تداخل سنج لیزری چگونه کار می کند؟

تالیف: اصغر ناصری

تداخل سنج (Interferometer) بر اساس ادغام یک یا چند منبع نور و تشکیل یک الگوی تداخلی عمل می کند. الگوهای تداخلی تولید شده توسط تداخل سنج ها شامل اطلاعاتی درباره شی یا پدیده تحت مطالعه هستند. از این ابزارها برای اندازه گیری های بسیار کوچک استفاده می‌شود که به روشهای دیگر قابل انجام نیستند.

تداخل سنج ها که امروزه بطور وسیعی در صنایع و آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده می شوند، در اواخر قرن نوزدهم توسط آلبرت مایکلسون کشف شد. تداخل سنج مایکلسون در سال 1887 در آزمایش معروف مایکلسون-مورلی بکار رفت که برای اثبات یا رد وجود "اتر درخشان" طراحی شده بود، ماده ای که در آن زمان تصور می شد تمامی عالم را پر کرده است. تمامی تداخل سنج های امروزی از این نوع اولیه ناشی شدند که نحوه استفاده از خواص نور در اندازه گیری های بسیار کوچک را مدلل می سازد. ابداع لیزر باعث افزایش توان تداخل سنج ها و امکان اندازه گیری ابعاد بسیار کوچک گردید.

به علت کاربرد وسیع این ابزار، تداخل سنج ها در اشکال و اندازه های بسیار متنوعی موجودند. از این ابزارها برای اندازه گیری هرچیزی از کوچکترین تغییرات در سطح یک ارگانیسم میکروسکوپی تا ساختار انبساط گازها و غبار در عالم دوردست استفاده می شود. یکی از جدیدترین کاربردهای این ابزار در اندازه گیری امواج گرانشی است. با وجود این تنوع در کاربرد، همگی تداخل سنج ها از یک اصل ساده استفاده می کنند و آن برهم نهی پرتوهای نور برای ایجاد یک الگوی تداخلی است.

تداخل سنج مایکلسون از یک پرتوشکاف (beamsplitter) (یک نیم آینه که نیمی از نور را منعکس کرده و نیم دیگر را عبور می دهد) و دو آینه تشکیل شده است. وقتی نور از درون نیم آینه عبور می کند، به دو پرتو با مسیرهای متفاوت تجزیه شده و یکی به سمت آینه اول و دیگری به سمت آینه دوم می رود. پس از بازتاب از روی آینه ها این پرتوها مجددا در محل پرتوشکاف با یکدیگر ترکیب شده و سپس به آشکارساز می رسند. اختلاف مسیر دو پرتو موجب یک اختلاف فاز بین آنها می شود که یک الگوی نوارهای تداخلی ایجاد می‌کند. سپس این الگو توسط آشکارساز تحلیل می شود تا مشخصات 

موج، خواص ماده و یا جابجایی یک آینه نسبت به دیگری اندازه گیری شود (این امر به نوع تنظیم آینه ها بستگی دارد).

سیستم لیزری ML-10 و XL-80 دو تا از متداول ترین سیستم های اندازه گیری تداخلی هستند که توسط شرکت Renishaw ابداع گردیده است. دو آینه اصلی در این سیستم رترورفلکتور (منشورهایی که نور را در جهت موازی مسیر آمدن آن باز می تابانند) نامیده می‌شوند. یکی از این دو به پرتوشکاف وصل شده و آینه ثابت مرجع را می سازد. دیگری آینه متحرک بوده و به بازوی متحرک ماشین وصل می شود تا تغییر فاصله آن نسبت به آینه ثابت مرجع را اندازه گیری کند.

پرتو لیزر تولید شده در پرتوشکاف پلاریزه به دو پرتو (بازتابیده (2) و منتقل شده (3)) تجزیه می شود. این پرتوها از روی آینه ها بازتابانده شده و قبلاز رسیدن به آشکارساز در محل پرتوشکاف با هم ترکیب می شوند. استفاده از رترورفلکتورها، موازی بودن پرتوهای بازتابیده از آینه‌ ثابت مرجع و آینه متحرک تحت اندازه گیری را در هنگام رسیدن به پرتوشکاف تضمین می‌کنند. امواج نور در هنگام ترکیب با یکدیگر یا هم فاز هستند که در این صورت یک تداخل سازنده و نواری روشن خواهیم داشت (دو قله موج یا دو دره موج با هم تلاقی می کنند) و یا در فاز مخالفند که تداخل از نوع مخرب بوده و نواری تاریک بدست می‌دهد (قله یک موج یعنی بیشینه دامنه آن با دره موج دیگر یعنی کمینه دامنه آن تلاقی می کند).

پردازش اپتیکی نور در آشکارساز امکان مشاهده تداخل دو پرتو را می دهد. جابجایی بازوی متحرک ماشین که آینه متحرک به ان متصل است باعث تغییر نسبی فاز دو پرتو می شود. این چرخه تداخل های سازنده و مخرب باعث تغییرات چرخه ای در شدت پرتو نور ترکیبی می‌شود. یک چرخه تغییر در شذت نور از روشن به تاریک هر زمان روی می دهد که بازو و آینه‌ی متحرک 316.5 nm یعنی نصف طول موج لیزر جابجا می‌شود. میزان جابجایی آینه متحرک با استفاده از فرمول زیر و شمارش چرخه ها امکان پذیر است:

که d میزان جابجایی برحسب میکرون، لامبدا طول موج نور لیزر (0.633 میکرون) و N تعداد نوارهای عبور شده است. با درونیابی فاز درون این چرخه‌ها می توان به تفکیک پذیری بالاتر 1 nm رسید.

شکل زیر تنظیم لیزر و آینه ها برای اندازه گیری محورهای افقی مانند X و Y در یک ماشین CNC را نشان می دهد. تنظیم محورهای عمودی مانند Z کمی دشوارتر است و مهارت بیشتری می طلبد.

نویسنده مقاله اصغر ناصری در حال تنظیم تداخل سنج لیزری برای اندازه گیری محور Z یک ماشین CMM

منابع:

http://www.renishaw.com/en/interferometry-explained--7854

کالیبراسیون ماشین های CNC با استفاده از تداخل سنج لیزری

تالیف: اصغر ناصری

یکی از فعالیت های مهم در تعمیر و نگهداری ماشین ابزارهای کنترل کامپیوتری (CNC) ، بازرسی دوره ای درستی هندسی و سینماتیکی آنها می باشد. اندازه گیری انحراف های هندسی مانند مستقیمی، توازی، تختی و انحراف های حرکت محورها از موقعیت های خطی می تواند اطلاعات لازم در مورد سطح درستی کارکردی ماشین های ابزار چندمحوره را فراهم سازد. استفاده از اصل تداخل نور که توسط آلبرت مایکلسون در دهه 1880 ابداع شد روش بنیادی در کنترل هندسی ماشین های ابزار بشمار می‌رود.

تداخل سنج مایکلسون از یک منبع نور مونوکروم (با طول موج واحد)، یک مجموعه آینه ثابت و یک مجموعه آینه متحرک تشکیل شده است. منبع نور بر روی یک نیم آینه مایل (آینه ای که نیمی از نور را منعکس و نیم دیگر را عبور می دهد) با زاویه 90 درجه منعکس شده و به آینه ای با فاصله ثابت از آن برخورد کرده و بر می‌گردد. نیم دیگر نور نیز به یک آینه متحرک برخورد می کند که به ابزارگیر متحرک ماشین بسته شده است. بازتاب دو پرتو نور باهم ترکیب شده و یک الگوی تداخلی شامل نوارهای تاریک و روشن را می سازد که فاصله میان نوارهای متوالی ضریبی از طول موج نور است. بدین ترتیب با معلوم بودن طول موج نور و تعداد نوارها ی تاریک وروشن می توان موقعیت دقیق آینه متحرک نسبت به منبع نور تک موج را دریافت.

 

اصل تداخل سنجی نوری

یکی از تداخل سنج های تجاری معروف، ML10 ساخت شرکت Renishaw است که از یک منبع تولید لیزر تک موج، مجموعه هایی از آینه و یک ثبات دمای EC10 برای جبران دمایی تشکیل شده است. در عمل، آینه ثابت در جلوی منبع لیزر تک موج قرار گرفته و آینه متحرک نیز به ابزارگیر متحرک ماشین بسته می‌شود. پس از تنظیم همراستایی پرتو لیزر ارسالی از منبع نور با آینه های متحرک و ثابت (که به روش خاصی انجام می شود)، محور ابزارگیر با دستورات کنترلی یا دستی در موقعیت های معین قرار گرفته و موقعیت اندازه گیری شده توسط تداخل سنج با موقعیت نشان داده شده توسط ماشین مقایسه شده و از این طریق خطای حرکت خطی محورها اندازه گیری می شود.

تداخل سنج لیزری ML10

شیوه نصب و چیدمان تداخل سنج لیزری ML10 برای کالیبراسیون موقعیت های حرکت خطی  یکی از محورهای ماشین

سپس خطاهای ثبت شده را می توان در فایل جبران خطا (Error Map) کنترلر ماشین وارد کرده و خطاهای حرکتی ماشین را به حداقل ممکن کاهش داد.

مدیر وبلاگ دنیای علم و تکنولوژی (اصغر ناصری) در حال وارد کردن خطاها در کنترلر ماشین  CNC

برای اطلاعات بیشتر فایل زیر را مطالعه فرمایید:

Laser Interferometry – Measurement and Calibration Method for Machine Tools