Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Laserová vlna jako přesné pravítko

Dokážeme v České republice přesně měřit vzdálenosti velké jako atomy?
 |  13. 3. 2009
 |  Vesmír 88, 198, 2009/3

Současná metrologie délky používá definici jednotky 1 metr, což je délka dráhy, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy. Tato definice se v národních metrologických ústavech realizuje normálovými lasery, které vyzařují koherentní záření s přesně určenou délkou vlny. Pakliže je toto světlo použito pro optické odměřování délky, získáváme laserový interferometr, který měří s přímou návazností na tuto definici. Principem optického měření je interference (skládání) dvou světelných vln. Jsou-li vlny ve fázi, vytvoří na výstupu interferometru pole světlé, pokud jsou v protifázi, vidíme pole tmavé. Jakmile posouváme měřicí zrcadlo jedné z těchto vln v prostoru neznámé měřené vzdálenosti, na výstupu se v rytmu posuvu střídavě objevují pole tmavá a světlá. Pouhým sečtením počtu světelných změn pak zjistíme, o kolik vlnových délek jsme se posunuli, jinými slovy kolik vlnových délek světelné vlny se „vejde“ do neznámé vzdálenosti. Když pak tento počet vynásobíme vlnovou délkou (u červeného laseru např. 633 nm), víme, kolik tato vzdálenost měří, a to již přímo v metrech.

Základním dílkem měření vzdálenosti interferometrem je tedy vlnová délka, což ovšem při velikosti 633 nm je rozlišení poměrně hrubé. Proto se u těchto optických přístrojů používá dělení dílku (interferenčního proužku) na zlomky, které mohou dosahovat řádu jednotek nanometrů. Tyto metody jsou v dnešní době dobře propracované a oddělení koherenční optiky Ústavu přístrojové techniky AV ČR se na výzkumu v této oblasti dlouhodobě podílí. Výzkumnému týmu ÚPT AV ČR se podařilo v minulých letech dokonce zavést originální metodu, která zajišťuje linearitu dělení interferenčního proužku a sahá až k desetině nanometru, tedy vzdálenosti srovnatelné s velikostí atomů.

Proč potřebujeme měřit tak přesně?

Světové trhy kladou čím dál vyšší požadavky na kvalitu, a tím i konkurenceschopnost nabízených výrobků. Jde-li o výrobky přesného strojírenství, jedním z měřítek kvality je jejich vysoká geometrická přesnost. Postupně se přesnost výroby zvyšuje a již nyní lze najít oblasti výroby, které díky nanotechnologiím dávají tvar produktům nanometrových velikostí. Protože vždy pro tuto výrobu nelze použít laserové interferometry (např. kvůli vysoké ceně či citlivosti na pracovní podmínky), jejich výrobci jsou nuceni používat elektronické snímače délky, především snímače indukčnostní, kapacitní a optoelektrická pravítka. Jedním z předpokladů jak zajistit vysokou přesnost měření délky elektronickými snímači je kalibrace jejich stupnic pomocí laserových interferometrů. Laserové interferometry, které pracují jako přesné normály pro kalibrace, se nazývají délkové komparátory, pro oblast nanoměření pak nanokomparátory.

Oddělení koherenční optiky ÚPT AV ČR, Český metrologický institut a firma Mesing, s. r. o., dokončují výzkumný projekt, jehož cílem je kompaktní laserový nanokomparátor pro přesné kalibrace délkových měřidel.

Unikátní metoda vyvinuta v rámci českého výzkumu Použité lineární vedení nanokomparátoru, na kterém je umístěno zrcadlo interferometru, vykazuje velmi malý odklon od měřicí osy snímače (typicky < 100 µrad). Časem však dochází k mechanickému opotřebení a chyba náklonu („pitch“ a „yaw“ error) se zvyšuje až několikanásobně. V takovém případě interferometr měří s chybou, a navíc s hysterezí. To vše snižuje reprodukovatelnost měření, a tedy i jistotu kalibrace. Pro rozsah snímače o délce např. 25 mm může způsobit zhoršující se vůle vedení chybu až několik desítek nanometrů. Abychom těmto nežádoucím vlivům zabránili, vyvinuli jsme metodu aktivní stabilizace náklonu zrcadla, která zhoršující se vůli lineárních vedení kompenzuje.

Metoda využívá zmíněné tři piezoelektrické měniče, jež upevňují zrcadlo na jezdec lineárního vedení. Měniče zrcadlo jemně posouvají v ose měření a zároveň ho mohou naklápět ve svislé či vodorovné ose. Aktivní stabilizace náklonu je řízena sledováním místa dopadu druhého průchodu měřicího svazku. Zrcadlo je polopropustné, tudíž fotodetektor P2, umístěný za zrcadlem, snímá polohu dopadu světelného svazku. Jakmile se zrcadlo nakloní vlivem vůle vedení, regulační algoritmus provede akční zásah a pomocí piezoměničů zajistí zpětný příklon zrcadla do správné polohy (přesně kolmé na osu měření). Regulační smyčka, která je realizována na bázi signálových procesorů, plně kompenzuje nežádoucí náklony zrcadla po celou dobu kalibrace snímače.

Když laserový svazek proběhne měřicí větví, je na výstupu interferometru detekována interference. To provádí detekční jednotka s kvadraturním výstupem, která zajišťuje velmi jemné dělení základního dílku (proužku) až na desetiny nanometrů.

Mechanická konstrukce nanokomparátoru

Základna laserového komparátoru je konstruována jako litinový rám, který spojuje referenční bod interferometru a kalibrovaného snímače v pevně definované poloze (obrázek 3). Samozřejmostí je i monitorování teplotních změn celého přístroje souborem teplotních čidel. Sledují se rovněž teplota, vlhkost a tlak vzduchu obklopujícího měřicí větev laserového interferometru. Je to z toho důvodu, že laserová měření na vzduchu jsou ovlivněna indexem lomu atmosféry, a proto je nezbytné přepočítat údaje z interferometru přes tuto hodnotu.

Průběh kalibrace je řízen počítačem PC, který je vybaven specializovaným softwarem pro zpracování výsledků kalibrace (obrázek 2) Umožňuje graficky zobrazit průběh kalibračního procesu, vynést kalibrační křivky a také vypočítat korekční parametry pro testované snímače.

Současnost a budoucnost nanokomparátoru

Nanokomparátor vznikl během necelých tří let za přispění soukromých prostředků především firmy Mesing a finanční podpory programu Tandem FT-TA3/133 z Ministerstva průmyslu a obchodu. Řešitelský tým za něj získal na 50. mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně Cenu redakce Technického týdeníku a Cenu časopisu Automatizace.

Nyní se velmi pečlivě vyhodnocuje kalibrační měřicí schopnost (celková nejistota) tohoto přístroje. Zároveň se v laboratořích ÚPT AV ČR testují kalibrace řady délkových snímačů. Kromě indukčnostních snímačů, které vyrábí firma Mesing, se testují i snímače firem ESSA ČR a Heidenhain SRN.

Řešitelský tým pracuje na zařazení nanokomparátoru do národní metrologické soustavy ČR, kdy tento systém bude k dispozici výrobcům elektronických snímačů délky. Firma Mesing zároveň má v úmyslu převést funkční vzorek nanokomparátoru do komerční podoby a nabízet jej pro metrologická střediska větších strojírenských firem a metrologických laboratoří v Evropské unii a Švýcarsku. Tento přístroj má tedy velký potenciál stát se nejen potřebným zařízením v národních podmínkách ČR, ale je i příkladem mezioborové spolupráce výzkumných institucí se sférou soukromých inovačních podniků.

Technické řešení nanokomparátoru

Laserový nanokomparátor (obrázek 1) je řešen jako automatický odměřovací systém, kde kalibrační sondou je posuvné rovinné zrcadlo. Na střed měřicího zrcadla je umístěn dotyk testovaného snímače délky. Dráha posuvu zrcadla je vymezena soustavou precizních lineárních vedení s minimální vůlí a poloha zrcadla je řízena kombinací krokového motoru (hrubý posuv 100 mm s rozlišením 50 nm) a třemi piezoelektrickými měniči (jemný posuv 5 µm s rozlišení 0,04 nm). Z opačné strany měřicího zrcadla je umístěna optická soustava laserového interferometru, který je srdcem celého nanokomparátoru.

Jako zdroj laserového záření je použit stabilizovaný He-Ne laser pracující na vlnové délce 633 nm. Světlo z laseru je vedeno optickým vláknem na vstup interferometru, kde je děličem světla rozděleno na dva světelné svazky: referenční větev a měřicí větev. Jednou z novinek této optické soustavy interferometru je právě uspořádání měřicí větve, která je realizována v ose měření jako dvouprůchodová, čímž je dosaženo zmenšení základního dílku na čtvrtinu vlnové délky (tj. 158 nm).

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Metrologie

O autorovi

Ondřej Číp

Ing. Ondřej Číp, Ph.D., (*1970) vystudoval biomedicínské inženýrství na Fakultě elektrotechniky a informatiky VUT v Brně. Pracuje v ústavu přístrojové techniky AV ČR, v. v. i., v oddělení koherenční optiky; je řešitelem projektů orientovaných na laserovou interferometrii a nanometrologii.

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné