Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 4 - TS. Nguyễn Thành Đông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 4 - Các phương pháp đo lường độ dài bằng laser" được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Đo chính xác độ dài bằng giao thoa kế laser; Sự giao thoa của hai sóng trong trường hợp tổng quát; Sự hình thành vân giao thoa đồng độ nghiêng;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 4 - TS. Nguyễn Thành Đông

Chương 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐỘ DÀI BẰNG LASER 4.1 Đo chính xác độ dài bằng giao thoa kế laser. 4.1.1 Hiệu ứng giao thoa. Hiện tượng giao thoa xảy ra khi hai sóng ánh sáng kết hợp gặp nhau tại một điểm Hai sóng ánh sáng kết hợp cần phải phát từ hai nguồn sáng giống hệt nhau ( thường sử dụng hai sóng được tách từ cùng một nguồn sáng )
4.1.1.1-Sự giao thoa của hai sóng kết hợp Dao động tổng hợp tại M là tổng véc tơ hai dao động thành phần đạt tới đó . t d s1 = acos [ 2( - ) + 1 ] 1 T  t d2 s2 = a cos [ 2 (  ) + 2 ] T 
Giả sử hai dao động cùng phương , do đó độ lớn của dao động tổng hợp tìm được theo phép cộng đại số: Dao động tổng hợp có cùng chu kỳ như hai dao động thành phần và có biên độ và do đó cường độ sáng I là
là hiệu pha của hai sóng khi gặp nhau tại M Vì (1 - 2 ) / 2 = const , nên sự phân bố độ dọi phụ thuộc vào hiệu đường đi (d2-d1). Quĩ tích những điểm thoả mãn điều kiện d2-d1=const là các mặt Hypecboloit tròn xoay nhận đường s1s2 làm trục và nhận s1 , s2 làm các tiêu điểm + Độ dọi đạt cực đại và I = 4a2 = 4I0 khi hai sóng đồng pha , tức là d2-d1=m với m là số nguyên hay hiệu quang lộ là một số nguyên lần bước sóng + Độ dọi đạt cực tiểu và I = 0 bằng không khi hiệu quang lộ là một số lẻ lần của nửa bước sóng .
Hiện tượng khi tổng hợp hai sóng có cùng biên độ tần số và có hiệu pha ban đầu không đổi tại một điểm được gọi là giao thoa ánh sáng. Thực chất giao thoa của sóng là sự phân bố lại năng lượng sáng trong không gian. Muốn sự phân bố đó là ổn định trong khoảng thời gian đủ để quan sát được , thì hiệu pha của chúng phải không đổi ít nhất trong khoảng thời gian đó . Hai sóng cùng biên độ, tần số và có hiệu pha không đổi gọi là hai sóng kết hợp và sóng kết hợp là điêù kiện cần để có giao thoa
4.1.1.2 Sự giao thoa của hai sóng trong trường hợp tổng quát Khi hai sóng s1 ,s2 có phương bất kỳ , khi đó việc tổng hợp dao động thực hiện bằng phép cộng véc tơ . S = S1 + S2 Cường độ của sóng I = S2 =(S1+S2)2 = S12+S22 + 2S1S2 Lấy trung bình theo thời gian quan sát , ta có (S2) = (S12) + (S22) + 2S1S2
Khi S1 và S2 là sóng phẳng đơn sắc thì (S2)=a 2/2 nên Số hạng 2(S1S2)gọi là số hạng giao thoa , vì nếu nó bằng không thì a2=a12 +a22 Cường độ của dao động tổng hợp là tổng đơn giản của cường độ gây ra bởi hai dao động thành phần và không có giao thoa . Vậy điều kiện thứ nhất để có giao thoa là : phương dao động của hai sóng không vuông góc với nhau .
Khi hai sóng đơn sắc dao động cùng phương có tần số khác nhau S1 = a1cos(1t-1 ) với 1 =k1d1-01 S2 = a2cos(2t-2 ) với 2 =k2d2-02 Khi đó Để quan sát được ảnh giao thoa thì thời gian quan sát t’ phải đủ lớn so với chu kỳ dao động vậy chỉ có tích phân thứ nhất có thể khác không với điều kiện : - hiệu 1-2 đủ nhỏ và - 02-01 =const
Vậy điều kiện thứ hai để quan sát được vân giao thoa (tức là hệ vân ổn định trong suốt thời gian đủ để quan sát ) là hai sóng phải có tần số khác nhau không nhiều và có hiệu pha ban đầu không đổi . Điều đó có nghĩa là phải có sự cộng các sóng kết hợp .
Khi hai sóng biên độ phức U1(r) và U2(r) chồng chất lên nhau , kết quả là một sóng đơn sắc có cùng tần số và có biên độ phức U(r) = U1(r) + U2(r) cường độ sóng tổng là Biểu thức cường độ của sóng tổng hợp khi giao thoa giữa hai sóng kết hợp có biên độ khác nhau là
Trong trường hợp tổng quát này Đại lượng được gọi là độ sâu hay độ rõ của ảnh giao thoa .
4.1.1.3 Sự hình thành vân giao thoa đồng độ nghiêng : Hiệu quang trình của cặp tia IR và KR1 bằng
4.1.1.4 Ảnh giao thoa của vân đồng độ dầy Trong trường hợp dọi sáng vuông góc r = 0 , hai vân liên tiếp ứng với hai bề dày e1 và e2 : 2ne1 = m và 2ne2 = ( m+ 1 )  Và cách nhau một khoảng h= /2nα
Khi cho một trong hai gương dịch chuyển, vân sẽ dịch chuyển tùy theo hướng dịch chuyển của vân Bằng việc đếm số vân dịch chuyển ta có thể xác định được khoảng dịch chuyển của gương .
Giao thoa kiểu Maikenxon
4.1.2 Phương pháp đo dộ dài bằng giao thoa kế laser. Ảnh giao thoa nhận được trên mặt phẳng ảnh M có cường độ sáng I đều nhau trên toàn bộ ảnh giao thoa I=I1+I2+ 2cos Trong đó Gt St CT NguồnLaser S K Sđ Gđ Sơ đồ nguyên lý đo độ S't,S'đ x dài bằng giao thoa kế M đ® laser
Kết quả của phép biến đổi trên cho thấy: -Chu kỳ biến thiên dạng hình sin của cường độ sáng trên màn thu M tương ứng với dịch chuyển của gương động x = /2n. -Nếu số vân đếm được là N thì quãng đường mà gương động Gđ đã dịch chuyển là X = N. /2n -Khi dịch chuyển x của gương động theo một chiều thì có thể xác định được quãng đường x ứng với độ dài cần đo.
-Nếu có thể phân biệt được k mức độ sáng tối giữa vân sáng và vân tối thì còn có thể xác định được các lượng dịch chuyển x nhỏ đến /2kn. Đó chính là cơ sở của phép nâng cao độ phân giải của phép đo lên k lần. - Quan sát trạng thái sáng tối trên màn M không cho biết dịch chuyển x theo hướng nào vì ta nhận đưọc kết quả sáng - tối như nhau khi dịch chuyển x là theo hướng xa ra hay gần vào tấm chia chùm tia
Để phát hiện chiều biến đổi của dịch chuyển x, cần phải xoay gương động nghiêng một góc  như sơ đồ nguyên lý trên hình4.5.   Gt St CT Nguôn S Sđ Laser Gđ S't,S'đ x M Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế khi nghiêng gương ảnh giao thoa là các vân giao thoa đồng độ dày có bước vân .: H  /2n
Chiều dịch chuyển của các vân này là: + Khi gương động Gđ chạy xa so với gương tĩnh, thì các vân sẽ dịch chuyển theo hướng về phía đỉnh nêm. + Khi gương động Gđ chạy lại gần gương tĩnh Gt, các vân sẽ dịch chuyển rời xa đỉnh nêm. Khi dùng hai cảm biến quang điện Cb1 và Cb2 đặt cách nhau một phần tư bước vân H trên mặt phẳng hứng ảnh giao thoa, ta sẽ nhận được hai tín hiệu sin tính lệch pha nhau 900