Способ измерения оптической разности фаз

 

Изобретение относится к интерференционным измерениям. Сущность: для измерения оптической разности фаз формируют информационный и опорный пучки когерентного излучения, формируют интерференционную картину и преобразуют ее в последовательность электрических сигналов, затем плавно изменяют частоту оптических колебаний когерентного луча до получения сначала максимального, затем минимального значения сигналов фотоэлектрического преобразования, измеряют полученные значения и определяют их разность, формируют сигнал, равный среднему значению также изменением частоты излучения, измеряют частоту сдвига, компенсируют среднее значение сигнала сигналом, соответствующим интенсивности исходного когерентного излучения, изменяют компенсирующий сигнал на величину, превышающую порог чувствительности фотоэлектрического преобразователя, измеряют сигнал некомпенсации, дополнительно сдвигают частоту излучения на величину, при которой компенсируются сигналы фотоэлектрического преобразования, измеряют частоту дополнительного сдвига и определяют разность фаз по математической зависимости, в которую входят измеренные величины. 1 ил.

Изобретение относится к оптическим измерениям и может быть использовано для измерения разности фаз интерферирующих пучков, один из которых проходит через контролируемый фазовый объект.

Известен способ измерения оптической разности фаз [1], заключающийся в разделении когерентного оптического излучения на информационный и опорный пучки, совмещении информационного пучка, прошедшего через фазовый объект с опорным пучком, регистрации интенсивности выбранной точки интерференционной картины и определении разности фаз по изменению интенсивности относительно начальной интенсивности в отсутствии фазового объекта.

Недостатком способа является узкий диапазон измерения разности фаз из-за многозначности интерференционной картины, если фазовый сдвиг, вносимый контролируемым объектом, превышает 360 градусов (2π).

Известен способ измерения оптической разности фаз [2], заключающийся в зондировании фазового объекта излучения из двух и более длин световых волн, сравнении целых и дробных частей порядков интерференции каждой из длин волн и определении разности фаз по изменению разности хода информационного и опорного лучей, при которых совпадают дробные части интерференционных полос.

Однозначность фазовых измерений при разности фаз больше 360 градусов достигается за счет подбора целых частей порядков интерференции, при которых достигается совпадение дробных частей по всем длинам волн, которые проходят через фазовый объект. В качестве истинного порядка, который равен целому числу фазовых циклов в 2π измеряемой разности фаз, выбирают такой целый порядок, для которого различия расчетных и измеренных дробных частей минимальны для всех длин волн.

Недостатком способа является невысокая точность определения разности фаз из-за того, что абсолютное совпадение дробных частей по всем длинам волн практически невозможно, так как дробные части измеряются с определенными погрешностями. Кроме того, использование световых волн разных частот вызывает появление методических погрешностей, связанных с дисперсией показателя преломления фазового объекта.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ измерения оптической разности фаз [3], заключающийся в создании когерентного луча света, длина волны которого монотонно изменяется со временем, разделении переданного луча света на два луча, совмещении лучей, один из которых прошел через фазовый объект, фотоэлектрическом преобразовании амплитудно-модулированного сигнала в электрические импульсы, подсчете числа импульсов, пропорциональных числу смещающихся в процессе изменения частоты интерференционных полос N = , где N - количество подсчитанных оптических импульсов, Ψ - изменение разности фаз в процессе изменения частоты светового луча.

Фазовый сдвиг, вносимый объектом на начальной частоте ν_нсветового луча Δϕ_н= , где l - протяженность зондируемого объекта, n - показатель его преломления.

c - скорость света в вакууме.

Фазовый сдвиг, вносимый объектом на конечной частоте ν_к светового луча Δϕ_к= , Изменение разности фаз в процессе изменения частоты = -= l (n-1)(ν_к-ν_н), с учетом чего количество подсчитанных импульсов N = (n-1) (ν_к-ν_н) С точки зрения уменьшения погрешности измерения следует увеличить N, а следовательно, разность частот ν_к - ν_н. Но при этом возникает методическая погрешность от дисперсии показателя преломления n. Поэтому известный способ не обеспечивает высокую точность измерения фазовых свойств объектов, особенно с высокой дисперсией. Кроме того при большом частотном диапазоне изменения когерентного излучения, которое обеспечивает достаточно большое значение N, измеряется не оптическая разность фаз на исходной частоте, а фактически измеряется не оптическая разность фаз на исходной частоте, а фактически измеряется изменение оптической разности фаз в процессе частотной развертки оптического излучения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения оптической разности фаз при минимально возможном изменении частоты исходного оптического излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в способ измерения оптической разности фаз, заключающийся в создании когерентного луча света, разделении переданного луча света на информационный и опорный лучи, пропускании информационного луча через фазовый объект, совмещении его с опорным лучом, образовании интерференционной картины из чередующихся светлых и темных полос, фотоэлектрическом преобразовании интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке отсчета, плавном изменении частоты оптических колебаний светового луча дополнительно введены новые операции:
- сдвига частоты колебаний ν когерентного луча до получения максимального значения сигнала фотоэлектрического преобразования,
- измерения его значения U _max.

- сдвига частоты колебаний ν когерентного луча до получения минимального значения сигнала фотоэлектрического преобразования,
- измерения его значения U _min,
- определения разности измеренных сигналов ΔU_max = U_max - U_min,
- установки частоты сдвига, при которой сигнал фотоэлектрического преобразования становится равным его среднему значению U_ср = (U_max + U_min)/2,
- измерения частоты сдвига F,
- компенсации среднего значения сигнала фотоэлектрического преобразования сигналом вспомогательного фотоэлектрического преобразования интенсивности неразделенного пучка,
- изменения компенсирующего сигнала на величину, превышающую порог чувствительности фотоэлектрического преобразования,
- измерения сигнала некомпенсации ΔU,
- дополнительного сдвига частоты оптического сигнала на величину, при которой вновь компенсируются сигналы фотоэлектрических преобразований.

- измерении частоты дополнительного сдвига,
- определении искомой оптической разности фаз по формуле
Δϕ = = π.

Таким образом предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Соответствие критерию "существенные отличия" заключается в следующем. Совокупность новых операций, перечисленных выше, позволяет повысить точность измерения оптической разности фаз. Такая совокупность признаков, позволяющая достичь поставленной цели, авторам из литературы не известна.

Предлагаемый способ измерения оптической разности фаз осуществляется следующим образом. Создают когерентный луч света с помощью оптического квантового генератора (ОКГ) частоты ν. Передают луч света с интенсивностью I на интерферометр, где его разделяют на информационный и опорный лучи. Информационный луч проходит фазовый объект и совмещается в опорным лучом. В результате сложения когерентных лучей образуется интерференционная картина в виде чередующихся темных и светлых полос. С помощью фотоэлектрического преобразования, осуществляемого с помощью фотоприемника с щелевой диафрагмой, формируют электрический сигнал, пропорциональный интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке отсчета.

Интенсивность интерференционной полосы в точке отсчета определяется выражением
I₃= I₁+I₂+2 cos (ϕ₁-ϕ₂), (1) где I₁ и I₂ - интенсивности информационного и опорного лучей.

ϕ₁ и ϕ₂ - фазы световых волн интерферируемых лучей (I₁ = I₂ = I₀) выражение (1) принимает вид
I₃= 4I_ocos² (2)
Если фазовый объект характеризуется протяженностью l в направлении распространения информационного луча и показателем преломления n, то фазовая задержка светового луча при двукратном прохождении объекта лучом составляет
τ = , (3) где C - скорость света в вакууме.

Фазовый сдвиг между информационным и опорным лучами на частоте излучения ОКГ составит величину
Δϕ = ϕ₁-ϕ₂= = , (4) где ω - круговая частота излучения,
λ - длина волны излучения в вакууме.

В процессе фотоэлектрического преобразования неизбежно возникают погрешности от нестабильности параметров и режима работы фотоприемника. Поэтому электрический сигнал, пропорциональный фиксируемой интенсивности интерференционной полосы, можно представить с учетом выражений (1) и (2) в виде
U = 4S (1+γ)I_ocos² + δ = 4S (1+γ)I_ocos² + δ,
(5)
где S - нормированная чувствительность фотоприемника,
γ = ΔS/S - относительная погрешность чувствительности от изменения наклона градуировочной характеристики фотоприемника,
δ = ΔU - абсолютная погрешность нуля от дрейфа нуля фотоприемника.

При изменении параметров фазового объекта соответственно изменяется и разность фаз интерферируемых волн, что вызывает смещение интерференционных полос относительно неподвижного фотоприемника, поэтому преобразовательная характеристика фотоприемника в зависимости от изменяющейся разности фаз интерферируемых лучей имеет косинусоидальный характер, в соответствии с которым выходной сигнал фотоприемника периодически изменяется от U_max до U_min, что соответствует изменению разности фаз от 0 до π. При этом линейная зависимость выходного сигнала фотоприемника от разности фаз Δϕ имеет место только вблизи разности фаз Δϕ = π / 2, т.е. когда выходной сигнал фотоприемника принимает среднее значение U_ср = (U_max + I_min)/2, что соответствует нахождению границы светлой и темной полос в поле зрения фотоприемника. Аналогичные изменения выходного сигнала фотоприемника возникают и при изменении частоты когерентного излучения, которые вызывают пропорциональные из выражения (5) изменения разности фаз.

По предлагаемому способу плавным изменением частоты ω излучения ОКГ с помощью электрооптического преобразователя частоты, управляемого модулирующими электрическими колебаниями частоты Ω, устанавливают максимальное значение U _max и минимальное значение U_min выходного сигнала фотоприемника. Измеряют соответственно напряжения U_max и U_min и определяют их разность
ΔU_max = U_max - U_min (6)
Далее изменением модулирующей частоты устанавливают значение частоты Ω, соответствующее среднему значению напряжения выходного сигнала фотоприемника. Компенсируют это напряжение выходным напряжением вспомогательного фотоприемника, выходной сигнал которого пропорционален интенсивности исходного когерентного излучения I.

В зависимости от параметров фазового объекта и частоты излучения разность фаз интерферируемых волн может значительно превышать угол 2π. Поэтому фазовый сдвиг интерферируемых лучей по отношению к фотоприемнику, расположенному на границе светлой и темной полос, можно представить в виде
Δϕ = 2πN + ,
(7) где N - целое число фазовых циклов в 2π, соответствующее целому числу порядка интерференции.

Нулевое показание индикатора получают плавным изменением компенсирующего напряжения U_к. С учетом выражений (5) и (7) нулевое показание индикатора соответствует равенству
4S (1+γ)I_ocosN+ ± +δ - U_к= 0, (8) где ε - погрешность установки сдвига фаз интерферируемых волн в π / 2 (ε << π / 2).

При введении дополнительной разности фаз Δϕ₁ в интерферируемые лучи разность между выходным сигналом фотоприемника и компенсирующим напряжением принимает значение
=
(9)
Для малых значений дополнительной разности фаз (Δϕ₁ << π), можно считать, что sin ; cos 1 и разностное напряжение (9) принимает вид
ΔU₁= 4S (1+γ)I_ocosN+ ± 1∓ Δϕ₁+ + δ - U_к
(10)
Пренебрегая членом второго порядка малости и учитывая равенство (8), получим
ΔU₁ = ± 4S(1+ γ) I_o Δϕ₁, (11) где Δϕ₁ - дополнительная разность фаз в радианах.

Появление разностного напряжения ΔU₁ вызывается смещением интерференционной полосы на величину Δl << l, где l - ширина интерференционной полосы. При этом смещении Δl полосы на линейном участке интерференционной характеристики (11) связано с дополнительной разностью фаз Δϕ₁ и разностным напряжением ΔU₁ пропорциональной зависимостью
= = . (12)
Из соотношения (12) следует, что дополнительная разность напряжения на выходе фотоприемника связана линейной зависимостью с дополнительно разностью фаз
ΔU₁= . (13)
По предлагаемому способу после компенсации выходного сигнала фотоприемника по нулевому показанию индикатора изменяют компенсирующее напряжение на величину ΔU₂, которое превышает порог чувствительности фотоприемника в заданное число раз
δо < ΔU₂ < 4SI_о ΔU_лин, (14) где δ_о - порог чувствительности фотоприемника, определяемый флюктуационной составляющей дрейфа нуля фотоприемника δ, Δϕ_лин < π / 10 - ширина линейного участка амплитудно-фазовой характеристики фотоприемника.

Появление разностного напряжения ΔU₂ можно рассматривать как результат действия дополнительной разности фаз Δϕ₂, связанной соотношением (13) с разностным напряжением ΔU₂= , (15) откуда Δϕ₂=ΔU , (16)
Разностное напряжение (11) в этом случае принимает вид
ΔU₂ = ± 4S(1+ γ) I_o Δϕ₁. (17)
Это напряжение компенсируют плавным изменением частоты модулирующего напряжения. В процессе изменения частоты излучения возникает компенсирующая разность фаз, которая с учетом выражения (3) принимает вид
Δϕ₃= ± ΔΩτ = ± ΔΩ , (18) где ΔΩ - изменение частоты модуляции.

Нулевое показание индикатора восстанавливается тогда, когда разностное напряжение
ΔU₂ = 4S (1+ γ) I_o ( ± Δϕ₂ ± Δϕ₃)= 0 (19) откуда имеет равенство дополнительных фазовых сдвигов
Δϕ₂ = Δϕ₃ (20)
Подставляя в выражение (20) значения (16) и (18), получим ΔU = ΔΩ . (21)
Фазовый сдвиг, вносимый объектом на частоте излучения ω + Ω, в соответствии с выражением (4) имеет вид
Δϕ = , (22) откуда получаем соотношение = . (23)
Подставив левую часть соотношения (23) в выражение (21), получим
ΔU = Δϕ . (24)
Измеряемая оптическая разность фаз
Δϕ = π . (25)
Таким образом по измеренным значениям разностного напряжения ΔU₂, ΔU_max, частотам основного Ω и дополнительного ΔΩ сдвига определяют оптическую разность фаз Δϕ. При этом погрешность установки фотоприемника на границе светлой и темной полос ( ± ε), погрешность градуировочной характеристики фотоприемника (γ и δ) и непостоянство интенсивностей исходного оптического излучения не влияют на точность определения оптической разности фаз. Учитывая, что практически начальный сдвиг частоты много меньше исходной частоты излучения (Ω << ω), оптическую разность фаз можно определить по формуле
Δϕ = π = π = π,
(26)
где ν - частота оптического излучения,
λ - длина волны когерентного излучения в вакууме.

С - скорость света в вакууме,
ΔF - дополнительная частота сдвига.

Целая часть выражения (26) определяет целое число фазовых циклов в 2ϕ (целое число порядка интерференции), а дробная часть этого выражения - разность фаз Δϕ< 2ϕ (дробная часть порядка интерференции).

По сравнению с прототипом повышение точности измерения оптической разности фаз достигнуто за счет существенного сжатия диапазона изменения частоты оптического излучения. Так, если диапазон перестройки частоты оптического излучения по способу-прототипу определяется соотношением Δω = ω_к-ω_н= = π , (27) где ω_к и ω_н - соответственно конечное и начальное значения частоты изменяющегося оптического излучения,
τ - фазовая задержка, вносимая контролируемым объектом.

Минимальное изменение частоты имеет место при индикации только одного оптического импульса (N = 1), что соответствует изменению оптической разности фаз в процессе изменения частоты на 2ϕ. Тогда Δω_min = = 2π , (28)
С учетом выражения (22) имеем
Δω_min= 2π , (29) где Ω - изменение частоты в процессе частотной развертки луча на один фазовый цикл.

Таким образом минимально возможное изменение частоты оптического излучения по способу-прототипу Δf = = . (30)
Учитывая, что изменение частоты при изменении разности фаз Δϕ на один фазовый цикл мало (Ω << ω), получаем
Δf = , (31) где λ - длина волны исходного оптического излучения.

По предлагаемому способу в соответствии с выражением (26) достаточно иметь диапазон изменения частоты для разности фаз Δϕ всего лишь ΔF = . (32)
Погрешность от дисперсии показателя преломления n фазового объекта пропорциональна квадрату изменения частоты излучения или длины волны излучения (см.Большаков В.Д. и др. Радиогеодезические и электрооптическое измерения. - М.: Недра, 1985, с.71-72). Поэтому уменьшение погрешности в предлагаемом способе от дисперсии n можно оценить квадратом коэффициента сжатия диапазона перестройки частоты оптического излучения
= . (33)
В выражении (33) соотношение напряжений в соответствии с (12) можно заменить отношением сдвигов = (34)
Минимальное значение дополнительной разности фаз определяется порогом чувствительности интерферометра, которое составляет 10^-4-10^-5радиан. Выбирая дополнительную разность фаз Δϕ₂ в десять раз больше порога чувствительности, имеем
= 4000 раз
Следовательно, предлагаемый способ позволяет потенциально уменьшить погрешность от дисперсии показателя преломления объекта в 4 ˙ 10³ раз, т.е. практически полностью ее устранить. При этом инструментальные погрешности; как было показано выше, также практически исключаются.

На чертеже представлен пример выполнения интерференционного устройства для реализации предлагаемого способа измерения оптической разности фаз.

Устройство содержит оптический квантовый генератор (ОКГ) 1, первое полупрозрачное зеркало 2, электрооптическое устройство 3 сдвига частоты, второе полупрозрачное зеркало 4, неподвижные зеркала 5 и 6, фазовый объект 7, первые линзу 8, диафрагму 9, и последовательно соединенные фотоприемник 10 и делитель напряжения 11, последовательно соединенные дифференциальный усилитель 12 и цифровой вольтметр 13, вторые линзу 14, диафрагму 15, фотоприемник 16 и делитель напряжения 17, генератор электрических колебаний 18, выход которого соединен с управляющим входом оптического устройства 3 сдвига частоты и цифровым частотомером 19, ключ 20, включенный между выходом второго фотоприемника и входом второго делителя частоты 17, а выходы двух делителей частоты подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя 13.

Устройство сдвига частоты 3 представляет собой электрооптический модулятор света, работающий в полуволновом режиме, обеспечивающем присутствие на выходе одной составляющей оптического излучения с частотой ν+ F или ν- F, где F - частота модулирующего электрического сигнала генератора 18. Остальные блоки представляют собой стандартные оптические и электрические элементы и схемы.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение ОКГ 1 разделяется на две волны. Прошедшее через зеркало 2 излучение сдвигается по частоте в электрооптическим модуляторе 3 и делится полупрозрачным зеркалом 4 на два луча, один из которых - информационный отражается от зеркала 5, проходя дважды через фазовый объект 7.

Второй луч - опорный отражается от зеркала 6 и совмещается с информационным лучом, проходит через линзу 8 и диафрагму 9 на фотоприемник 10, в плоскости которого совместно с информационным лучом образует интерференционную картину.

Фотоприемник 10 преобразует интенсивность интерференционной полосы в выбранной точке отсчета в электрическое напряжение, которое регулируется делителем напряжения 11 и воздействует на один из входов дифференциального усилителя 12. На другой вход этого усилителя при замкнутом ключе 20 воздействует выходное напряжение второго фотоприемника 16 через регулируемый делитель напряжения 17.

Размыкают ключ 20 и плавным регулированием частоты генератора 18 устанавливают максимальное U_max и минимальное U_min значения выходного напряжения усилителя 12, которые измеряются вольтметром 13. Определяют разностное напряжение ΔU_max = U_max - U_min. Затем замыкают ключ 20 и устанавливают частоту модуляции генератора 18 F, при которой устанавливается нулевое показание вольтметра 13. Делителем 11 напряжения или делителем 17 добиваются появления разностного напряжения ΔU в соответствии с условием (14), которое также измеряется вольтметром 13. Плавным регулированием частоты генератора 18 восстанавливают нулевое показание вольтметра 13 и измеряют изменение модулирующей частоты ΔF.

Разность фаз, вносимая объектом 7, определяется по формуле (26) с учетом частоты или длины волны излучения ОКГ 1.

При измерении оптической разности фаз в диапазоне значений (10 - 100) π и использовании гелий-неонового лазера с длиной волны λ= 0,6328 мкм и контрастности интерференционной картины ΔU_max = =2 В, пороге чувствительности фотоприемника δ_o = 1 мкВ и выборе ΔU = 10δ_o = 10^-5 В частота дополнительного смещения частоты составила
ΔF_min= = 3·10⁷ Гц/
ΔF_max= = 3·10⁸ Гц.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ РАЗНОСТИ ФАЗ, заключающийся в освещении фазового объекта когерентным излучением, формировании информационного и опорного пучков, совмещении их и образовании интерференционной картины, фотоэлектрическом преобразовании интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке отсчета в электрический сигнал, плавном изменении частоты когерентного излучения и определении разности фаз, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения погрешности от дисперсии показателя преломления объекта, измеряют интенсивность исходного когерентного излучения, уравнивают интенсивности информационного и опорного пучков, измеряют частоту ν когерентного излучения, измеряют максимальное U_max и минимальное U_min значения электрического сигнала, сдвигая соответственно частоту когерентного излучения, определяют разность измеренных электрических сигналов DU_max=U_max-U_min определяют частоту F сдвига, при котором электрический сигнал становится равным U_ср = (U_max + U_min) / 2, компенсируют значение сигнала U_ср сигналом, соответствующим значению интенсивности исходного когерентного излучения, изменяют компенсирующий сигнал на величину, превышающую порог чувствительности фотоэлектрического преобразования, измеряют сигнал некомпенсации ΔU, восстанавливают нулевое значение выходного сигнала фотопреобразователя путем сдвига частоты излучения на величину ΔF и определяют разность фаз по формуле

где c - скорость света в вакууме;
λ - длина волны исходного когерентного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1