Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к лазерной измерительной технике. Техническим результатом использования изобретения является получение прямого сигнала перемещений при одновременном упрощении системы регистрации, повышении ее надежности и уменьшенном ее стоимости. Результат достигается тем, что двухчастотная интерферометрическая система содержащая лазерные источники, уголковый отражатель, связываемый с объектом, два оптических смесителя, два фотоприемника, радиогенератор, электронный блок частотно-фазовый автоматический подстройки, первый и второй входы которого связаны с выходами второго фотоприемника и генератора, а выход - с пьезоэлементом второго лазерного источника, и реверсивный счетчик, два входа которого связаны с выходами первого и второго фотоприемников, снабжены вторым уголковым отражателем, третьим оптическим смесителем, третьим фотоприемником, дополнительным пьезоэлементом, высоковольтным усилителем и фазовым детектором, два его входа соединены с выходами второго и третьего фотоприемников, а выход - со входом высоковольтного усилителя, выход которого соединен с дополнительным пьезоэлементом, связанным с первым лазерным источником, первый уголковый отражатель и оптический смеситель оптически связывают первые выходы лазерных источников с первым фотоприемником и образуют измерительное оптическое плечо интерферометра, второй оптический смеситель оптически связывает вторые выходы лазерных источников с вторым фотоприемником и образуют опорный оптический канал частотно-фазовой привязки, а третий оптический смеситель и второй уголковый отражатель связывают вторые выходы лазерных источников, с третьим фотоприемником и образуют компенсационное оптическое плечо интерферометра. 2 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 пр.

Известно устройство для измерения линейных перемещений, включающее первый и второй лазерные источники света, концевой уголковый отражатель, первый и второй фотоприемники, 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 (авт. св. N 1362923, кл. G 01 B 21/00 Б.И. N 48, 1987).

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является известная двухчастотная интерферометрическая система для изменения линейных перемещений.

Техническим результатом является получение прямого сигнала перемещений при одновременном упрощении систем регистрации, повышении ее надежности и уменьшения ее стоимости.

В основу изобретения поставлена задача такого изменения конструкции системы, которая позволяет с помощью сигнала обратной связи в аналоговом виде управлять частотой одного из лазеров и, следовательно, компенсировать фазовый набег, обусловленный вариациями показателя преломления воздуха в измерительном плече системы.

Результат достигается за счет того, что двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений, содержащая первый и второй лазерные источники света6 уголковый отражатель связываемый с объектом, первый 4,5 и второй 6 и 7 оптические смесители, два фотоприемника 8 и 9, радиогенератор 13, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки 11, первый и второй входы которого связаны с выходами второго фотоприемника 9 и генератора 13, а выход с пьезоэлементом 1 второго лазерного источника света 2, и реверсивный счетчик 10, два входа которого связаны с выходами первого 8 и второго 9 фотоприемников, снабжена вторым уголковым отражателем 14, третьим оптическим смесителем 15 и 16, третьим фотоприемником 17, дополнительным пьезоэлементом 20, высоковольтным усилителем 19 и фазовым детектором 18, два входа которого соединены соответственно с выходами второго 9 и третьего 17 фотоприемников, а выход со входом высоковольтного усилителя 19, выход которого соединен с дополнительным пьезоэлементом 20, связанным с первым лазерным источником 1, при этом, первый уголковый отражатель 3 и оптический смеситель 4 и 5 оптически связывают первые выходы лазерных источников 1 и 2 с первым фотоприемником 8 и образуют измерительное оптическое плечо интерферометра, второй оптический смеситель 6 и 7 оптически связывает вторые выходы лазерных источников света 1 и 2 с вторым фотоприемником 9 и образуют опорный оптический канал частотно-фазовый привязки, а третий оптический смеситель 15 и 16 и второй уголковый отражатель 14 связывают вторые выходы лазерных источников 1 и 2 с третьим фотоприемником 17 и образуют компенсационное оптическое плечо интерферометра.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема двухчастотной интерферометрической системы для измерения линейных перемещений; на фиг. 2 показан пример записи деформационного сигнала.

Интерферометрическая система содержит первый 1 и второй 2 лазерные источники света, уголковый отражатель 3, предназначенный для связи с объектом, первый оптический смеситель 4 и 5 в виде двух светоделительных зеркал и 6 и 7 дополнительный оптический смеситель из двух зеркал, фотоприемники 8 и 9, установленные соответственно на выходах первого 4 и 5 и дополнительного 6 и 7 оптических смесителей, реверсивный счетчик 10, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки 11, пьезоэлемент 12 и радиогенератор 13. Пьезоэлемент 12 связан со вторым лазерным источником света 2, первый и второй входы электронного блока частотно-фазовой автоматической подстройки 11 соединены с выходами фотоприемника 9 и радиогенератора 13, а выход с пьезоэлементом 12, второй уголковый отражатель 14 и второй оптический смеситель 15 и 16, выполненный в виде двух светоделительных зеркал, установленных, соответственно, в первом и втором световых потоках, фотоприемник 17 и фазовый детектор 18; высоковольтный усилитель 19 и дополнительный пьезоэлемент 20, при этом вход высоковольтного усилителя 19 подключен к выходу фазового детектора 18, а его выход к дополнительному пьезоэлементу 20, который связан с первым лазерным источником света 1.

Двухчастотная интерферометрическая система работает следующим образом. Излучение первого лазерного источника 1 частоты 1 посылается через атмосферу на уголковый отражатель 3, жестко связанный с перемещающимся объектом и возвращается назад в систему на первый оптический смеситель. Оптический путь до уголкового отражателя 3 и обратно составляет где - среднеинтегральный показатель преломления воздуха на трассе распространения лазерного луча, а L геометрическая длина измерительного плеча. В первом оптическом смесителе, состоящем из светоделительных зеркал 4 и 5, производится пространственное совмещение волновых фронтов, вернувшегося от объекта излучения первого лазера 1 и излучения второго лазера 2, имеющего частоту ν2. Общий световой поток на выходе первого оптического смесителя 4 и 5 детектируется на фотоприемнике 8. Аналогичное фотосмешение световых потоков различной частоты производится на фотоприемнике 9, установленном на выходе дополнительного оптического смесителя, состоящего из светоделительных зеркал 6 и 7. Перемещение уголкового отражателя 3, укрепленного на движущемся объекте приводит к доплеровскому изменению частоты, отраженного от него светового потока. На фотоприемнике 8 выделяется сигнал с частотой, отличающейся от исходной разности частот лазерных источников на величину доплеровского сдвига определяемого скоростью движения объекта. Исходная же разность лазерных частот определяется частотой биений фототока, на выходе фотоприемника 9. Для нормальной работы системы разность частот лазерных источников стабилизируется с высокой точностью с помощью электронного блока 11 частотно-фазовой автоматической подстройки. Для этого на два входа электронного блока 11 подается сигнал со второго фотоприемника 9 на частоте ν1-ν2 где ν1 и ν2 - оптические частоты и сигнал от стабильного радиогенератора на частоте F₀. Электронный блок 11 вырабатывает управляющее напряжение, пропорциональное разности частот F_o-(ν1-ν2) и подает его на первый пьезоэлемент 12, управляющий частотой второго лазера. При этом частота лазерного источника света 2 изменяется таким образом, чтобы разность частот ν1-ν2 была с фазовой точностью равна частоте F₀ радиогенератора 13. Сигналы от фотоприемников 8 и 9 поступают на реверсивный счетчик 10, регистрирующий перемещение в виде набега фазы, путем измерения целого числа и дробной части фазовых циклов. При перемещении уголкового 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, т.е. изменяется на 2П. За время измерения t фазовый набег, регистрируемый реверсивным счетчиком 10 определяется выражением: Dv_c= 2πΔL(t)/λ_эфф (1) где перемещение объекта за время t со скоростью V, а λ_эфф. эффективная длина волны излучения в воздухе, определяемая соотношением в котором C скорость света в вакууме, ν частота излучения, а - среднеинтегральный показатель преломления воздушной среды в измерительном плече системы. Чтобы система имела большую чувствительность к измерению малых перемещений на больших расстояниях необходимо с высокой точностью исключать влияние изменений показателя преломления воздуха и частот лазерного излучения на результат измерений. Эту роль в системе выполняет компенсационное плечо, образованное вторым концевым отражателем 14, установленным в излучение первого лазерного источника света 1 и светоделительными зеркалами второго оптического смесителя 15 и 16. Изменение фазы радиосигнала, выделяемого на фотоприемнике 17 регистрируется путем подачи его наряду с сигналом от фотоприемника 9 на фазовый детектор 18. Благодаря наличию в системе высоковольтного усилителя 19 и дополнительного пьезоэлемента 20 в системе функционирует еще одна петля обратной связи, в которой любое отклонение фазы Δϕ_o вызванное изменением показателя преломления воздуха в компенсационном плече длиной 1 автоматически компенсируется за счет подачи напряжения на дополнительный пьезоэлемент 20, управляющий частотой ν1 первого лазера 1 так, что для выражения (2) выполняется условие: что эквивалентно λ_эфф.= const (4) Согласно (4) выражение (1) описывает величину регистрируемого перемещения, свободную от влияния воздушной среды и нестабильности частот лазерных источников.

В Институте лазерной физики СО РАН разработан и создан опытный образец двухчастотной интерферометрической системы для геодинамического мониторинга земной коры с целью регистрации деформационных предвестников землетрясений. В настоящее время система с длиной измерительного плеча L=25 эксплуатируется в геофизической штольне на сейсмической станции "Талая" (Иркутская область), где проводятся систематические деформографичиские наблюдения. В качестве источников излучения в ней используется два He-Ne лазера мощностью излучения W= 1 мВт на рабочей длине волны λ0,63 мкм. Роль фотоприемников выполняют фотодиоды ФД-9-Э-111А, а в качестве генератора опорной частоты служит ГЗ-110. Электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки обеспечивает стабильность разностной частоты излучения лазеров в 1 МГц с фазовой точностью 10^**(-3) рад. Фазовый электрический сигнал, пропорциональный перемещению, регистрируется специально разработанным реверсивным счетчиком с чувствительностью (дискретностью отсчета) 2П/1024. Компенсационное оптическое плечо длиной 1,2 м смонтировано на инваровой штанге с температурным коэффициентом линейного расширения 8·10^**(-7) 1/град. и снабженной дополнительным механическим узлом пассивной термокомпенсации. Дополнительный пьезоэлемент, управляющий длиной резонатора первого лазерного источника, обеспечивает перестройку частоты первого светового потока с чувствительностью g1,1 МГц/В.

Применяемый нами фазовый детектор имеет коэффициент преобразования K=10 В/рад. что позволило достичь чувствительности на уровне 6·10^**(-4) рад. При этих параметрах системы относительная стабильность длины волны составила величину δλ/λ ≃ 10^**(-4)(λ/21)2,5·10^**(-11). Стабилизация длины волны излучения в компенсационном плече системы с помощью введения кольца обратной связи позволяет автоматически стабилизировать длину волны излучения в измерительном плече и тем самым проводить прямую регистрацию сигнала деформации земной коры, свободного от влияния воздушной среды и нестабильности частот лазерных источников. Пример записи деформационного сигнала в штольне представлен на фиг.2, где показан фрагмент естественного деформационного процесса в земной коре, обусловленного приливным совместным действием Луны и Солнца с периодом колебаний около 12 ч и амплитудой -0,25 мкм.

Использование изобретения позволяет автоматически исключить влияние протяженной воздушной среды и частотной нестабильности лазерных источников на результат измерения деформационных смещений. Предлагаемая система существенно проще и надежнее6 чем известные, и позволяет вести прямую регистрацию перемещений в реальном масштабе времени.

Формула изобретения

Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений, содержащая первый и второй лазерные источники света, уголковый отражатель, связываемой с объектом, первый и второй оптические смесители, два фотоприемника, радиогенератор, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки, первый и второй входы которого связаны с выходами второго фотоприемника и генератора, а выход с пьезоэлементом второго лазерного источника света, и реверсивный счетчик, два входа которого связаны с выходами первого и второго фотоприемников, отличающаяся тем, что она снабжена вторым уголковым отражателем, третьим оптическим смесителем, третьим фотоприемником, дополнительным пьезоэлементом, высоковольтным усилителем и фазовым детектором, два входа которого соединены соответственно с выходами второго и третьего фотоприемников, а выход с входом высоковольтного усилителя, выход которого соединен с дополнительным пьезоэлементом, связанным с первым лазерным источником, при этом первый уголковый отражатель и оптический смеситель оптически связывают первые выходы лазерных источников с первым фотоприемником и образуют измерительное оптическое плечо интерферометра, второй оптический смеситель оптически связывает вторые выходы лазерных источников света с вторым фотоприемником и образует опорный оптический канал частотно-фазовый привязки, а третий оптический смеситель и второй уголковый отражатель связывают вторые выходы лазерных источников с третьим фотоприемником и образуют компенсационное оптическое плечо интерферометра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2