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““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