““InterferometrInterferometríía La Lááser Aplicado a ser Aplicado a la Metrologla Metrologíía Dimensionala Dimensional””

Lic. Lili Jannet Carrasco Tuesta

DIA MUNDIAL DE LA METROLOGIA 20 de Mayo del 2010

INDICEINDICE

1. Concepto de interferometría.

2. Interferómetros para medición de longitudes

con desplazamiento.

3. Interferómetro láser - SNM INDECOPI.

4. Aplicaciones

Patrón primario de longitud: El metro, mPatrPatróón primario de longitud: El metro, mn primario de longitud: El metro, mDefinición actual del metro

La actual definición del metro fue adoptada en la XVII Conferencia General de Pesas y Medidas, en 1983 como:

La longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío en un tiempo de 1/c;

c = 299 792 458 m/s

Para esta definición se adopta a la velocidad c de la luz como una constante universal.

Se puede considerar a la luz como una onda transversal, mientras que en otros es necesario considerarla como un flujo de partículas llamadas fotones, cuya energía individual depende de la frecuencia de la onda. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos, sobre todo en aquellos en los que interviene la metrología, es suficiente utilizar el concepto de onda transversal.

¿Qué es la luz?

crestas

valles

Por que la luz es como una regla con pequeñas divisiones

λ ~0,5 m

Porque medir con luz ?

Mediciones por encima de ~ 1 000 m (1 km)

Nano metrología, por debajo de ~ 0,000 000 001 m (1 nm)

Alta exactitud y versatilidad

Interferometría

• La luz es capaz de producir interferencias luminosas, cuando se superponen al menos dos trenes de ondas.

• La formación de estas franjas de interferencia es consecuencia de la diferencia de fase que existe entre ambos trenes de ondas

• Interferencia destructiva: En la intersección de dos ondas de igual amplitud y longitud de onda, si la diferencia de fase es múltiplo impar de πradianes, los valles de una onda coinciden con las crestas de la otra, resultando una interferencia destructiva, es decir, una onda de amplitud nula, observándose una franja oscura.

• Interferencia constructiva: Si la diferencia de fase es múltiplo par de πradianes, entonces coinciden tanto los valles como las crestas de ambas ondas, resultando una interferencia constructiva; es decir, una onda de amplitud doble, observándose una franja clara.

Interferencia destructiva

Onda 2

Onda 1

Onda 1+2

Interferencia destructiva

Interferencia constructiva

Onda 2

Onda 1 Onda 1+2

Interferómetro de Michelson

Espejomóvil

Espejo

Divisor de haz

Haz recombinado

Pantalla

ΔXFuente de luz

monocromática, λ

Franjas de interferencia

I0

I

Cuando los espejos están a la misma distancia del divisor de haz los dos haces están en fase y se produce interferencia constructiva.

Si el espejo móvil se desplaza un cuarto de onda la luz recorrera 2 x (l/4λ) = l/2λ , entonces el haz recombinado estará fuera de fase 180º y tendremos interferencia destructiva.

Si se alejan los espejos, entonces las diferencias de camino óptico produciráfranjas de interferencia

Si el índice de refracción n se mantiene cte., las variaciones en el camino óptico se debe sólo al desplazamiento del espejo y si se conoce λ, pueden determinarse con gran exactitud los desplazamientos del espejo móvil, ΔX

XnII 22cos12 0

Interferencia destructiva

Método interferométrico

El método interferométrico de medición de longitudes puede aplicarse en:

Mediciones de longitud con desplazamiento:Evaluar el desplazamiento relativo existente entre dos sistemas de franjas.

Mediciones de longitud sin desplazamiento:Contar el número de franjas contenidas en una determinada longitud.

Este método se lleva a la práctica en aparatos denominados interferómetros.

Interferómetros para medición de longitudes con desplazamiento

El esquema del interferómetro de Michelson es un sistema sencillo. Existen modificaciones más o menos complejas, en las que varían:

• El tipo de láser utilizado

• La complejidad del sistema óptico (en el que haces con diferente polarización y/o frecuencia recorren caminos diferentes).

• La electrónica y software de detección y tratamiento de las señales de interferencia.

Se han desarrollado dos métodos principales de detección según el tipo de láser utilizado:

Sistemas homodinos: Emisiones láser en una sola frecuencia

Sistemas heterodinos: Láser emite en dos frecuencias más o menos cercanas.

DefiniciDefinicióónn¿ Qué entendemos por sistema Interferométrico

Láser ?Cualquier equipo usado para medición de

desplazamiento basado en interferencia de luz láser.

LASERLight Amplification by Stimulated Emission of

Radiation Amplificación de luz por emisión estimulada de

radiación

Sistemas heterodinos

Para sistemas heterodinos se emplean dos métodos para generar haces láser con dos frecuencias distintas:

Modulación acusto-óptica: Un láser estabilizado emite un haz de una sola frecuencia, f1. Posteriormente se le hace pasar por un sistema de modulación acusto-óptico (AOM). Se generan así dos haces separadostanto físicamente como en frecuencia, f1 y f2. La separación en frecuencias es siempre de algunas decenas de MHz.

Efecto Zeeman: Es el propio láser el que emite dos haces de distinta frecuencia (entre cientos de kHz y 4 MHz) polarizados linealmente en cuadratura, f1 y f2.

Trazabilidad de la longitud de ondaLa diseminación la unidad de longitud se realiza desde los láseres primarios, emitiendo a una longitud de onda nominal de 633 nm

Con los láseres estabilizados que son los patrones primarios, se realizan calibraciones de láseres He-Ne a 633 nm cuya estabilidad es inferior a la del patrón. Esta calibración se realiza para la comparación de frecuencia, lo cual permite obtener alta exactitud en los valores de calibración.

Sistema de Interferométrico LáserFuente láser

Sensores de presión, humedad, temperatura del aire y material

Cabeza Láser

Compensación ambiental

Compensación de expansión térmica

Sistema de interpolación

Interface con PC

SoftwareSistema

Interferométrico

Elementos ópticos

movimiento

prismas (triedro) com ángulo de 900Contador de franjas

Compensador ambiental

Conversor de unidad

Mostrador digital computador f 1 f 2

f 2 f 1 ± f 1f 1 ± f 1

divisor de haz

Cabeza láser

f 1

f 2

unidad eletrónica

Sistema de Interferométrico Láser

f1

divisor de haz

prisma triedro (reflector)

f1

f2

f2

Parte Optica del Sistema de Interferométrico Láser

Divisor del haz

Reflector del haz de referencia

Parte Optica del Sistema de Interferométrico Láser

SISTEMA INTERFEROMETRICO LASER SNM - INDECOPI

Marca: Agilent Technologies (HP)Modelo: 5530

Cabeza láserModelo: 5519A

Longitud de onda nominal: 932,9913540 nm

Longitud de onda medida según Certificado de Calibración trazable al NIST de:

632,9913708 nm con incertidumbre de medición de 1E-9

Resolución: 1 nm

CARACTERISTICAS TECNICAS

APLICACIONES

• CALIBRACION DE RETICULAS Y REGLAS DE ALTA EXACTITUD

RETICULAS Y REGLAS PARA CALIBRACION DE MICROSCOPIOS, REGLAS PARACALIBRACION DE PROYECTORES DE PERFILES

• CALIBRACION DE REGLAS CLASE I HASTA 1 m

• CALIBRACION DE CINTAS METRICAS CLASE I

• CALIBRACION DE BLOQUES LARGOS (>100 mm hasta 500 mm)

RETICULAS Y REGLAS PARA CALIBRACION DE MICROSCOPIOS,

REGLAS PARA CALIBRACION DE PROYECTOR DE PERFILES

SISTEMA INTERFEROMETRICO LASER PARA CALIBRACION DE RETICULAS Y REGLAS DE ALTA EXACTITUD

INMETRO

Instrumento a Calibrar

microscópioDivisor de haz

Movimiento de la Mesa

Retro reflectorLaser

Incertidumbre de la medición = 80 nm en escalas de 1 mm

Cabeza láserPartes ópticas

CCD

Microscopio

Regla

Movimiento de la mesa

Sistema de medición de reglas de 1 mcon interferómetro láser

NIST

Sistema de medición de reglas de 3 m ( cintas métricas )con interferómetro láser

CENAM

Incertidumbre de la medición = 9,51 µm reglas hasta 3 m

Sistema de medición de bloques largos> 100 mm hasta 1 000 m

INMETRO

Medición de grandes longitudes;

Medición de Máquinas-herramientas;

Verificación de Máquinas de Medición por Coordenadas;

Acoplamiento a dispositivos de medición.

Otras Aplicaciones en la Metrologia Dimensional

Grandes distancias 80 m

Y

XZ

Ensayo de Posicionamiento

Torno Mecánico

Dupla reflector

Dupla divisor de haz

Mesa Circular

Medición de mesas de planitud

Detalle de conjunto óptico de retitud

Y

XZ

Verificación de máquinas de coordenadas

Medición del Coeficiente de Dilatación Térmica

Medición del Coeficiente de Dilatación Térmicapara bloques hasta 100 mm

CENAM

MUCHAS GRACIAS