Двухчастотная лазерная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом использования изобретения является повышение чувствительности измерения линейных перемещений на больших расстояниях за счет устранения влияния воздушной среды в протяженном измерительном плече системы и частотной нестабильности лазерного излучения. Результат достигается тем, что интерферометрическая система содержит лазеры 1 и 2 с различными частотами, измерительное плечо, образованное концевым уголковым отражателем 3 и оптическим смесителем из зеркал 4 и 5, опорное стабильное оптическое плечо длиной от 0,3 до 2 м, образованное вторым уголковым отражателем 14 и оптическим смесителем, состоящим из зеркал 15 и 16, второй смеситель, из зеркал 6 и 7, служащий для стабилизации разности частот световых потоков, посредством блоков 11 частотно-фазовой автоматической подстройки. На выходе смесителей совмещенные световые потоки детектируются фотоприемниками 8,9,17, сигналы с них поступают на первый реверсивный счетчик 10, который регистрирует фазовый сигнал, содержащий суммарную информацию о перемещении объекта и изменении длины волны излучения в воздушной среде. Сигналы с фотоприемников 9 и 17 поступают на второй реверсивный счетчик 8, который регистрирует фазовый сигнал, связанный только с изменением длины волны излучения в воздухе. Сигналы от обоих реверсивных счетчиков 8 и 10 анализируются электронным блоком 19 вычитания. 3 ил.

Изобретение относится к лазерной измерительной технике, а именно к интерферометрическим устройствам измерения линейных перемещений, и может быть использовано в геофизике для регистрации деформационных смещений земной коры, точном машиностроении для контроля размеров и формы различных деталей, метрологии для аттестации существующих квантово-оптических измерительных средств и др.

Известно устройство измерения линейных перемещений, содержащее два лазерных источника различной частоты, концевой уголковый отражатель, установленный в первом световом потоке, предназначенный для связи с перемещающимся объектом, первый и второй оптические смесители световых потоков, каждый из которых состоит из двух светоделительных зеркал, установленных под углом в световых потоках различной частоты, опорный и сигнальный фотоприемники и реверсивный счетчик, регистрирующий перемещения путем измерения фазового набега (патент США N 3458259, кл. 356-106, 1969).

Однако отсутствие в данном устройстве стабилизации разности частот лазеров снижает точность измерения линейных перемещений.

Известна также двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений (авт. свид. СССР N 1362923, G 01 B 21/00, 1987), в которой точность измерения линейных перемещений выше. Эта известная система, так же как и описанная выше, содержит первый и второй лазерные источники света, предназначенные для излучения первого и второго параллельных световых потоков различной частоты, концевой уголковый отражатель (приема полного внутреннего отражения), установленный в первом световом потоке, предназначенный для связи с перемещающимся объектом, первый и второй оптические смесители световых потоков, каждый из которых состоит из светоделительных зеркал, расположенных под углом в соответствующих световых потоках различной частоты, первый и второй фотоприемники, установленные соответственно на выходах первого и второго оптических смесителей световых потоков, реверсивный счетчик, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым фотоприемниками соответственно, при этом система снабжена электронным блоком частотно-фазовой автоматической подстройки, пьезоэлементом, связанным со вторым лазерным источником света, стабильным радиогенератором так, что первый и второй входы электронного блока частотно-фазовой автоматической подстройки соединены с выходами второго фотоприемника и стабильного радиогенератора соответственно, а выход с пьезоэлементом.

Однако вследствие влияния воздушной среды в измерительном плече известной интерферометрической системы и частотной нестабильности лазерного излучения чувствительность существенно (на порядки) снижается, особенно при удалении объекта на большие расстояния).

Техническим результатом использования изобретения является уменьшение влияния атмосферы на трассе распространения лазерного пучка, на практике измерительное плечо интерферометра экранируют с помощью вакуум-провода или помещают в герметичный лучевой трубопровод с избыточным давлением газа, что имеет свои следующие недостатки: 1) требуется использование дорогостоящей вакуумной техники; 2) отсутствует мобильность; 3) в случае использования в труднодоступных местах, например в горах или над водой, это не всегда можно реализовать технически; 4) не применимо, когда объект перемещается на расстояния, соизмеримые с его удаленностью от лазерного измерительного устройства.

Указанный результат достигается тем, что двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений, содержащая первый и второй лазерные источники света, излучающие первый и второй световые потоки различной частоты, концевой уголковый отражатель, установленный в первом световом потоке, предназначенный для связи с перемещающимся объектом, первый и второй оптические смесители световых потоков, каждый из которых состоит из первого и второго светоделительных зеркал, установленных под углом в первом и втором световых потоках соответственно, первый и второй фотоприемники, установленные на выходах первого и второго оптических смесителей соответственно, реверсивный счетчик, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым фотоприемниками соответственно, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки, пьезоэлемент, связанный со вторым лазерным источником света, стабильный радиогенератор, первый и второй входы электронного блока частотно-фазовой автоматической подстройки соединены с выходами второго фотоприемника и стабильного радиогенератора, а выход с пьезоэлементом, снабжена вторым концевым уголковым отражателем, дополнительным оптическим смесителем, образующими опорное оптическое плечо, стабильное по длине в диапазоне размеров от 0,3 до 2 м, при этом дополнительный оптический смеситель состоит из первого и второго полупрозрачных зеркал, установленных под углом в первом и втором световых потоках так, что концевой уголковый отражатель и первое полупрозрачное зеркало дополнительного оптического смесителя последовательно установлены по ходу первого светового потока после первого светоделительного зеркала второго оптического смесителя, а второе полупрозрачное зеркало дополнительного оптического смесителя установлено по ходу второго светового потока между вторым лазером и вторым светоделительным зеркалом второго оптического смесителя, третьим фотоприемником, установленным на выходе дополнительного оптического смесителя световых потоков, дополнительным реверсивным счетчиком и электронным блоком вычитания, при этом входы реверсивного счетчика соединены соответственно с выходами второго и дополнительного фотоприемников, а два входа электронного блока вычитания электрически связаны с выходами основного и дополнительного реверсивных счетчиков.

Целесообразно, чтобы в системе согласно изобретению геометрическая длина опорного плеча имела фиксированную стабильную длину в пределах 0,3-2 м.

Целесообразно, чтобы система согласно изобретению была снабжена дополнительным фотоприемником, регистрирующим сигнал на выходе оптического смесителя в опорном плече.

Целесообразно, чтобы система согласно изобретению была снабжена дополнительным реверсивным счетчиком, входы которого соединялись соответственно с выходами второго и дополнительного фотоприемников.

Также целесообразно, чтобы система согласно изобретению была снабжена электронным блоком вычитания, на выходе которого формируется сигнал измеряемого перемещения, свободный от влияния воздушной среды и частотной нестабильности лазеров, два входа которого электрически связывались с выходами основного и дополнительного реверсивных счетчиков.

На фиг.1 представлена принципиальная схема двухчастотной интерферометрической системы для измерения линейных перемещений.

Интерферометрическая система содержит первый и второй лазеры 1 и 2, концевой уголковый отражатель 3, предназначенный для связи с объектом, светоделительные зеркала 4 и 5, составляющие первый оптический смеситель световых потоков и зеркала 6 и 7, составляющие второй оптический смеситель световых потоков, первый и второй фотоприемники 8 и 9, установленные соответственно на выходах первого и второго оптических смесителей, реверсивный счетчик 10, электронный блок 11 частотно-фазовой автоматической подстройки, пьезоэлемент 12 и стабильный радиогенератор 13. Пьезоэлемент 12 связан со вторым лазером 2, первый и второй входы электронного блока 11 частотно-фазовой автоматической подстройки соединены с выходами второго фотоприемника 9 и стабильного радиогенератора 13, а выход с пьезоэлементом 12, опорное стабильное оптическое плечо длиной 0,3-2 м, включающее в себя второй концевой уголковый отражатель 14 и дополнительный оптический смеситель, состоящий из двух полупрозрачных зеркал 15 и 16, установленных соответственно в первом и во втором световых потоках, дополнительные фотоприемник 17, регистрирующий сигнал на выходе опорного плеча и реверсивный счетчик 18 так, что входы реверсивного счетчика 18 соединены с выходами второго 9 и дополнительного фотоприемника 17. Система также снабжена электронным блоком вычитания 19, два входа которого электрически связаны с выходами основного 10 и дополнительного 18 реверсивных счетчиков.

Двухчастотная интерферометрическая система работает следующим образом.

Из двух лазерных источников 1 и 2 различной частоты излучения первого лазера 1 посылается на уголковый концевой отражатель 3, укрепленный на объекте, и возвращается назад в систему на первый оптический смеситель. При геометрической длине измерительного плеча L оптический путь до концевого отражателя и обратно составляет 2·L, где среднеинтегральный показатель преломления воздуха на трассе распространения лазерного луча. В первом оптическом смесителе с помощью светоделительных зеркал 4 и 5 производится пространственное совмещение вернувшегося от объекта излучения первого лазера с излучением второго лазера 2. Далее общий световой поток на выходе первого оптического смесителя детектируется на фотоприемнике 8. Аналогичное фотосмещение световых потоков различной частоты производится на фотоприемнике 9, установленном на выходе второго оптического смесителя, состоящего из светоделительных зеркал 6 и 7. Перемещение уголкового отражателя 3, укрепленного на объекте приводит к изменению частоты отраженного от него излучения лазера 1. Поэтому на втором фотоприемнике 9 выделяется сигнал биений тока на частоте, равной исходной разности частот двух лазеров, тогда как на первом фотоприемнике 8, выделяется сигнал с частотой, отличающейся от исходной разности на величину доплеровского сдвига, определяемого скоростью движения объекта. Для нормальной непрерывной работы системы разность частот двух лазеров стабилизируется с высокой точностью с помощью электронного блока 11 частотно -фазовой автоматической подстройки. Для этого на два входа блока 11 подается сигнал со второго фотоприемника 9 на частоте ν₁-ν₂ где ν₁ и ν₂ - оптические частоты и сигнал со стабильного радиогенератора 13 на частоте F₀. Блок 11 вырабатывает управляющее напряжение, пропорциональное разности частот F₀ ν₁-ν₂ и подает его на пьезоэлемент 12, управляющий частотой второго лазера 2. При этом частота лазера 2 изменяется таким образом, чтобы разность частот ν₁-ν₂ была с фазовой точностью равна частоте F₀ радиогенератора 13.

Сигналы с фотоприемников 8 и 9 поступают на реверсивный счетчик 10, регистрирующий перемещение в виде набега фазы и подсчитывающий целое число и дробную часть фазовых циклов. При перемещении отражателя 3 на величину λ/2 где λ длина волны лазерного излучения, разность фаз сигналов биений двух фотоприемников 8 и 9 совершает один полный цикл, то есть изменяется на 2 p. За время измерения t фазовый набег, регистрируемый реверсивным счетчиком 10 определяется выражением: где перемещение объекта за время t со скоростью V, а (t) - cреднеинтегральное (по трассе) изменение показателя преломления воздушной среды в измерительном плече системы, а Δν изменение частоты лазерного излучения за этот же промежуток времени. Для того чтобы система имела большую чувствительность к измерению малых перемещений D L(t), необходимо с высокой точностью регистрировать изменение показателя преломления воздуха в измерительном плече и изменение частоты лазерного излучения. Эту роль в системе выполняет опорное оптическое плечо со стабильной длиной, составляющей 0,3 <l <2 м. Опорное плечо образовано вторым концевым отражателем 14, установленным в излучение первого лазера 1 и полупрозрачными зеркалами 15 и 16. Изменение фазы радиосигнала, выделяемого на фотоприемнике 17 регистрируется путем подачи его, наряду с сигналом от фотоприемника 9 на второй реверсивный счетчик 18. Второй счетчик 18 за время измеряет фазовый набег, определяемый следующим соотношением: где l длина опорного плеча, отмеченные выше изменения показателя преломления окружающей воздушной среды и соответственно частоты излучения за счет нестабильности лазеров за время измерения t, а l·p погрешность измеряемого фазового набега, обусловленная относительной нестабильностью P длины опорного плеча. Решая совместно (1) и (2), получим выражение для измеряемого перемещения D L(t), которое уже не содержит добавку, связанную с изменением метеоусловий в измерительном плече интерферометрической системы и частотной нестабильностью излучения лазеров.

где первое слагаемое является измеряемой величиной, а второе - погрешностью, связанной с нестабильностью опорного плеча. Процедура вычисления результата измерения производится электронным блоком 19.

Из представленного выражения (3) следует, что для получения высокой относительной чувствительности к малым перемещениям необходимо существенно уменьшить уровень относительной нестабильности длины опорного плеча P. Для достижения, например в геофизических измерениях, относительной чувствительности на уровне ΔL(t)/L ≃ 1·10^-9 необходимо соответственно обеспечить нестабильность длины опорного плеча не более P=1·10^-9. Если известна δϕ погрешность или разрешение, с которым измеряются фазовые набеги Dv_c и Δϕ_o то можно найти условие на минимальную длину опорного плеча: откуда Для P= 1·10^-9, λ= 0,63 мкм и реально достижимой δϕ=2π·10^-3 получим l_min≳0,3 м. При длине опорного оптического плеча меньше 0,3 м нужная чувствительность измерения линейных перемещений на больших расстояниях не достигается. Выполнять опорное плечо больше 2 м стандартных (типичных) габаритов лазерной интерферометрической установки не имеет смысла, поскольку в противном случае устройство становится менее мобильным и жестким, что не обеспечивает его необходимой стабильности.

Пример. Опытный образец двухчастотной интерферометрической системы разработан и создан для геодинамического мониторинга земной коры с целью поиска предвестников землетрясений. В настоящее время система с длиной измерительного плеча L= 25 м эксплуатируется в геофизической штольне на сейсмической станции "Талая" (Иркутская область), где проводятся систематические деформографические наблюдения. В качестве источников излучения в ней используются два He-Ne лазера мощностью излучения W=1 мВт на рабочей длине волны λ= 0,63 мкм. Роль фотоприемников выполняют фотодиоды ФД-9-ЭIII А, а в качестве генератора опорной частоты служит Г3-110. Электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки (разработка Института лазерной физики СО РАН), обеспечивает стабильность разностной частоты излучений лазеров в 1 МГц с фазовой точностью 1·10^-3 рад. Электрические сигналы с трех фотоприемников регистрируются специально разработанными реверсивными счетчиками с чувствительностью (дискретностью счета) 2π/1024. В качестве электронного блока вычитания используется ЭВМ, которая по разработанной программе производит коррекцию сигналов, поступающих от реверсивных счетчиков, их запись в цифровом виде на магнитную ленту и окончательную обработку с выдачей результата измерений. Опорное оптическое плечо длиной 1,2 м смонтировано на инваровой штанге с температурным коэффициентом линейного расширения 8·10^-7 1/град и снабжено дополнительным механическим узлом пассивной термокомпенсации.

Применение опорного компенсационного плеча в интерферометрической системе позволило без специальной экранировки измерительного плеча исключить влияние медленных суточных вариаций метеопараметров на деформационный сигнал в измерительном плече с коэффициентом подавления атмосферных возмущений K > 100. В настоящее время на данной интерферометрической системе удалось достичь относительной чувствительности на уровне 1·10^-9, что позволяет уверенно регистрировать лунно-солнечные приливные колебания земной коры, относительная амплитуда которых 1·10^-8. Данный факт проиллюстрирован на фиг. 2, 3, где показаны фрагменты регистрируемых сигналов соответственно в измерительном плече без "компенсации" (фиг. 2) и после вычитания атмосферных возмущений (фиг. 3). После соответствующего "вычитания" на деформограмме отчетливо выделяются деформационные приливные колебания с периодом около 12 ч и амплитудой 0,25 мкм. С помощью созданной системы проводятся режимные наблюдения в течение 3-6 месяцев в год.

Полученные данные анализируются с точки зрения выявления в деформационных сигналах особенностей и аномалий, которые могли бы быть интерпретированы как предвестники землетрясений.

Таким образом использование заявляемого изобретения позволяет контролировать и исключать естественное влияние протяженной воздушной среды в измерительном плече интерферометрической системы и частотную нестабильность лазеров на результат регистрируемых перемещений объекта и тем самым существенно повысить на 2-3 порядка чувствительность измерений на больших расстояниях (десятки, сотни метров).

Предлагаемая система позволяет измерять перемещения, соизмеримые с расстоянием до объекта, что может быть эффективно использовано в точном машиностроении.

Устройство мобильно, его можно легко переносить и использовать в многолучевых схемах, например, для измерения поля деформаций земной коры их скорости и главных направлений.

С помощью системы зарегистрирован ряд деформационных предвестников землетрясений, в том числе Спитакского 1988 года.

Позволяет использовать нестабилизированный источник лазерного излучения.

Формула изобретения

Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений, содержащая первый и второй лазерные источники света, излучающие первый и второй световые потоки различной частоты, концевой уголковый отражатель, установленный в первом световом потоке, предназначенный для связи с перемещающимся объектом, первый и второй оптические смесители световых потоков, каждый из которых состоит из первого и второго светоделительных зеркал, установленных под углом в первом и втором световых потоках соответственно, первый и второй фотоприемники, установленные на выходах первого и второго оптических смесителей соответственно, реверсивный счетчик, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым фотоприемниками соответственно, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки, пьезоэлемент, связанный с вторым лазерным источником света, стабильный радиогенератор, первый и второй входы электронного блока частотно-фазовой автоматической подстройки соединены с выходами второго фотоприемника и стабильного радиогенератора, а выход с пьезоэлементом, отличающаяся тем, что она снабжена вторым концевым уголковым отражателем, дополнительным оптическим смесителем, образующими опорное оптическое плечо, стабильное по длине в диапазоне размеров 0,3 2,0 м, при этом дополнительный оптический смеситель состоит из первого и второго полупрозрачных зеркал, установленных под углом в первом и втором световых потоках так, что концевой уголковый отражатель и первое полупрозрачное зеркало дополнительного оптического смесителя последовательно установлены по ходу первого светового потока после первого светоделительного зеркала второго оптического смесителя, а второе полупрозрачное зеркало дополнительного оптического смесителя установлено по ходу второго светового потока между вторым лазером и вторым светоделительным зеркалом второго оптического смесителя, третьим фотоприемником, установленным на выходе дополнительного оптического смесителя световых потоков, дополнительным реверсивным счетчиком и электронным блоком вычитания, при этом входы реверсивного счетчика соединены соответственно с выходами второго и дополнительного фотоприемников, а два входа электронного блока вычитания электрически связаны с выходами основного и дополнительного реверсивных счетчиков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3