Фазометр оптического диапазона

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных и угловых перемещения в фазосдвигающих устройств оптического и радиотехнического диапазонов. Цель изобретения состоит в повышении точности измерения информативного параметра фазового сдвига путем снижения погрешностей, обусловленных вибрацией, температурной нестабильностью, взаимной нестабильностью частоты генераторов, питающих акустооптические модуляторы. Это достигается за счет включения устройства регистрации угла сдвига фаз между выходами двух фотоприемников, в апертуре которых интерферируют совмещенные дифрагированные +1 и -1 порядков дифракции лучи акустооптических модуляторов первого и второго каналов. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерителях линейных и угловых перемещений, в фазосдвигающих устройствах оптического и радиотехнического диапазонов.

Известно устройство для измерения фазовых сдвигов, содержащее лазер, светоделительные устройства, оптический затвор, отражающий элемент, элемент совмещения световых пучков, фотоприемник, два акустооптических модулятора, систему формирования световых пучков. Электронная часть устройства включает радиочастотный фазометр, радиочастотный смеситель, генераторы питания акустооптических модуляторов, систему ФАПЧ с опорным генератором. Устройство позволяет вести измерение угла фазового сдвига в импульсе лазерного излучения [1] Недостатком указанного фазометра является то, что на результат измерения существенное влияние оказывают вибрации, температурные изменения окружающей среды, нестабильность генераторов питания акустооптических модуляторов.

Известно также устройство, в котором для уменьшения габаритов фазометра, акустооптические модуляторы располагают последовательно в одном канале по ходу луча лазера, а на пути распространения дифрагированных лучей размещены уголковые отражатели и средства совмещения этих лучей [2] Недостатком данного фазометра является то, что вибрация приводит к нестабильности показания фазометра, температурные нестабильности к систематическому уходу фазы. Нестабильность генератора, питающего акустооптические модуляторы, не исключается. Во всех случаях с вибрацией можно бороться путем использования виброустойчивых оснований интерферометра, а с температурными нестабильностями путем использования материалов с малыми температурными коэффициентами расширения. Такие меры борьбы требуют дополнительных материальных затрат, увеличивают габариты прибора и не всегда приемлемы в производственных условиях, особенно в машиностроительной промышленности.

Известен фазометр оптического диапазона, содержащий лазер, элементы разделения излучения на два оптических канала, два акустооптических модулятора, включенных в каналах и установленных под углом Брегга по отношению к падающему на них излучению, два уголковых отражателя, два элемента совмещения дифрагированных лучей, фотоприемник, установленный на пути распространения совмещенных дифрагированных лучей, два генератора возбуждения акустооптических модуляторов, смеситель электрических сигналов, систему регистрации фазового сдвига, причем выходы генераторов подключены к входам смесителя, а выход смесителя и выход фотоприемника к входам устройства регистрации фазового сдвига [3] Недостатком указанного фазометра является то, что на стабильность измерения угла сдвига фаз также существенное влияние оказывает температурная нестабильность окружающей среды, вибрации элементов оптической части измерительной системы и взаимная нестабильность генераторов питания модуляторов. Это объясняется тем, что нестабильности, возникающие в блоках двухканальной схемы, слабо коррелированы между собой. Поэтому дополнительные фазовые сдвиги, имеющие случайный характер, не компенсируются, а увеличивают погрешность измерения регулярного фазового сдвига за счет разброса показателей фазометра.

Задача изобретения повышение точности измерения угла фазового сдвига за счет снижения влияния вибраций, температурной нестабильности и взаимной нестабильности частоты генераторов, питающих акустооптические модуляторы.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее лазер, элементы разделения излучения на два оптических канала, два акустооптических модулятора, включенных в эти каналы и установленных под углом Брегга по отношению к падающему на них излучению, два уголковых отражателя, расположенных на пути распространения дифрагированных +1 и -1 порядков дифракции лучей акустооптических модуляторов, два элемента совмещения отраженных лучей +1 и -1 порядков дифракции, фотоприемник, установленный на пути распространения совмещенных дифрагированных лучей, два генератора электрических колебаний, подключенных к электрическим входам акустооптических модуляторов, и систему регистрации фазового сдвига электрических напряжений, соединенную одним входом с выходом фотоприемника, кроме того, он снабжен двумя дополнительными уголковыми отражателями, расположенными на пути распространения дифрагированных +1 и -1 порядков дифракции лучей тех же акустооптических модуляторов, двумя дополнительными элементами совмещения отраженных лучей +1 и -1 порядков дифракции и вторым фотоприемником, установленным на пути дополнительно полученного совмещенного дифрагированного луча, выход которого подключен к второму входу системы регистрации фазового сдвига электрических напряжений.

На чертеже представлена структурная схема устройства фазометра оптического диапазона. Фазометр оптического диапазона содержит лазер 1, излучение которого разделяется на два оптических канала с помощью элементов разделения 2 и 3, два акустооптических модулятора 4 и 5, включенных в эти каналы, дифрагированные лучи с выходов которых подаются на два уголковых отражателя 6 и 7 для лучей +1 порядка дифракции и на два дополнительных уголковых отражателя 8 и 9 для лучей -1 порядка дифракции.

Отраженные лучи от уголковых отражателей 6 и 7 совмещаются в пространстве с помощью элементов совмещения, выполненных в виде зеркала 10 и оптического смесителя 11. Отраженные лучи от уголковых отражателей 8 и 9 совмещаются с помощью дополнительных элементов совмещения, выполненных в виде зеркала 12 и оптического смесителя 13. Первый фотоприемник 14 установлен на пути совмещенного дифрагированного луча +1 порядка, а второй фотоприемник 15 на пути совмещенного луча -1 порядка. Выходы фотоприемников 14 и 15 подключены к входам устройства 16 регистрации фазового сдвига, два генератора 17 и 18 электрических колебаний подключены к электрическим входам акустооптических модуляторов 4 и 5, на пути одного из лучей включен оптически прозрачный объект 19, создающий сдвиг фаз между каналами.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 с помощью полупрозрачного 2 и отражающего 3 зеркал разделяется на два излучения, на пути которых под углом Брегга установлены акустооптические модуляторы 4 и 5 в первом и во втором каналах соответственно. На электрические входы модуляторов подаются напряжения возбуждения акустических волн от генераторов 17 и 18 радиочастотного диапазона (50-100 МГц). Гармонические напряжения этих генераторов имеют частоту F₁ и F₂ соответственно, которые мало отличаются друг от друга. Разностная частота F F₁ F₂ выбирается равной 50-100 кГц, чтобы F << F₁ и F >> F₂. В результате акустического взаимодействия лазерного излучения с частотой f₃ и волны возбуждения с частотой F₁ в первом канале и с частотой F₂ во втором на выходах модуляторов за счет дифракции излучения лазера появляются дифрагированные лучи +1 и -1 порядков в каждом из каналов. Лучи нулевого порядка не используются.

Дифрагированные лучи +1 порядка имеют частоту f₀ + F₁ в первом канале и f₀ + F₂ во втором соответственно. Лучи -1 порядка дифракции имеют частоту f₀ F₁ в первом и f₀ F₂ во втором каналах соответственно. Эти лучи на выходах модуляторов излучаются под углом Брегга, равном 2 Θ arcsin λ/λ_o (1) где λ длина акустической волны в модуляторе; λ_o длина волны лазерного излучения.

Так как λ << λ_o то на сравнительно небольшой базе можно обеспечить пространственную фильтрацию лучей на выходе модуляторов 4 и 5. Таким образом, лучи с частотами (f₀ + F₁) и (f₀ + F₂) подаются на уголковые отражатели 6 и 7, лучи с частотами (f₀ F₁) и (f₀ F₂) на дополнительные уголковые отражатели 8 и 9 соответственно. Отраженные от уголковых отражателей 6 и 7 лучи совмещаются в пространстве с помощью зеркала 10 и оптического смесителя 11, а отраженные от дополнительных уголковых отражателей 8 и 9 лучи совмещаются с помощью зеркала 12 и оптического смесителя 13.

Дифрагированные совмещенные лучи с оптического смесителя 11 интерферируют в апертуре фотоприемника 14. Детектирование интерферирующего луча в случае квадратичного режима позволяет получить на выходе напряжение Δ U₁(t) b₁E₁¹E₂¹ cos{ [ (ω_o+Ω₁)t+Δϕ_ш1¹+ +Δϕ₁¹] -[(ω_o+Ω₂)t+Δϕ_ш2¹+Δϕ₂¹] b₁E₁¹E₂¹cos [(Ω₁-Ω₂)t+Δϕ_ш1¹+Δϕ₁¹- -Δϕ_ш2¹-Δϕ₂¹] (2) Детектирование интерферирующего луча в апертуре фотоприемника 15, который поступает с оптического смесителя 11, позволяет получить на выходе напряжение Δ U₂(t) b₂E₁^-1E₂^-1 cos{ [ (ω_o+Ω₁)t+Δϕ_ш1^-1+ +Δϕ₁^-1+ϕ]-[(ω_o+Ω₂)t+Δϕ_ш2^-1+Δϕ₂^-1] b₂E₁^-1E₂^-1cos [(Ω₁-Ω₂)t+Δϕ_ш1^-1+Δϕ₁^-1- -Δϕ_ш2^-1-Δϕ₂^-1+ϕ] (3) B выражения (2) и (3) введены следующие обозначения: Ω₁=2πF₁, Ω₂=2πF₂, ω_o= 2πf_o- частоты сигналов от генераторов 17, 18 и частота лазерного излучения соответственно; ϕ- фазовый сдвиг, вносимый прозрачным объектом 20, либо вносимый при перемещении дополнительным уголковым отражателем 8; Δϕ_ш1¹ и Δϕ_ш1^-1 фазовые нестабильности, вносимые модулятором 4 при вибрации и элементами отражения и совмещения лучей этого модулятора; Δϕ_ш2¹ и Δϕ_ш2^-1 фазовые нестабильности, вносимые модулятором 5 при вибрациях и элементами отражения и совмещения лучей этого модулятора; Δϕ₁¹ и Δϕ₁^-1 фазовые нестабильности, возникающие в модуляторе 4 за счет ухода частоты генератора 17;
Δϕ₂¹ и Δϕ₂^-1 фазовые нестабильности, возникающие в модуляторе 5 за счет ухода частоты генератора 18;
b₁ и b₂ коэффициенты, характеризующие чувствительность фотоприемников 14 и 15.

Напряжения Δ U₁(t) и Δ U₂(t), кроме полезной информации, имеющейся в фазовом сдвиге ϕ, содержат и неинформационные раз- ности фаз Δϕ_ш1-Δϕ_ш2и Δϕ₁-Δϕ₂ определяющиеся взаимной нестабильностью параметров двух оптических каналов и двух независимых генераторов электрических колебаний. Неинформационные разности фаз трудно скомпенсировать из-за случайного характера фазовых нестабильностей, возникающих в различных элементах схемы.

Для устранения влияния неинформационных разностей фаз выходные напряжения фотоприемников 15 и 16, равные Δ U₁(t) и Δ U₂(t), подаются на входы системы регистрации фазового сдвига 16. Это устройство измеряет угол сдвига фаз, который можно найти из выражения ϕ_изм.=(Δϕ_ш1¹-Δϕ_ш1^-1)+(Δϕ_ш2^-1-Δϕ_ш2¹)+ +(Δϕ₁¹-Δϕ₁^-1)+(Δϕ₂^-1-Δϕ₂¹)+ϕ (4)
Фазовые нестабильности Δϕ_ш1¹ и Δϕ_ш1^-1 вносимые модулятором 4 для лучей +1 и -1 порядков дифракции, сильно коррелированы между собой и практически компенсируют друг друга. Аналогично компенсируют друг друга и фазовые нестабильности Δϕ_ш2¹ и Δϕ_ш2^-1 вносимые модулятором 5. Фазовые нестабильности Δϕ₁¹ и Δϕ₁^-1, возникающие в модуляторе 4 за счет ухода частоты генератора 17, также сильно коррелированы и поэтому взаимно компенсируются. То же самое имеет место и с нестабильностями Δϕ₂¹ и Δϕ₂^-1 возникающими в модуляторе 5 за счет ухода частоты генератора 18.

С учетом взаимокомпенсации одноименных фазовых нестабильностей измеряемый фазовый сдвиг
ϕ_изм=ϕ (5)
В устройстве-прототипе эти погрешности взаимно не компенсируются, так как фазовый сдвиг ϕ измеряется между вспомогательным напряжением, которое формируется в результате смешивания колебаний двух генераторов и выделения напряжения разностной частоты с напряжением на выходе одного из фотоприемников (фотоприемника 15).

Предлагаемый фазометр оптического диапазона можно использовать в измерителях перемещения. Если один из дополнительных отражателей, например 8, перемещать в плоскости распространения падающего луча на величину Δ l, то задержка, выраженная через угол фазового сдвига, будет равна
ϕ_изм 2Δl
(6)
Например, при длине волны лазера λ_o 0,63 мкм и погрешности измерения фазового сдвига 0,1^о на частоте F (F₁ F₂)100 кГц, погрешность измерения перемещения: Δ l 0,4˙10^-6 мкм.

Перемещение дополнительного отражателя может превышать длину волны λ_o, если система регистрации фазового сдвига способна вести счет фазовых циклов, т. е. целого числа 2 π Таким образом, предлагаемое устройство можно использовать как измеритель малых перемещений в прецизионном машиностроении и микроэлектронике.

Лабораторный макет фазометра оптического диапазона выполнен на основе лазера с длиной волны излучения λ 0,63 мкм, двух акустооптических модуляторов, возбуждаемых электрическими колебаниями 80 и 80,05 МГц соответственно, двух фотоприемников на фотодиодах типа ФД-23 К, смонтированных на голографическом стенде типа УИГ-20. Исследования показали, что при наличии вибраций и взаимной нестабильности генераторов возбуждения акустооптических модуляторов среднеквадратическое значение погрешности не превысило σ=±0,1^o-0,15^о. В известном устройстве (прототипе) эта погрешность достигает σ=±0,3-0,4^о.

Предложенный фазометр оптического диапазона позволяет снизить погрешность измерения в 3-4 раза и повысить тем самым достоверность контроля оптических элементов и малых перемещений.

Формула изобретения

ФАЗОМЕТР ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА, содержащий лазер, элементы разделения излучения на два оптических канала, два акустооптических модулятора, установленные в этих каналах под углом Брегга по отношению к падающему на них излучению, два уголковых отражателя, расположенные на пути распространения дифрагированных +1 и -1 порядков дифракции лучей акустооптических модуляторов, два элемента совмещения отраженных лучей +1 и -1 порядков дифракции, фотоприемник, установленный на пути распространения совмещенных дифрагированных лучей, два генератора электрических колебаний, подключенные к электрическим входам акустооптических модуляторов, и систему регистрации фазового сдвига электрических напряжений, соединенную одним входом с выходом фотоприемника, отличающийся тем, что он снабжен двумя дополнительными уголковыми отражателями, расположенными на пути распространения дифрагированных +1 и -1 порядков дифракции лучей акустооптических модуляторов, двумя дополнительными элементами совмещения отраженных лучей +1 и -1 порядков дифракции и вторым фотоприемником, установленным на пути дополнительно полученного совмещенного дифрагированного луча и выход которого подключен к второму входу системы регистрации фазового сдвига электрических напряжений.

РИСУНКИ

Рисунок 1