Фазовые модуляторы. 
Оптические измерения. 
Компьютерная интерферометрия

Управление сдвигом фаз между объектным и опорным пучками в интерферометре осуществляется фазовыми модуляторами. Разность фаз между опорным и объектным пучками интерферометра определяется разностью длин оптических путей, которые проходят эти пучки. Таким образом, существует возможность управления разностью фаз за счет изменения либо разности хода лучей при постоянном значении показателя преломления, либо за счет изменения скорости распространения световой волны, т. е. изменения показателя преломления. Поэтому всю совокупность известных модуляторов можно разделить на два широких класса — «отражающие» и «преломляющие». Следующая ступень классификации — физико-механические принципы, лежащие в основе способа управления активным элементом фазового модулятора. Последняя ступень классификации делит фазовые модуляторы на группы в зависимости от типа активного элемента. В классе отражающих модуляторов в зависимости от типа перемещающего элемента следует различать отражающие зеркальные покрытия и движущиеся дифракционные решетки, создаваемые акустической волной и производящие брэгговское отражение света. В классе преломляющих модуляторов аналогами таких групп служат разнообразные модулирующие фазу материалы.

Рассмотрим основные технические конструкции фазовых модуляторов. На рис. 6.11, а показан стеклянный клин, расположенный перпендикулярно к падающему свету. Фазовый сдвиг происходит за счет пространственного сдвига клина.

где у — угол клина, алкоэффициент преломления стекла клина.

Фазовый сдвиг может быть получен также наклоном на угол, а плоскопараллельной пластины толщины t (рис. 6.11,6).

Еще одним устройством фазового сдвига является барокамера (рис. 6.11, в), устанавливаемая в одном из плеч интерферометра. Этот технический прием часто используется в конструкции интерферометра Фабри — Перо.

В интерферометрии для получения фазового сдвига часто используют дифракционные решетки. Известно, что свет, дифрагированный при перемещении решетки, сдвигает фазу. Рассмотрим синусоидальную решетку пространственной частоты 0, перемещающуюся со скоростью V (рис. 6.11, г). Пучки, сдвинугые на ± 0, имеют фазовые сдвиги, зависящие от времени.

Это позволяет использовать первые порядки дифракции как опорные волны в интерференционном эксперименте.

Рис. 6.11. Способы сдвига фаз:

а — стеклянным клином; б — поворотом плоскопараллсльной пластины; с использованием барокамеры (в); дифракционной решетки (г); акустооптического модулятора (д)

Решетки бывают амплитудные и фазовые. Используются как вращающиеся радиальные решетки, так и акустооитические модуляторы (рис. 6.11, <)), где бегущие в оптической среде волны используются в качестве ячеек Брэгга [7]. В них создается поперечная акустическая волна, в результате чего ячейка начинает функционировать как толстая дифракционная решетка.

Широкое применение получили электрооптические преломляющие модуляторы. Их действие основано на элсктрооптическом эффекте, характеризующемся возникновением сдвига фаз между компонентами обыкновенного и необыкновенного лучей световой волны, зависящего от величины приложенного электрического поля. В качестве модулируемой среды в основном используются электрооптические кристаллы типа метаниобата лития. Жидкие кристаллы, в которых тоже имеет место электрооптичсский эффект, мало применяются из-за невысокой оптической неоднородности, приводящей к амплитудно-фазовым искажениям. Однако важное их достоинство — низкое (порядка десятков вольт) управляющее напряжение. Фазовые модуляторы, построенные на основе электрооптических кристаллов, характеризуются высоким быстродействием, линейностью фазового сдвига, точностью, малой потребляемой мощностью. Однако они требуют применения дополнительных оптических элементов, таких как полуволновые пластины, поляризационные делители, имеющие высокую стоимость и трудоемкость изготовления. Существенным недостатком электрооптических модуляторов является низкая предельно допустимая мощность модулируемого излучения.

В поляризационных интерферометрах интерферирующие пучки поляризованы перпендикулярно друг к другу и фазовый сдвиг можно получить вращением полуволновой пластины или вращением поляризаторов. Несмотря на хорошую точность сдвига фаз, такие устройства характеризуются низким быстродействием, наличием механических узлов и дорогостоящей поляризационной оптики. Если в интерферометре не сбалансирована оптическая разность хода лучей (OPD), т. е. OPD 0, то изменение длины волны источника излучения приводит к фазовым сдвигам. Но нужно заметить, что изменение длины волны и оптическая разность хода должны быть тщательно проконтролированы.

Лазер с перестраиваемой длиной волны используется для измерения расстояний, где фазовые изменения ф = InUsXD? зависят от длины L или оптической разности хода, а изменение длины волны АХ достигается изменением управляющего тока.

Наиболее просто фазовый сдвиг осуществляется перемещением зеркала. Фазовый сдвиг происходит за счет поступательного движения зеркала на расстояние 5:

где, а — угол падения, а к — 2nJX. Зеркало перемещается электродвигателем с помощью микрометрического винта. Однако из-за высокой сложности изготовления прецизионного механического двигателя и низкой точности внесения фазового сдвига такие приборы не нашли широкого применения.

Более совершенны магнитострикционные модуляторы. Принцип их действия основан на деформации стержня из магнитного материала, помещенного в магнитное поле. Модулятор представляет собой стержень с приклеенным зеркалом и катушку, в которую подается управляющий ток. Хотя точность такого модулятора выше, необходимость создания сильных полей и токов затрудняет его использование.

Широкое применение при создании фазовых модуляторов нашел пьезоэлектрический эффект. Это объясняется малостью габаритов таких устройств, низкой стоимостью, высокой точностью внесения фазового сдвига, относительно низкими управляющими напряжениями (порядка сотен вольт), низкой потребляемой мощностью, большой механической прочностью, надежностью, высоким быстродействием. Для этих целей наиболее подходит пьезокерамика, создаваемая из материалов на основе твердых растворов цикроната — титана свинца. На рис. 6.12 показана конструкция модулятора на основе пьезоэлектрического преобразователя. В нем при подаче на электроды управляющего напряжения возникает пьезоэффект, приводящий к перемещению отражающего покрытия. Зависимость фазового сдвига от величины приложенного напряжения выражается аналитической зависимостью.

Рис. 6.12. Сдвиг фаз перемещением зеркала, закрепленного на пьезокерамике.

где Vo — полуволновое напряжение;^{-приложенное} напряжение.

Разработано устройство для сдвига фаз на основе пьезокерамики — ЦТС-19 (рис. 6.13). Для управления от компьютера использовалось двухканальное устройство сопряжения, которое управляло двумя двенадцатиразрядными цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП). Полуволновое напряжение модуляторов 170 В. Рабочая апертура 30 мм.

Для согласования устройства управления с полуволновым напряжением пьезокерамики использовались усилители мощности. Выходное напряжение усилителей ± 150 В. Линейность передаточной характеристики обеспечивается на уровне 0.1%. Время установления управляющего напряжения 10 мкс. Суммарное время.

Рис. 6.13. Структурная схема устройства управления пьезокерамикой установки устройства позиционирования около 1 мс. Точность установки фазового сдвига составляла + 5%, что обусловлено характеристиками применяемой пьезокерамики.