intermode frequency of the double-mode laser, or by the pulse repetition frequency of the femtosecond laser. In the reference arm of the interferometer, a modulation device (modulator) is installed, which scans a certain area of the signal of interfering beams by varying the difference in the path of the waves of the interferometer.EFFECT: technical result consists in developing a method of reproducing a unit of length when developing standards of long lengths.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения больших расстояний, в том числе с помощью источников когерентного лазерного излучения, и может быть использовано для точного измерения расстояния в точном машиностроении, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерения.The invention relates to the field of measuring large distances, including using sources of coherent laser radiation, and can be used for accurate distance measurement in precision engineering, as well as for verification and calibration of high-precision measuring instruments.

Известны способы построения приборов измерения длины, в которых не осуществляется точная настройка на экстремумы интерференции, а производится счет интерференционных полос [1], они имеют высокую разрешающую способность.Known methods for constructing length measuring instruments in which precise adjustment is not made to the extrema of interference, but interference fringes are counted [1], they have high resolution.

К недостаткам этого известного способа следует отнести сложность аппаратуры счета интерференционных полос, ограничение скорости перемещения измерительного отражателя и требование высокоточных линейных направляющих для перемещения измерительного отражателя.The disadvantages of this known method include the complexity of the apparatus for counting interference fringes, limiting the speed of movement of the measuring reflector and the requirement for high-precision linear guides for moving the measuring reflector.

Также известны способы построения устройств измерения длины, которые основаны на измерении разности фаз промодулированных излучаемых и принимаемых колебаний [1], [2]. Эти способы не требуют наличия линейных направляющих, т.к. производится измерение абсолютной дистанции до отдельно стоящего измерительного отражателя. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую точность измерения.Also known are methods of constructing length measuring devices that are based on measuring the phase difference of the modulated emitted and received oscillations [1], [2]. These methods do not require linear guides, because Absolute distance is measured to a separate measuring reflector. The disadvantages of this method include the low accuracy of the measurement.

По способу воспроизведению единицы длины с помощью настройки на экстремум интерференции в лазерном дальномере ближайшего аналога (прототипа) не обнаружено, но по способу определения дистанции до отражателя ближайшим аналогом выбран известный способ измерения длины, в котором производится измерение времени пролета фемтосекундного импульса до отражателя, а высокая точность измерения (десятые доли микрона) достигается за счет фазовой синхронизации частоты повторения импульсов с использованием метода оптической кросс-корреляции [3].The closest analogue (prototype) was not found by the method of reproducing a unit of length using the interference extreme value in the laser range finder, but by the method of determining the distance to the reflector the closest analogue was selected the known method of measuring the length in which the time of flight of the femtosecond pulse to the reflector is measured, and high measurement accuracy (tenths of a micron) is achieved due to phase synchronization of the pulse repetition rate using the optical cross-correlation method [3].

К недостаткам этого способа следует отнести сложность аппаратуры измерения временного смещения между опорным и измерительным импульсами. Временное смещение оценивается через оптическую кросс-корреляционную функцию с использованием периодически поляризованного кристалла KTiPO4. Из кристалла генерируются два субимпульса второй гармоники, один распространяется в прямом, а другой в обратном направлении, которые затем преобразуются в электрические сигналы с использованием пары фотодетекторов с последующим электрическим вычитанием. При устранении общего оптического и электрического шума результатом является аналоговый сигнал постоянного тока, обозначающий сбалансированную взаимную корреляцию двух основных импульсов. Этот сигнал показывает почти линейную пропорциональность временному смещению между возвратным и опорным импульсами, становится равным нулю, когда временное смещение равно нулю. К недостаткам данного метода следует отнести недостижимую в условиях открытой атмосферы избыточную точность определения момента совпадения опорного и измерительного импульсов.The disadvantages of this method include the complexity of the apparatus for measuring the temporal displacement between the reference and measuring pulses. The temporal displacement is estimated through an optical cross-correlation function using a periodically polarized KTiPO4 crystal. Two subpulses of the second harmonic are generated from the crystal, one propagates in the forward and the other in the opposite direction, which are then converted into electrical signals using a pair of photodetectors with subsequent electrical subtraction. When eliminating the total optical and electrical noise, the result is an analog DC signal, indicating a balanced cross-correlation of the two main pulses. This signal shows an almost linear proportionality to the time offset between the return and reference pulses, and becomes zero when the time offset is zero. The disadvantages of this method include the unattainable in an open atmosphere excessive accuracy of determining the moment of coincidence of the reference and measuring pulses.

Задачей изобретения является разработка способа воспроизведения единицы длины с помощью настройки на экстремум интерференции частотно модулированного излучения лазерного дальномера на основе интерферометра Майкельсона. Настройка на экстремум интерференции позволяет воспроизводить длину между разными экстремумами интерференции, что может быть использовано при разработке эталонов больших длин.The objective of the invention is to develop a method for reproducing a unit of length by adjusting the frequency modulated emission of a laser rangefinder based on a Michelson interferometer to the extremum of interference. Adjustment to the extremum of interference allows reproducing the length between different extrema of interference, which can be used in the development of standards of long lengths.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе предусмотрены следующие отличия:The problem is solved due to the fact that the method provides the following differences:

а) используется низкочастотная модуляция длины опорного плеча интерферометра, что позволяет настраиваться на экстремумы интерференции и измерять расстояние между ними;a) low-frequency modulation of the length of the support arm of the interferometer is used, which allows you to tune to the extrema of interference and measure the distance between them;

б) применяется обычный и единственный фотодетектор с усилителем рассчитанный на длину волны несущей;b) a conventional and single photodetector with an amplifier designed for a carrier wavelength is used;

в) разработана упрощенная оптическая схема.c) a simplified optical scheme has been developed.

г) возможно использование в качестве источника фемтосекундный или двухмодовый лазер;d) it is possible to use a femtosecond or two-mode laser as a source;

Это избавляет от необходимости применения дорогостоящей и сложной аппаратуры и увеличивает надежность разрабатываемого средства измерения длины.This eliminates the need for expensive and complex equipment and increases the reliability of the developed means of measuring length.

Изобретение поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена 1 схема лазерерного дальномера с настройкой на экстремумы интерференции с помощью низкочастотной модуляции длины опорного плеча, на фиг. 2 - сигнал настройки на экстремум интерференции импульсного фемтосекундного лазера при помощи модулятора длины опорного плеча.The invention is illustrated in graphic materials. In FIG. 1 shows a diagram of a laser rangefinder with tuning to interference extrema using low-frequency modulation of the length of the support arm, FIG. 2 - tuning signal for the extremum interference of a pulsed femtosecond laser using a modulator of the length of the reference arm.

Сущность предложенного способа заключается в следующем: излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом (фиг. 1), где 1 - лазер; 2 - делительная пластина; 3 - опорный отражатель с модулятором; 4 - измерительный отражатель; 5 - устройство приема интерференционного сигнала.The essence of the proposed method is as follows: the laser radiation through the collimator is sent to the unequal Michelson interferometer with a long measuring and supporting short arm (Fig. 1), where 1 is a laser; 2 - dividing plate; 3 - reference reflector with a modulator; 4 - measuring reflector; 5 - device for receiving an interference signal.

В качестве источника излучения может быть использован двухмодовый или фемтосекундный [4] лазер 1 (фиг. 1). Пространственный период интерференции задается соответственно межмодовой частотой двухмодового лазера, либо частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. В опорном плече интерферометра устанавливается устройство модуляции (модулятор) 3 (фиг. 1), которое осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра.As a radiation source, a two-mode or femtosecond [4] laser 1 can be used (Fig. 1). The spatial period of interference is set respectively by the intermode frequency of a two-mode laser, or by the pulse repetition rate of a femtosecond laser. In the reference arm of the interferometer, a modulation device (modulator) 3 is installed (Fig. 1), which scans a certain region of the signal of the interfering beams by changing the difference in the wave path of the interferometer.

Модулятор представляет собой выполненное в едином узле устройство, состоящее из опорного отражателя и устройства, осуществляющего возвратно-поступательное движение этого отражателя с частотой 1÷3 Гц и амплитудой порядка 1 мм. За счет этого движения осуществляется сканирование некоторой области вокруг экстремумов интерференции, а на аппаратуре приема возникает последовательность импульсов (фиг. 2) с частотой, кратной частоте модуляции. Эта последовательность импульсов в дальнейшем используется для настройки на экстремум интерференции. Также в модуляторе предусмотрено устройство, формирующее импульс синхронизации сигнала, которое во время работы модулятора формирует прямоугольный импульс в средней точке хода модулятора.The modulator is a device made in a single unit, consisting of a reference reflector and a device that performs reciprocating motion of this reflector with a frequency of 1 ÷ 3 Hz and an amplitude of the order of 1 mm. Due to this movement, a certain region around the extrema of the interference is scanned, and a sequence of pulses (Fig. 2) with a frequency multiple of the modulation frequency appears on the reception equipment. This pulse train is subsequently used to tune to the extremum of interference. The modulator also provides a device that generates a signal synchronization pulse, which during operation of the modulator generates a rectangular pulse at the midpoint of the modulator.

Так как сканирование области интерференции происходит с амплитудой модуляции порядка 1 мм, то расстояние между экстремумами интерференции должно быть не менее нескольких миллиметров. Это в свою очередь накладывает ограничение на величину межмодовой частоты двухмодового лазера или частоту повторений импульсов лазера. Она не может быть более нескольких гигагерц.Since the scanning of the interference region occurs with a modulation amplitude of the order of 1 mm, the distance between the extrema of the interference should be at least several millimeters. This, in turn, imposes a limitation on the intermode frequency of the two-mode laser or the pulse repetition rate of the laser. It can not be more than a few gigahertz.

Демодулирование сигналов, пришедших с измерительного плеча и опорного плеча, осуществляется в устройстве приема интерференционного сигнала 5 (фиг. 1). При использовании в качестве источника излучения фемтосекундного или двухмодового лазера критерием настройки на экстремум интерференции служит исчезновение в спектре демодулированного сигнала первой гармоники сигнала модуляции. В спектре этого сигнала остается только вторая гармоника сигнала модуляции.Demodulation of the signals received from the measuring arm and the reference arm is carried out in the device for receiving the interference signal 5 (Fig. 1). When using a femtosecond or two-mode laser as a radiation source, the criterion for tuning to the extremum of interference is the disappearance of the first harmonic of the modulation signal in the spectrum of the demodulated signal. Only the second harmonic of the modulation signal remains in the spectrum of this signal.

Расстояние между двумя соседними экстремумами определяет единицу измерительного масштаба, которая соответствует частоте повторения импульсов лазера или межмодовой частоте двухмодового лазера.The distance between two adjacent extrema determines the unit of the measuring scale, which corresponds to the pulse repetition rate of the laser or the intermode frequency of the two-mode laser.

БиблиографияBibliography

1. В.Д. Большаков, Ф. Деймлих, А.Н. Голубев, В.П. Васильев «Радиогеодезические и электро-оптические измерения». Москва. «Недра». 1985 г. 1. V.D. Bolshakov, F. Deymlikh, A.N. Golubev, V.P. Vasiliev "Radio-geodetic and electro-optical measurements." Moscow. "Bosom". 1985

2. В.П. Данильченко, А.М. Андрусенко, И.В. Лукин, И.С. Олейник. "Исследования в области метрологического обеспечения лазерных дальномеров". Сборник научных трудов ВНИИМ под ред. К.т.н. В.П.Данильченко. Ленинград. 1981 г. с. 3-32.2. V.P. Danilchenko, A.M. Andrusenko, I.V. Lukin, I.S. Oleynik. "Research in the field of metrological support for laser rangefinders." Collection of scientific works of VNIIM, ed. Ph.D. V.P. Danilchenko. Leningrad. 1981 p. 3-32.

3. Young-Jin Kim. Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses. Nature Photonics. August 2010 r.3. Young-Jin Kim. Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses. Nature Photonics. August 2010 r.

4. П.Г. Крюков Лазеры ультракоротких импульсов и их применение: Учебное пособие / П.Г. Крюков - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 248 с. 4. P.G. Kryukov Lasers of ultrashort pulses and their application: Textbook / P.G. Kryukov - Dolgoprudny: Intellect Publishing House, 2012. - 248 p.

Claims

A method of reproducing a unit of length in laser rangefinders based on a Michelson interferometer, namely, that the measurement of length (distance) is based on the registration of the coincidence signal of the pulses of a femtosecond laser, and characterized in that, using low-frequency modulation of the length of the support arm, the interference extrema are adjusted for measurement the distance between them when using a femtosecond or two-mode laser as the radiation source, and the criterion for tuning to the extremum of interference serves as the disappearance in the spectrum of the demodulated signal of the first harmonic of the modulation signal.