Способ измерения фазового сдвига световых волн

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение точности и разрешающей способности измерений. Сущность способа заключается в том, что электрический измерительный сигнал с выхода фотопреобразователя направляют на питание излучателя светомодулятора, создавая положительную обратную связь в акустооптическом тракте обработки измерительной информации, которая преобразует фазовый сдвиг световых волн на входе в частотный сдвиг выходного электрического измерительного сигнала , по величине которого судят о фазовом сдвиге световых волн. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (И) (б1) 4 G 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4083460/24-28 (22) 11.05.86 (46) 15 ° 04 ° 88. Бюл. У 14 (7i) Московский станкоинструментальный институт (72) В.И.Телешевский, С.А.Игнатов и С.В.Капезин (53) 531.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 572646, кл. С 01 В 11/30, 1975. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА CBETOBbIX-ВОЛН (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения— повышение точности и разрешающей способности измерений. Сущность способа заключается в том, что электрический измерительный сигнал с выхода фотопреобразователя направляют на питание излучателя светомодулятора, создавая положительную обратную связь в акустооптическом тракте обработки измерительной информации, которая преобразует фазовый сдвиг световых волн на входе в частотный сдвиг выходного электрического измерительного сигнала, по величине которого судят î фазовом сдвиге световых волн. 1 ил.

1388721

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений перемещений объектов.

Цель изобретения — повышение точности и разрешающей способности измерений путем измерения в качестве информативного параметра частоты периодической структуры.

На чертеже изображена функциональная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит оптически связанные лазер 1, интерферометр Майкельсона, включающий светоделитель 2, измерительный 3 и опорный 4 уголковые отражатели, двойной оптический клапан 5, распо- 20 ложенный в опорном канале интерферометра, модулятор 6 (например, акусто-оптическую ячейку), щелевую диафрагму 7 и фотопреобразователь 8, излучатель 9 ультразвуковой волны, 25 последовательно соединенные резонанс- . ный усилитель 10 и коммутатор 11, генератор 12 гармонических колебаний.

Выход генератора 12 гармонических колебаний подключен ко второму входу коммутатора 11. Выход фотопреобразователя 8 подключен ко входу резонансного усилителя 10.

Способ осуществляют следующим об. разом.

Излучение лазера 1, направляемое на светоделитель 2 интерферометра

Майкельсона, делится на два световых пучка соответственно измерительного и опорного каналов. Отраженные 4 от измерительного 3 и опорного 4 уголковых. отражателей световые волны

Е и Е пространственно совмещаются

И оп на светоделителе 2 под углом с(,, задаваемым двойным оптическим клином 5 опорной световой волне и направляются на модулятор 6, в котором излучателем 9 создана ультразвуковая волна.

В результате дифракции световых волн на ультразвуковой волне, щелевой ди50 афрагмой 7 отфильтровывают на фотопреобразователь 8 пространственно совмещенные порядки дифракционного спектра: нулевой порядок дифракции измерительной световой волны Е«о1 и любой из первых порядков дифракции

55 опорной световой волны E,„(,1, Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема двух разночастотных излучений приводит к появлению на выходе фотопреобразователя 8 электрического измерительного сигнала U ы„ на частоте, равной разности взаимодействующих оптических частот, который поступает на резонансный усилитель 10 и далее на выход измерительного преобразователя, а также по каналу положительной обратной связи через коммутатор 11 на возбуждение излучателя 9. Генератор 12 гармонических колебаний на частоте f u ь коммутатор 11 служат для организации канала положительной обратной связи.

Световые волны F. и Е „„ на выходе из периоцической движущейся структуры, отфильтрованные на плоскость фотоприема, описываются формулами

E„«) = F.„Io(a)e ; (1)

-) 2 (-Ч ц)

-j nI (.-4) -yW

rPe E„

Хо(ц) и ?,(а) волн;

10 — частота периодической структуры; (р и у — фаза измерительной и оа и опорной световых волн; а — амплитуда фазовой модуляции света на периодической структуре °

U„,„= U sin2n(f,t + (р,), (3) где U — амплитудное значение напряжения выходного сигнала;

В результате оптического гетеродинирования, описываемого формулами (1) и (2), на выходе фотопреобразователя 8 возникает электрический измерительный сигнал на частоте, равной разности частот взаимодействующих оптических компонент:

1388721

U„„=U, ã f+, г hfx еп О х (с-зпа)) t+(p, = tl,sin2v j(f., + f„(aq„)) t +(р.), (4) 55 где и число дискрет.суммирования; ц — фаза электрического сигнала, равная разности фаз оптических компонент.

Электрический сигнал, определяемый 5 формулой (3), по каналу положительной обратной связи поступает на возбуждение излучателя 9 и образует замкнутый контур преобразования измерительной информации в виде накопителя (сумматора) доплеровского сдвига частоты, При этом нулевой порядок дифракции измерительной световой волны R« > «о) являясь независимым от частоты периодической структуры, служит кана- 15 лом ввода информации в измерительную систему, а частотнозависимый первый порядок дифракции опорной световой волны Е, выполняет роль оптического гетеродина при фотосмешении све- 20 товых излучений, Наличие канала положительной обратной связи с выхода фотопреобразователя 8 на возбуждение излучателя 9 при изменении выходного электричес- 25 кого сигнала, определяемого по формуле (3), приводит к изменению частоты периодической движущейся структуры, которая, обладая конечной скоростью

V распространения, достигает коор- 31) динаты У взаимодействия со световыми волнами F „ и Е „ через время а Наличие канала положительной обратной связи в структуре измерительной системы дает возможность автоматического управления частотой оптического гетеродина F.,<,) посредством управления частотой периодической структуры и тем самым осуществляет операцию суммирования, возникающего в световой 4р измерительной волне доплеровского сдвига частоты с дискретностью времени задержки, равной ьГ, характеризующей процесс распространения периодической структуры от излучателя до 45 координаты У взаимодействия со световыми волнами.

Таким образом, электрический измерительный сигнал в конце измерения описывается выражением

4и время измерения, равное времени воздействия доплеровского сдвига частоты;

Ь Г(t) — доплеровский сдвиг частоты измерительной световой волны, Суммарный частотный сдвиг Е (Ыр )=

Н ц

Q 5 f (t — тпьс) в выражении (4) явm=o ляется дискретным аналогом интеграла и характеризует линейность переноса информации из фазового в частотный спектр электрического измерительного сигнала, причем время ас. задержки определяет масштабность преобразования фазового сдвига световых волн в пропорциональное изменение частоты выходного сигнала и может регулироваться изменением координаты взаимодействия периодической структуры со световыми волнами, функция изменения частоты апроксимирует функцию изменения фазы f(t), перенося численное значение фазового сдвига световых волн в частотный спектр выходного электрического измерительного сигнала.

Таким .образом, предлагаемый способ измерения фазового сдвига световых волн, основанный на организации положительной обратной связи по фазе с выхода фотопреобразователя на вход излучателя (в отличие от известных) преобразует измеряемый фазовый сдвиг световых волн в пропорциональное изменение частоты электрического сигнала и обеспечивает повышение точности и разрешающей способности интерференционных измерений за счет повышения точности измерения информативного параметра — частоты, применение в качестве цифровых отсчетных устройств стандартных электронных приборов, например частотомеров, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, что устраняет расходы на разработку и производство специальных блоков индикации, а следовательно дает экономию в народном хозяйстве, а также оптимизирует процесс дальнейшей обработки измерительной информации с применением микропроцессорной техники.

Формула изобретения

Способ измерения фазового сдвига световых волн, заключающийся в том, что формируют движущуюся с постоян1388721

Составитель О.Несова

Техред М.Ходанич Корректор Л. Пилипенко

Редактор А.Ревин

Заказ 1571/43 Тираж 680 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035„ Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул . Проектная, 4 ной скоростью периодическую структуру, направляют на нее монохроматические когерентные световые потоки опорного и измерительного каналов интерферометра так, что они пересекаются в плоскости периодической структуры под углом, обеспечивающим пространственное совмещение порядков дифракции световых потоков опорного и измери-! тельного каналов интерферометра, разность оптических частот которых равна частоте периодической структуры, регистрируют результат интерференции двух дифрагированных световых потоков опорного и измерительного каналов интерферометра, преобразуют его в электрический сигнал, определяют разность фаз интерферирующих световых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и разрешающей способности измерений, изменяют частоту возбуждения движу10 щейся периодической структуры путем воздействия на ее формирование выходным электрическим сигналом, а разность фаз интерферирующих световых потоков определяют по изменению частоты выходного электрического сигнала.