Implementation of a Michelson interferometer for length metrology
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2022 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/53797 |
Resumo: | Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Física, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências |
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Implementation of a Michelson interferometer for length metrologyMetrologia de ComprimentoÓticaInterferometriaQuadraturaPolarizaçãoTeses de mestrado - 2022Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de Mestrado Integrado, Engenharia Física, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasIn optical instrumentation it is necessary to have an accurate knowledge of the performance of the tools used to displace and align optical components, particularly of translation stages, therefore a high accuracy calibration is fundamental. The objective of this thesis was to study, design, implement and test an optical metrology instrument capable of performing such high accuracy calibrations. The technique that guarantees high accuracy in the calibration of displacements is optical metrology with interferometry. In order to achieve the objective of developing and building an interferometer the work was divided in several phases. We start with a brief review about the theory necessary to understand the functioning of an interferometer reviewing also the state of the art of interferometry, afterwards we study the uncer tainty model to determine the requirements of the interferometer’s components and of the ones to monitor atmospheric conditions. To finish the theoretical part of the work we define possible optical setups for the interferometer, concluding with the necessary signal processing. Preceding the assembly of the interferometer a prototype was developed. During this phase a few problems were corrected and the displacement of a translation stage was analysed, then a 3D model of the interferometer was built, a crucial step for the following engineering part of the thesis. The system was calibrated, achieving an uncertainty level under 50 nanometers for displacements under 100 millimeters and 1 micrometer for displacements under 4 meters. Following the calibration of the system several tests were conducted that serve as an example to the possible uses of the measurement system. The performance of the implemented system was capable of going beyond the initial requirements achieving an accuracy of: Ud[m] = (6.3×10−9 + 2.7×10−7×d)[m] (1) It was also possible to perceive the importance of a high accuracy measurement system in the characterization of positioning systems.Em instrumentação ótica é crucial ter um conhecimento exato não só da posição, mas também do deslocamento dos componentes óticos. As ordens de grandeza necessárias vão desde os milímetros até aos nanometros. De modo a posicionar e deslocar os componentes com a melhor exatidão e precisão possíveis não o podemos fazer à mão, é necessário recorrer a mesas de translação. Existem inúmeros tipos de mesas de translação motorizadas com gamas de funcionamento diferentes, para deslocamentos inferiores ao milímetro as mesas de translação recorrem a elementos piezoelétricos e para deslocamentos superiores ao milímetro as mesas de translação recorrem a motores de passo ou de corrente contínua. O principal problema destes instrumentos é a falta de conhecimento sobre as suas verdadeiras capacidades. Muitas das vezes o fabricante atribui uma incerteza ao modelo de mesas de translação que oferece, contudo, esta incerteza representa o pior dos casos possível o que significa que o produto adquirido pode ter melhor desempenho. Para resolver este problema e conhecer corretamente o comportamento de uma mesa de translação é necessário realizar uma calibração. Para além de fundamentais para as mesas de translação, as calibrações também beneficiam outros instrumentos óticos, tais como os sensores de deslocamento. Estes sensores também são genericamente caracterizados pelo fabricante, portanto sofrem do mesmo problema que as mesas de translação. Para tirar partido de todo o potencial de um sensor de deslocamento será necessário, mais uma vez, realizar uma calibração. Visto que as calibrações são um aspeto recorrente surge a necessidade de ter um instrumento capaz de as realizar. Existem imensas maneiras de obter deslocamentos pequenos, é possível atingir o regime dos nanometros com, por exemplo, sensores capacitivos ou piezoelétricos, no entanto a gama dinâmica destes sensores é bastante limitada, a técnica que tem a maior gama dinâmica e é frequentemente utilizada em metrologia de precisão é a interferometria. Hoje em dia existem várias técnicas e inúmeras configurações possíveis em interferometria, o que nos permite ajustar o sistema de medição de acordo com as nossas necessidades, otimizando o desempenho do interferómetro e mantendo a complexidade do sistema o menor possível. De acordo com a uso típico de mesas de translação em projetos de instrumentação em astrofísica e considerando as mesas de translação disponíveis no mercado, definiram-se os requisitos de incerteza que o interferómetro tem de cumprir. De modo a construir um interferómetro que cumpra os objetivos propostos este trabalho foi dividido em sete partes distintas. Na primeira parte a interferometria é introduzida, em seguida abordamos a relevância de cadeias de rastreabilidade e passamos para a revisão dos conceitos básicos da radiação eletromagnética que nos permitem compreender o fenómeno da interferência, tal como a equação do campo elétrico e as diferentes polarizações que este campo pode ter. Uma vez abordada a radiação eletromagnética introduzimos a notação de Jones de modo a facilitar a manipulação das várias equações necessárias, o que nos vai finalmente levar à explicação da interferência e às condições necessárias para que aconteça. Para concluir revemos o estado da arte das três componentes fundamentais de um interferómetro: a fonte de luz utilizada, o índice de refração do ar e o tipo de deteção do interferómetro, atribuindo especial atenção a este último aspeto. Na segunda parte é abordado o problema da incerteza do modelo introduzido previamente, o que implica a definição dos requisitos mínimos para a incerteza dos três módulos do interferómetro. A fonte de luz é limitada pelo comprimento de coerência e definimos que necessitamos de um laser de HeNe estabilizado. Quanto ao índice de refração e ao modulo de deteção fazemos um balanço de incerteza de modo a equilibrar a incerteza destas duas componentes de igual forma, o que nos leva a concluir que para o modulo de deteção necessitamos de quadratura. Relativamente ao índice de refração obtemos as incertezas com que temos de determinar as suas três componentes: a pressão, a temperatura e a humidade relativa do ar. Na terceira parte estudamos a quadratura. Após definido o método de deteção existem várias configurações possíveis para o interferómetro, pelo que quatro configurações relevantes são analisadas e em seguida comparadas de acordo com as suas vantagens e desvantagens. No final a escolha da melhor configuração não passa só por uma questão ótica, mas também mecânica, uma vez que as componentes têm de ser posicionadas e ajustadas manualmente e todos estes alinhamentos são complexos. Na quarta parte analisamos o processamento de sinal necessário para extrair a diferença de fase dos dois feixes que estão em quadratura. Começamos por caracterizar e corrigir os sinais detetados, em seguida explicamos como não é necessário ter uma diferença de fase de 90◦ para obtermos a quadratura e passamos para a otimização de alguns aspetos do processamento de sinal explicado inicialmente. Para concluir abordamos o processo do desdobramento da fase e as implicações que este tem na frequência de amostragem. Na quinta parte realizamos a montagem do interferómetro. Começamos por testar o modelo com um protótipo, o que nos permitiu concluir que as retrorreflexões e a divergência do laser eram um problema. De modo a corrigir as retrorreflexões introduzimos um isolador de Faraday na montagem e quanto à divergência do laser utilizamos um expansor de feixe. Após ter corrigido estes dois problemas testámos o protótipo com uma mesa de translação para verificar se o processamento de sinal estava corretamente implementado, os resultados obtidos indicam que os problemas que surgem devido ao processamento de sinal eram mínimos e tratamos de os corrigir de imediato. Em seguida passamos para o desenho do interferómetro a montar, entre os vários esquemas que consideramos escolhemos o que facilitava a montagem e otimizava a área disponível para o posicionamento os componentes. Nesta fase percebemos também como lidar com diversos problemas da montagem tal como o facto do feixe passar duas vezes pelo polarizador e o posicionamento do divisor de feixe polarizado no seu suporte. Após definir um esquema realizou-se um modelo 3D em SolidWorks para visualizar melhor a montagem e o posicionamento de cada componente. Quanto à montagem abordamos duas técnicas de alinhamento de feixes laser e concluímos com uma explicação detalhada do posicionamento de cada componente no interferómetro. Finalmente explicamos uma implementação simplificada do processamento de sinal utilizado em LabVIEW. A sexta parte compreende não só a calibração do interferómetro, mas também a sensibilidade do sistema a perturbações exteriores. Relativamente à sensibilidade do interferómetro percebemos que o sistema de estabilização da mesa utilizada é ótimo na atenuação dos ruídos exteriores e concluímos também que as condições ideais para a realização da calibração seriam durante a noite pois desejamos estar nas melhores condições possíveis para compreender os limites de funcionamento do interferómetro. Verificamos também que existe alguma deriva no sistema, no entanto os valores obtidos não excediam meia franja, contudo é prudente que as medições sejam efetuadas no menor intervalo de tempo possível. Quanto à calibração do interferómetro concluímos que a menor incerteza possível do instrumento é de 6.2nm, no entanto este valor foi limitado pela mesa de translação utilizada para a calibração. Com a calibração verificamos que estas incertezas são melhores do que os requisitos propostos no início e conseguimos obter a incerteza do interferómetro para qualquer deslocamento que pode ser aproximada pelo seguinte ajuste linear: Ud[m] = (6.3×10−9 + 2.7×10−7×d)[m] (2) Para concluir, na sétima parte o interferómetro foi utilizado na calibração de várias mesas de translação. Estas calibrações passam primeiro pela determinação da repetibilidade da origem e em seguida pela repetibilidade de deslocamentos ao longo do percurso das mesas de translação. Uma vez que o erro de deslocamento é conhecido (e linear) podemos corrigi-lo ao ajustar o fator de conversão tensão/deslocamento dos controladores das mesas, otimizando assim o desempenho destas para condições ainda melhores que as especificadas pelo fabricante.Cabral, Alexandre PereiraRepositório da Universidade de LisboaAlegria, Renato Pires2022-07-14T12:18:07Z202220222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/53797enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:59:57Zoai:repositorio.ul.pt:10451/53797Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:04:46.467718Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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