TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Khái niệm và ứng dụng
Giao thoa ánh sáng là hiện tượng thường gặp trong Vật Lý, xảy ra khi hai hay nhiều chùm ánh sáng gặp nhau và chồng lên nhau, tạo ra những vạch sáng hoặc vạch tối xen kẽ Đây là kết quả của việc chồng chập của 2 hoặc nhiều nguồn sóng khác nhau, tạo thành một nguồn sóng mới và thể hiện đặc tính tiêu biểu của tính chất sóng.
Hình 1: giao thoa ánh sáng b Hiện tượng giao thoa ánh sáng
Hai chùm sáng kết hợp là hai chùm ánh sáng có cùng tần số và pha, hoặc có độ lệch pha không đổi theo thời gian Khi chúng gặp nhau, hiện tượng giao thoa xảy ra: những điểm mà hai sóng cùng pha sẽ tăng cường lẫn nhau, tạo thành các vân sáng, trong khi những điểm mà hai sóng ngược pha sẽ triệt tiêu nhau, hình thành các vân tối.
Khi sử dụng ánh sáng trắng, hệ thống vân giao thoa của các ánh sáng đơn sắc sẽ không trùng khít hoàn toàn Tại vị trí trung tâm, các vân sáng của các ánh sáng đơn sắc trùng nhau tạo thành một vân sáng trắng, được gọi là vân trắng chính giữa Tuy nhiên, ở hai bên vân trắng này, các vân sáng khác từ các sóng ánh sáng đơn sắc không còn trùng khít nữa, mà nằm sát bên nhau, tạo ra các quang phổ màu sắc giống như cầu vồng.
Hiện tượng giao thoa ánh sáng là minh chứng cho tính chất sóng của ánh sáng Nghiên cứu và phân tích hiện tượng này đã được thực hiện thông qua các thí nghiệm giao thoa ánh sáng, cho thấy sự tương tác và hành vi đặc trưng của ánh sáng.
Hình 2: giao thoa ánh sáng
Hình ảnh giao thoa thu dược trên màn ảnh với hai khe hẹp sát nhau tạo ra các vân sáng tối xen kẽ Các vạch sáng tương ứng với cực đại giao thoa, nơi thỏa mãn điều kiện d.sinỉ = n λ, trong khi các vân tối là nơi hai sóng dập tắt lẫn nhau, thỏa mãn d.sin ỉ = (n + ½) λ Trong đó, λ là bước sóng ánh sáng, d là khoảng cách giữa hai khe, n là bậc giao thoa (n = 0 cho vân sáng trung tâm), và x là khoảng cách từ vị trí vân sáng đến vân trung tâm.
1.2 Giao thoa kế a Khái niệm
Giao thoa kế là một dụng cụ quang học sử dụng nguyên lý giao thoa ánh sáng để đo bước sóng của các vạch phổ, nghiên cứu cấu trúc quang học và tính không đồng nhất về chiết suất của các môi trường trong suốt Nó cũng được dùng để phát hiện khuyết tật bề mặt phản xạ, đo độ dài tuyệt đối và tương đối với độ chính xác cao, cũng như đo kích thước góc của sao và vận tốc ánh sáng Giao thoa kế chiều dài, được Albert Michelson giới thiệu lần đầu vào năm 1881, đã trở thành một công cụ đo lường chính xác Phương pháp này không tiếp xúc và độ chính xác của nó phụ thuộc vào bước sóng của nguồn sáng và môi trường đo.
Với sự phát triển của ngành công nghiệp, nhu cầu về độ phân giải và độ chính xác cao trong đo lường cơ học ngày càng tăng Công nghệ nano, công nghệ bán dẫn, và công nghệ chế tạo chất bán dẫn đòi hỏi sự cải tiến trong độ chính xác Việc tích hợp hệ gia công và hệ đo cần nâng cao độ phân giải và độ chính xác ở cấp độ nano mét Do đó, việc sử dụng các phương pháp đo không tiếp xúc, encoder và giao thoa kế trở nên cần thiết.
1.3 Các loại giao thoa kế và ứng dụng thực tế a Giao thoa kế homodyne
Trong lĩnh vực đo lường độ dài và dịch chuyển, nhiều phương pháp xử lý tín hiệu giao thoa đã được phát triển, trong đó giao thoa kế sử dụng nguồn tần số đơn là một trong những ứng dụng đầu tiên Sơ đồ nguyên lý của giao thoa kế một tần số cho thấy chùm tia laser được chia thành hai chùm tia bằng nhau nhờ lăng kính chia chùm Một chùm tia được phản xạ bởi lăng kính, trong khi chùm còn lại đi qua lăng kính, sau đó cả hai chùm tia bị phản xạ bởi các gương và kết hợp lại tại lăng kính chia chùm, tạo ra tín hiệu giao thoa Tín hiệu này được thu nhận bởi cảm biến quang biến quang Sự dịch chuyển của một gương trong giao thoa kế theo phương lan truyền ánh sáng sẽ thay đổi quãng đường quang học và ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu giao thoa thu được Sự thay đổi này theo vị trí của gương là cơ sở cho phép đo dịch chuyển trong giao thoa kế Michelson.
Hình 1.3a: Sơ đồ giao thoa kế 1 tần số.
Cường độ tín hiệu giao thoa thu được từ cảm biến được biểu diễn như sau:
Hiệu quãng đường hình học của chùm tia trong nhánh động và nhánh tính từ điểm phân chia trên lăng kính đến điểm giao thoa được biểu thị bằng 1 2 1 2 với đ Đồng thời, (đ −) là hiệu quang lộ giữa hai nhánh của giao thoa kế.
Khi gương động dịch chuyển một khoảng ∆ thì quãng đường đi của gương động là đ + 2∆ và độ lệch pha giữa 2 nhánh của giao thoa kế được tính như sau:
0 với ∅ = 2 đ − 2 là độ lệch pha ban đầu giữa hai nhánh của giao thoa kế.
Phương trình 1.2 cho thấy rằng tín hiệu giao thoa trong giao thoa kế Michelson phụ thuộc vào độ lệch pha giữa hai nhánh, tương ứng với dịch chuyển của gương động Tuy nhiên, độ lệch pha này là một thành phần độc lập với thời gian, dẫn đến việc không thể xác định chiều chuyển động của gương động.
Giao thoa kế một tần số có thiết kế đơn giản và sử dụng các nguồn laser thông thường, mang lại nhiều ưu điểm Một trong những điểm nổi bật là tốc độ đo cao, nhờ vào việc sự thay đổi pha của tín hiệu giao thoa do dịch chuyển của đối tượng đo được chuyển đổi trực tiếp thành sự thay đổi cường độ thu được từ cảm biến Tốc độ đo tối đa của giao thoa kế một tần số chỉ bị giới hạn bởi tốc độ đáp ứng của cảm biến, có thể đạt đến cỡ GHz, cùng với tốc độ đáp ứng của phần điện tử xử lý tín hiệu.
Giao thoa kế có nhược điểm là yêu cầu độ ổn định cao về cường độ nguồn laser và hệ quang học, cũng như môi trường xung quanh Để xác định chiều của chuyển động, cần sử dụng sơ đồ giao thoa kế phân cực hoặc kết hợp nhiều cảm biến với nghiêng gương Giao thoa kế heterodyne là một giải pháp tiềm năng trong trường hợp này.
Trong đo lường độ dài, giao thoa kế một tần số nổi bật với thiết kế đơn giản và tốc độ đo cao nhờ vào sự chuyển đổi trực tiếp của thay đổi pha thành cường độ tín hiệu Tuy nhiên, nó yêu cầu độ ổn định cường độ cao từ nguồn laser và môi trường Ngược lại, giao thoa kế hai tần số có thể đo trực tiếp sự thay đổi tần số do hiệu ứng Doppler, mang lại phạm vi đo lớn, khả năng xác định chiều chuyển động và giảm thiểu ảnh hưởng từ sự thay đổi cường độ laser Dù vậy, giao thoa kế hai tần số đòi hỏi nguồn laser phát đồng thời hai tần số và có chi phí cao hơn so với loại một tần số.
Sơ đồ nguyên lý của giao thoa kế hai tần số cho thấy nguồn laser phát đồng thời hai tần số với cường độ bằng nhau và phân cực vuông góc Chùm laser đi qua lăng kính chia chùm không phân cực, một phần vào sợi quang để làm tín hiệu chuẩn, cho phép đo hiệu hai tần số trong thời gian thực (Δf=f1 -f2) Tiếp theo, chùm tia đi tới lăng kính chia chùm phân cực, nơi lăng kính phản xạ một nửa chùm tia có phân cực s (tần số f2) vào gương tĩnh, trong khi nửa còn lại có phân cực p (tần số f1) hướng vào gương động Gương động và gương tĩnh phản xạ các chùm tia lại lăng kính, và hai chùm tia kết hợp tại lăng kính trước khi vào sợi quang Sợi quang giúp tín hiệu đo ổn định trong môi trường công nghiệp và dễ dàng kết nối với các bộ phận xử lý tín hiệu Dịch chuyển của gương động gây ra sự thay đổi tần số chuẩn Δf theo hiệu ứng Doppler, là cơ sở cho phép đo giao thoa hai tần số.
Hình 1.3b1: Giao thoa kế hai tần số.
Có hai phương pháp tạo ra nguồn hai tần số được sử dụng phổ biến,
+ phương pháp dựa vào hiệu ứng Zeeman và phương pháp sử dụng AOM
Phương pháp dựa trên hiệu ứng Zeeman sử dụng điện trường mạnh dọc theo trục quang của buồng cộng hưởng He-Ne laser để phân tách laser đơn mode thành hai mode phân cực tròn ngược nhau, bao gồm phân cực tròn trái và phân cực tròn phải Hai tần số này có sự sai khác với tần số gốc một lượng bằng nhau, với tần số 1 = 0 + ∆/2 và tần số 2 = 0 - ∆/2 Để chuyển đổi hai tần số phân cực tròn thành hai thành phần phân cực thẳng vuông góc, tấm trễ pha λ/4 được sử dụng Hiệu giữa hai tần số ∆ phát ra từ nguồn này nằm trong khoảng từ 1MHz đến 4MHz.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG
Nguồn laser
Nguồn laser là một loại nguồn sáng đặc biệt, được gọi là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích" (LASER) Nó có thể phát ra ánh sáng trong các vùng cực tím, ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại Hoạt động của nguồn laser diễn ra trong buồng cộng hưởng, nơi chứa hoạt chất laser có khả năng khuếch đại ánh sáng Khi một photon va chạm vào hoạt chất, nó sẽ kích thích một photon khác bay cùng hướng, tạo ra một chuỗi phản xạ liên tục giữa các gương trong buồng Quá trình này làm tăng mật độ photon, dẫn đến cường độ chùm laser được khuếch đại đáng kể Tính chất của laser phụ thuộc vào loại hoạt chất kích hoạt, và một phần chùm tia sẽ được cho phép đi qua gương để phát ra ánh sáng laser ra bên ngoài.
Hình 2.1 Cấu tạo nguồn laser
3,4- Gương phản xạ toàn phần và Gương bán mạ
Chức năng của các bộ phận :
+ Môi chất laser: là môi trường hoạt chất có khả năng tạo nên bức xạ ánh sáng với bước sóng cần thiết.
+ Buồng cộng hưởng: Khuyếch đại chọn lọc bức xạ laser
+ Bơm Laser: Cung cấp năng lượng cho môi chất laser tạo nên nghịch đảo các mức năng lượng đặc điểm chính của nguồn laser :
+ Độ kết hợp cao về không gian , thời gian
+ Khả năng đạt được mật độ công suất cao
Laser rắn là một trong những công nghệ laser phổ biến hiện nay, với khoảng 200 chất rắn có thể làm môi trường hoạt chất, bao gồm vật liệu thủy tinh và thủy tinh thể Trong số đó, laser ruby là loại đầu tiên được phát hiện và có ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực.
Laser lỏng là chất lỏng được sử dụng làm môi trường hoạt chất trong các hệ thống laser Một ví dụ điển hình của loại laser này là laser xung nhuộm, trong đó sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ làm môi trường hoạt chất.
Laser khí là loại laser hoạt động bằng cách phóng điện qua một môi trường khí, tạo ra ánh sáng laser có độ kết dính và chùm sáng cao Loại laser này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu chất lượng ánh sáng vượt trội.
Laser bán dẫn, hay còn gọi là laser diot, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như đọc đĩa Compact, máy in laser, bút chỉ bảng và hệ thống chống trộm Khác với laser rắn, laser bán dẫn sử dụng nguồn điện làm nguồn bơm thay vì năng lượng ánh sáng.
Bộ tách chùm tia (Beam splitter)
Bộ tách chùm là thiết bị phản xạ một phần chùm tia sáng, cho phép phần còn lại tiếp tục đi thẳng Nó có thể là một bản thủy tinh hình vuông hoặc chữ nhật với lớp tráng phản xạ, hoặc tích hợp trong các cấu trúc quang phức tạp Phổ biến nhất là bộ tách chùm sử dụng hai lăng kính góc vuông, tạo ra bề mặt bán phản xạ và hàn lại thành hình lập phương Khi ánh sáng đi qua, một phần sẽ bị lệch 90 độ, trong khi phần còn lại không bị ảnh hưởng Ngoài việc chia chùm tia, bộ tách chùm còn có khả năng kết hợp hai chùm tia hoặc các ảnh tách rời thành một.
Bộ tách chùm tia dạng tấm bao gồm một tấm thủy tinh mỏng, phẳng được phủ trên bề mặt đầu tiên của chất nền, thường có lớp phủ chống phản xạ trên bề mặt thứ hai để loại bỏ phản xạ Fresnel không mong muốn Thiết kế của bộ tách chùm thường được tối ưu hóa cho góc tới 45 ° Đối với chất nền có chiết suất 1,5 và góc tới 45 °, khoảng cách dịch chuyển chùm (d) có thể được tính toán chính xác.
Hình 0.1a Bộ tách chùm dạng tấm
Bộ tách chùm lập phương được chế tạo từ hai lăng kính góc vuông, trong đó bề mặt cạnh huyền của một lăng trụ được tráng và hai lăng trụ tam giác được gắn kết tạo thành một hình khối Để bảo vệ lớp tráng khỏi hư hỏng, lăng kính bên ngoài cũng được tráng phủ trước ánh sáng truyền vào và thường có vạch tham chiếu trên bề mặt nền.
Hình 0.2b Bộ tách chùm lập phương
Các bộ tách chùm được phân chia thành hai loại: bộ tách chùm thông thường và bộ tách chùm phân cực Bộ tách chùm tiêu chuẩn chủ yếu được sử dụng với nguồn ánh sáng không phân cực, như ánh sáng tự nhiên hoặc đa sắc, trong những ứng dụng mà trạng thái phân cực không quan trọng Chúng có khả năng tách ánh sáng không phân cực theo tỷ lệ Phản xạ / Truyền (R / T) nhất định, đồng thời giữ nguyên trạng thái phân cực của ánh sáng tới Ví dụ, bộ tách chùm không phân cực 50/50 sẽ truyền cả hai trạng thái phân cực P và S.
S phản xạ được phân loại theo tỷ lệ thiết kế, và các bộ tách chùm này rất phù hợp để duy trì sự phân cực trong các ứng dụng sử dụng ánh sáng phân cực.
Hình 0.2c Bộ tách chùm thông thường (không phân cực)
Bộ tách chùm phân cực có chức năng tách ánh sáng thành hai chùm: chùm phân cực S phản xạ và chùm phân cực P truyền qua Thiết bị này có thể được áp dụng để tách ánh sáng không phân cực với tỷ lệ 50/50, hoặc phục vụ cho các ứng dụng tách phân cực, chẳng hạn như trong cách ly quang học.
Hình 0.2d Bộ tách chùm phân cực
Gương phản xạ
Gương phẳng bao gồm hai phần chính: đế gương và lớp phản xạ Đế gương là một bề mặt bằng thuỷ tinh quang học, được gia công với độ sóng và độ nhám cao Khi lớp phản xạ nằm trên đế, nó được gọi là gương phản xạ mặt trên, cho phép các tia sáng được phản xạ trực tiếp mà không đi vào đế Gương phản xạ mặt trước có hệ số phản xạ cao hơn so với gương phản xạ mặt sau Mặc dù lớp phản xạ dễ bị tổn thương và có thể giảm tuổi thọ, nhưng gương phản xạ mặt trên vẫn được sử dụng phổ biến trong các dụng cụ quang chính xác.
Khi lớp phản xạ mặt dưới của đế được gọi là gương phản xạ mặt sau, các tia sáng sẽ tới đế và phản xạ ở lớp này trước khi trở lại môi trường cũ Điều này giúp bảo vệ các lớp phản xạ và duy trì hệ số phản xạ ổn định theo thời gian Tuy nhiên, chất lượng của đế gương ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng chùm sáng phản xạ, do đó gương phản xạ mặt dưới thường được sử dụng trong các dụng cụ quang học phổ biến với chất lượng tạo ảnh trung bình.
Lớp phản xạ được sản xuất qua nhiều phương pháp như mạ hóa, mạ theo đọng hơi bề mặt, và mạ vật lý Tùy thuộc vào tính chất của gương, vật liệu của màng phản xạ cũng sẽ khác nhau.
- Vật liệu màng là kim loại : nhóm , đồng , bạc , vàng , crôm , thuỷ ngân
có hệ số phản xạ cao trong miền ánh sáng trắng.
- Vật liệu là oxyt các loại : AlO3 ; TiO ; SiO
- Vật liệu là muối các loại : ZnS , MgF
- Xoay chiều ảnh và đảo hệ toạ độ ảnh so với toạ độ vật
- Tăng tỷ số truyền trong các dụng cụ đo
- Làm mục tiêu phản xạ
Có thể nói gương phẳng là chi tiết quang rất quan trọng trong kết cấu các hệ quang Trên thực tế, 85 % hệ quang có sử dụng gương phẳng.
Tấm ẳ bước súng
Phân cực ánh sáng là một đặc tính quan trọng, có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường chính xác Ánh sáng, dưới dạng sóng điện từ, tương tác với môi trường và tạo ra hiện tượng phân cực Khi đó, các thành phần của vectơ điện trường sẽ vuông góc với nhau và với phương truyền sóng Nghiên cứu sự không đều nhau trong ánh sáng đã giúp phân loại các dạng phân cực như phân cực thẳng, phân cực elip và phân cực tròn.
Đoản sáng là sóng điện từ phát ra từ nguồn sáng, di chuyển theo phương truyền ánh sáng Các vectơ điện trường của đoản sáng nằm trên một mặt dao động cố định, trong khi các vectơ từ trường nằm trên mặt chứa tia sáng và vuông góc với mặt dao động.
Ánh sáng tự nhiên, bao gồm ánh sáng từ mặt trời và các nguồn sáng nhân tạo như đèn điện và sợi đốt, là ánh sáng chưa phân cực Nó được hình thành từ sự kết hợp của nhiều đoản sáng không liên quan, dẫn đến các vectơ điện trường dao động một cách ngẫu nhiên theo mọi phương vuông góc với tia sáng.
Ánh sáng phân cực xảy ra khi ánh sáng tự nhiên đi qua các bản phân cực hoặc tinh thể đặc biệt, hoặc khi nó phản xạ trên bề mặt giữa hai môi trường khác nhau Hiện tượng này làm cho các vector điện trường chỉ dao động theo một phương xác định, tạo ra trạng thái phân cực cho ánh sáng.
Ánh sáng phân cực thẳng xảy ra khi các vectơ điện trường dao động trên một mặt nhất định, trong khi ánh sáng phân cực một phần bao gồm các vectơ dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng, tạo thành phân cực tròn Các chùm tia laser tại góc tới Brewster là ví dụ của ánh sáng phân cực thẳng Khi cường độ vectơ điện trường không đồng đều, ánh sáng sẽ dao động theo hình elip, được gọi là phân cực elip.
Tấm phân cực là thiết bị quang học được sử dụng để tạo chùm sáng phân cực toàn phần từ chùm sáng chưa phân cực.
Tấm phân cực được chế tạo từ vật liệu lưỡng chiết, có sự khác biệt về chiết suất giữa hai trục trực giao, tạo ra sự chênh lệch vận tốc ánh sáng phân cực Trục chính nhanh có chiết suất thấp hơn, dẫn đến vận tốc ánh sáng nhanh hơn, trong khi trục quay chậm có chiết suất cao hơn, làm giảm vận tốc ánh sáng phân cực Khi ánh sáng đi qua tấm sóng, sự chênh lệch vận tốc này gây ra sự lệch pha giữa hai thành phần phân cực Sự chuyển pha này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu, độ dày tấm sóng và bước sóng tín hiệu.
Chiết suất dọc theo trục chậm được ký hiệu là n1, trong khi chiết suất dọc theo trục nhanh trực giao là n2 Bề dày của bản sóng được ký hiệu là d, và λ đại diện cho bước sóng của tín hiệu.
Các tấm sóng được cung cấp với độ chậm là λ/4 hoặc λ/2, tạo ra sự lệch pha tương ứng với một phần tư hoặc một nửa bước sóng Mỗi trục của tấm sóng có chỉ số khúc xạ khác nhau, dẫn đến tốc độ truyền sóng khác nhau.
Tấm một phần tư sóng tạo ra độ lệch pha giữa các trục nhanh và chậm là một phần tư bước sóng (λ/4) Khi chùm tia đầu vào phân cực tuyến tính được căn chỉnh ở góc 45° so với trục của tấm sóng, chùm tia đầu ra sẽ có phân cực tròn Nếu góc căn chỉnh khác 45°, chùm tia đầu ra sẽ trở thành phân cực elip Ngoài ra, khi chùm tia phân cực tròn chiếu vào tấm sóng λ/4, chùm tia đầu ra sẽ chuyển đổi thành phân cực tuyến tính.
Hình 0.3 Tấm phần tư bước sóng (λ/4)
Tấm lọc phân cực
Kính lọc phân cực là bộ lọc quang học cho phép ánh sáng phân cực nhất định đi qua và ngăn chặn ánh sáng phân cực khác Thiết bị này có khả năng chuyển đổi chùm ánh sáng phân cực không xác định thành chùm ánh sáng phân cực rõ ràng Hai loại phổ biến của kính lọc phân cực là phân cực tuyến tính và phân cực tròn.
Hình 2.9 Tấm lọc phân cực
Bàn dịch chuyển PZT
Vật liệu PZT và các vật liệu áp điện khác sở hữu nhiều đặc tính độc đáo Cụ thể, khi một vật liệu áp điện bị biến dạng, nó sẽ tạo ra một điện tích nhờ vào hiệu ứng áp điện.
PZT, hay chì zirconate titanate (Pb [Zr (x) Ti (1-x)] O3), là một trong những vật liệu gốm áp điện phổ biến nhất thế giới, với cấu trúc tinh thể perovskite khi nung Dưới các điều kiện cho phép đối xứng tứ diện hoặc hình thoi, mỗi tinh thể PZT tạo ra một momen lưỡng cực Được phát triển bởi các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Tokyo vào khoảng năm 1952, PZT có độ nhạy cao và nhiệt độ hoạt động vượt trội so với Bari Titanate (BaTiO3) Trong ứng dụng công suất, PZT hoạt động như một phần tử dịch chuyển hoặc biến thế, yêu cầu khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại với hiệu suất cao tại vùng tần số cộng hưởng điện cơ.
Bàn dịch chuyển PZT (PZT stage) là một thiết bị cơ học điều khiển bởi bộ truyền động áp điện, cho phép di chuyển trên một hoặc nhiều trục với độ chính xác cao trong các ứng dụng micro hoặc nanomet Khi được cấp điện áp, PZT sẽ dãn dài theo một hướng, tác động lên bản dịch chuyển, dẫn đến chuyển động tuyến tính Quá trình này cũng làm uốn các dầm (lò xo), và khoảng dịch chuyển được ghi lại bởi cảm biến, hiển thị thông tin trên các thiết bị đi kèm Khi điện áp giảm hoặc không cấp điện, PZT co lại, và các dầm uốn sẽ đàn hồi, đưa bàn dịch chuyển trở về vị trí ban đầu.
Hình 0.4 Nguyên lý kết cấu một bàn dịch chuyển PZT
Máy đo pha/ đếm xung
Giao thoa kế Michelson cho phép xác định dịch chuyển qua việc đo độ lệch pha giữa hai nhánh đo và nhánh chuẩn Để thực hiện điều này, cần một thiết bị có khả năng xác định độ lệch pha từ tín hiệu điện chuyển đổi qua cảm biến quang học, được gọi là máy đo pha Nguyên lý hoạt động của máy đo pha được minh họa trong hình 2.7, trong đó tín hiệu vào từ cảm biến được thu lại qua bộ dịch pha và chuyển đổi thành dạng sin.
Trong bài viết này, A và B đại diện cho biên độ của Ir và Im Sử dụng bộ phase shifter như hình 2.7, tín hiệu A*cos(ωt) được tạo ra với pha dịch chuyển π/2 rad so với tín hiệu đầu vào A*sin(ωt) Phép biến đổi Hilbert cho phép tạo ra tín hiệu này, như thể hiện trong Hình 2(b) Tín hiệu A*sin(ωt) và A*cos(ωt) được nhân với cosΦ và sinΦ, sau đó cộng lại với nhau Bộ dịch pha có khả năng điều chỉnh pha tham chiếu ωt thành pha ωt + Φ Khi tín hiệu Im được nhân với tín hiệu I, tích của chúng sẽ được phân tích trong bối cảnh này.
2 Để loại bỏ thành phần tần số cao, tín hiệu được cho đi qua một low-pass filter
(LPF), tín hiệu ra sẽ có dạng:
Hình 0.7 Nguyên lý máy đo pha PLL
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO THOA KẾ
Thiết kế hệ thống giao thoa kế
Hình 3.1 Sơ đồ của một giao thoa kế dị năng cơ bản.
Bài viết đề cập đến các thiết bị quang học quan trọng, bao gồm bộ tách chùm tia BS, bộ tách chùm tia phân cực PBS, tấm sóng phần tư QWP, cùng với các thành phần FR và TR, cũng như bộ phân cực P1 và P2 để cố định và mục tiêu hồi lưu phản xạ Ngoài ra, còn có bộ tách sóng quang PD1 và PD2, tất cả đều đóng vai trò thiết yếu trong các ứng dụng quang học.
Cấu hình cơ bản của giao thoa kế heterodyne được mô tả trong Hình 1.4, sử dụng laser He-Ne ổn định Zeeman để phát ra hai chùm tia đồng trục với phân cực trực giao và tần số hơi khác nhau (f1 và f2) Hai chùm tia này được thể hiện dưới dạng sóng phẳng.
E1 = E01 cos (2πf1t) , E2 = E02 cos (2πf2t) (1) trong đó 01 , 02 , 1 và 2 lần lượt là biên độ với 01 = 02 = 0 , và tần số của của chùm tìa phân cực s theo chiều ngang và p theo chiều dọc tương ứng.
Tần số nhịp (heterodyne) được định nghĩa là ∆ = 2 − 1 (với 2 > 1) Một bộ tách chùm (BS) chia chùm tia tới thành hai phần: phần phản xạ và phần truyền qua Phần phản xạ đi qua bộ phân cực (P1) và đến bộ tách sóng quang (PD1) Với trục phân cực của P1 được định hướng 45 độ so với trục phân cực của hai chùm tia, các thành phần phân cực có tần số f1 và f2 trong trục này sẽ giao thoa với nhau Tại PD1, tín hiệu nhiễu được tạo ra, và cường độ của tín hiệu này sẽ được xác định.
Cường độ ánh sáng có một số hạng bù DC, số hạng tần số cao ( (2 1 ), (2 2 ), và ( 1 + 2 )) và số hạng tần số nhịp ( 2 −
Các số hạng tần số cao từ 10 đến 14 Hz không thể đo được bằng PD1 do giới hạn băng thông, trong khi tần số nhịp từ MHz lại có thể Sau khi tín hiệu được lọc qua bộ lọc thông cao (HPF) để loại bỏ phần bù DC, cường độ của tín hiệu sẽ được viết lại.
∆ (3) trong đó ∆ = 2 ∆ là tần số nhịp góc.
Một bộ tách chùm phân cực (PBS) trong giao thoa kế chia phần truyền từ BS thành hai chùm phân cực tuyến tính trực giao Chùm phản xạ tần số 1 từ PBS truyền qua tấm bản phần tư sóng (QWP) và bộ phản xạ ngược cố định (FR), khiến chùm tia truyền qua QWP một lần nữa và đi vào PD2 Tấm QWP quay mặt phẳng phân cực của chùm tia tới tần số 1 một góc 2 sau khi phản xạ từ FR, trong khi tần số của chùm tia trong nhánh chuẩn vẫn giữ nguyên là 1 Đồng thời, chùm tia tần số 2 từ PBS di chuyển qua nhánh đo qua một tấm QWP khác và bộ phản xạ ngược mục tiêu (TR), trước khi đi vào PD2.
Trong QWP thứ 2, mặt phẳng phân cực của chùm tia tới tần số 2 được quay một góc 2 sau khi phản xạ từ TR Do chuyển động của TR, đường quang trong nhánh đo bị thay đổi, dẫn đến tần số của chùm tia trở thành 2 + ∆, trong đó ∆ là dịch tần số Doppler tức thời Tại PBS, hai chùm sáng với tần số 1 và 2 + ∆ kết hợp lại Khi sử dụng bộ phân cực P2 với trục phân cực ở 45 độ so với sự phân cực của hai chùm, tín hiệu giao thoa được tạo ra tại PD2 Cường độ của tín hiệu này được tính toán dựa trên các yếu tố trên.
+ [2πd(n( 1 + 2 ) + ỉ ( )] + [2πd(n( 2 − 1 ) + ỉ ( )]} trong đó ( ) là sự thay đổi pha tích lũy do dịch chuyển Doppler (xem Công thức
(6) (7) và (8) Bởi vì lý do tương tự được chỉ ra trong Eq.(3) sau khi đi qua một
HPF khác, cường độ của được viết lại thành
Chúng tôi giả định rằng sự dịch chuyển tần số Doppler tức thời ∆ tại thời điểm lấy mẫu thứ i, ký hiệu là Δ, có thể được xác định qua khoảng thời gian lấy mẫu Điều này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau thông qua việc so sánh và phân tích dữ liệu Giao thoa kế được sử dụng để hỗ trợ trong quá trình này.
Mối quan hệ giữa dịch chuyển tần số Doppler tức thời (∆) và vận tốc tức thời của TR được thể hiện qua công thức Δ =, với việc chỉ có một đường đi duy nhất trong Hình 1.
Chiết suất của không khí và bước sóng của laze HeNe trong chân không được thể hiện qua công thức Δ = 2πd(n ∫ +Δ) Sự thay đổi pha tức thời Δ giữa các yếu tố này có thể được mô tả bằng các biểu thức toán học liên quan đến khoảng cách d và chiết suất n, dẫn đến Δ = 4πd(nn ∫ +Δ Những công thức này cho thấy mối quan hệ giữa các tham số vật lý trong nghiên cứu quang học.
(7) trong đó : là vận tốc không đổi trong thời gian Δ , Δ = Δ làΔ độ dịch chuyển tức thời của TR.
Tổng thay đổi pha tích lũy( ), trong đó = Δ có thể được viết là: ỉm( ) = ∑ Δ = ∑
( ) là tổng độ dịch chuyển của TR.
Nếu sự thay đổi pha tức thời Δ vượt quá 2π trong khoảng thời gian lấy mẫu Δ, thì sự không rõ ràng cần được kết hợp vào phương trình (8) Điều này có nghĩa là tốc độ đo được của bộ phản xạ ngược hoặc gương mục tiêu phụ thuộc vào khoảng thời gian lấy mẫu.
Tính toán và lựa chọn thiết bị
Trong hệ quang học, đặc biệt là hệ quang sử dụng laser để đo lường, việc lựa chọn nguồn laser là bước đầu tiên và quan trọng Đối với hệ giao thoa kế heterodyne, nguồn laser He-Ne được xem là lựa chọn ổn định và phù hợp với yêu cầu sử dụng Trong thiết kế này, nguồn laser He-Ne Zygo ZMI 7705 đã được chọn làm nguồn phát cho hệ giao thoa, với các thông số, hình ảnh và kích thước được thể hiện rõ ràng trong hình 3.2, hình 3.3 và bảng 3.1.
Hình 0.1 Bản vẽ kích thước nguồn He-Ne laser Zygo ZMI 7705
Bảng 0.1 Thông số nguồn He-Ne laser Zygo ZMI 7705
Loại Laser Helium-Neon, CW, heterodyne, linearly polarized (ánh sáng phân cực thẳng) Đường kính chùm tia 4.1 ± 0.3 mm
Chênh lệch tần số (Frequency Difference) 3.6 MHz ± 0.3MHz
Bước sóng chân không danh nghĩa 632.992 nm
(Nominal Vacuum Wavelength) Độ chính xác bước sóng chân không ±0.2 ppm
(Vacuum Wavelength Lifetime Accuracy) Độ ổn định bước sóng chân không 0.01 ppm/1 h
Phân loại an toàn Laser DHHS (DHHS Loại II
Laser Safety Classification) Điều kiện khởi động (max) +15 VDC ± 0.5 V @ 0.6 A
Công suất 7W trong khi hoạt động
9W trong quá trình khởi động
- Bộ tách chùm không phân cực BS049
Tính năng và đặc điểm
• Khuôn mặt phủ AR băng thông rộng cho 400 - 700 nm
• Lớp phủ bộ tách chùm băng rộng trên bề mặt đường chéo bên trong
• 10:90, 30:70, 50:50, 70:30 hoặc 90:10 (R: T) Tỷ lệ phân chia
Lớp phủ AR( bốn bề R avg
