Устройство измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения



Устройство измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения
Устройство измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения

 


Владельцы патента RU 2498214:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к устройству для ориентации объектов в пространстве на основе измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения в движущейся среде. Устройство представляет собой оптический интерферометр, выполненный по кольцевой схеме, и включает лазер, оптическую систему, светоделители, зеркала, фотодетектор, а также вращающийся оптический диск, выполненный в виде клина, работающего на просвет. На плоских поверхностях диска выполнены отражающие покрытия в виде кольцевых участков, причем внешний радиус отражающих колец меньше внешнего радиуса диска на величину диаметра светового луча для обеспечения ввода и вывода луча из диска. Фотодетектор выполнен в виде набора фотоэлементов, расположенных в плоскости локализации интерференционной картины вдоль прямой линии параллельно интерференционной полосе. Изобретение обеспечивает помехозащищенность устройства. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к устройствам для ориентации объектов в пространстве на основе измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения в движущейся среде.

Уровень техники

Известны устройства для регистрации и измерения анизотропии пространства. Эти устройства имеют оптическую схему интерферометра, в котором суммируется амплитуда электромагнитных волн, прошедших оптический путь в разных направлениях. Суть этих методов заключается в том, что если анизотропия пространства распространения электромагнитного излучения по-разному влияет на лучи в разных направлениях, то это должно проявляться при повороте интерферометра относительно оси анизотропии.

Известно устройство для измерения анизотропии [1], представляющее собой интерферометр, который размещается на поворотном основании. В нем использованы два лазера, причем излучение одного из них распространяется по трем пространственным координатам. При повороте интерферометра анизотропия пространства приводит к влиянию на распространение излучения вдоль избранного направления. Поэтому наблюдается вариация оптического сигнала, пропорциональная углу наклона оси чувствительности установки к выделенному направлению, которая регистрируется детектором. Такое устройство имеет недостаточные чувствительность и помехозащищенность.

Известно устройство для измерения анизотропии [2], представляющее собой интерферометр, содержащий два мазерных источника когерентного электромагнитного излучения. Выходной сигнал с интерферометра образуется суперпозицией амплитуд электромагнитных волн и зависит от биения частот двух мазеров, расположенных перпендикулярно друг к другу. Интерферометр располагается на поворотном основании. При повороте интерферометра в горизонтальной плоскости при изменении ориентации плеч интерферометра по отношению к направлению анизотропии пространства будут наблюдаться вариации сигнала - периодические биения частот. Данное устройство также имеет недостаточные чувствительность и помехозащищенность.

Известно устройство для измерения анизотропии [3], представляющее собой оптический интерферометр, который располагается на поворотном основании и состоит из когерентного источника излучения, оптической системы, светоделителей, зеркал и фоторегистратора. Луч когерентного светового источника излучения делится на светоделителе на два луча, которые распространяются в перпендикулярных направлениях, отражаются от концевых зеркал и создают интерференционную картину в плоскости ее локализации, т.е. на экране. Изменение ориентации интерферометра в анизотропном пространстве приводит к смещению интерференционных полос, что может быть зарегистрировано фоторегистрирующим детектором. Данное устройство также имеет низкие чувствительность и помехозащищенность.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения анизотропии [4], которое представляет собой оптический интерферометр, расположенный на поворотном основании и помещенный в термостабилизированный кожух. Устройство состоит из лазера, оптической системы, светоделителей, зеркал, фотодетекторов, причем интерферометр выполнен по кольцевой схеме, а в плечо интерферометра введен вращающийся оптический диск. Изменение ориентации интерферометра в пространстве приводит к смещению интерференционных полос, что может быть зарегистрировано фоторегистрирующим детектором.

В интерферометре луч от лазера делится светоделителем на два луча, которые распространяются через вращающийся оптический диск (ОД) в противоположных направлениях. Каждый из лучей преломляется на первой плоской поверхности ОД, отражается на второй поверхности, затем преломляется на первой и выходит из диска. Вследствие вращения ОД, один из лучей получает положительный сдвиг фазы, другой -отрицательный. После того как лучи снова встретятся, они регистрируются фотодетектором.

Чувствительность устройства к изменению ориентации в анизотропном пространстве линейно зависит от частоты вращения диска, поэтому частота вращения должна быть достаточно высокой. Также чувствительность зависит от длины оптического пути в материале диска, что накладывает определенные требования к минимальным размерам диска и его показателю преломления.

В случае существования пространственно-временной оптической анизотропии должны наблюдаться вариации в положении интерференционной картины при повороте интерферометра в пространстве, что регистрируется фотодетектором.

Данное устройство имеет недостаточную помехозащищенность, т.к. интерферометр чувствителен к отклонению оси симметрии ОД от оси вращения ОД. Также для достижения высокой чувствительности устройства необходимо увеличивать размеры ОД, что приводит к снижению помехозащищенности.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение помехозащищенности устройства.

Задача решается за счет того, что ОД выполнен в виде клина, работающего на просвет, а не на отражение, что устраняет влияние отклонения оси симметрии ОД от оси вращения ОД, на плоских поверхностях ОД выполнены отражающие покрытия в виде кольцевых участков, причем внешний радиус отражающих колец меньше внешнего радиуса ОД на величину диаметра светового луча, для того чтобы можно было обеспечить ввод и вывод луча из диска. Диск изготовлен в виде клина определенной угловой величины (в диапазоне 0,5…1,5 угловой секунды для того, чтобы перейти от амплитудных измерений положения интерференционной картины к временным, что приведет к повышению помехозащищенности метода. Устройство снабжено набором фотодетекторов, расположенных в плоскости локализации интерференционной картины таким образом, чтобы увеличить отношение сигнал/шум (фотоэлементы расположены вдоль прямой линии параллельно интерференционной полосе).

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения.

На фиг.2 изображены оптический диск и схема прохождения луча

Осуществление изобретения

Работает устройство следующим образом (фиг.1).

Луч от стабилизированного лазера 1 проходит оптическую систему 2, делится светоделительной пластинкой 3 на два луча, которые, отразившись от зеркал 4 и 5, распространяются через вращающийся ОД 6. Вследствие вращения, один из лучей получает положительный сдвиг фазы, другой - отрицательный. После того как лучи снова встретятся на 3 и отразятся зеркалом 7, они проходят оптическую систему 8 и регистрируются фотодетектором 9. Светоделительная пластинка 10 и фотодетектор 11 нужны для контроля мощности лазера.

Свет переотражается на плоских поверхностях оптического диска (фиг.2), выполненного в виде оптического клина с углом клиновидности около 1 угловой секунды, на плоских поверхностях ОД нанесены отражающие покрытия в виде кольцевых участков. Внешний радиус отражающих кольцевых участков должен быть меньше внешнего радиуса ОД на величину диаметра светового луча, для того чтобы можно было вводить и выводить лучи из диска. Интерференционное отражающее покрытие плоских зеркальных поверхностей диска и просветляющие покрытия диска должны быть рассчитаны на длину волны лазера.

Электромагнитная волна с волновым вектором падает на плоскую поверхность вращающегося с угловой скоростью ω оптического диска радиуса R0 под углом ϑ0 в плоскости YAP. Верхняя и нижняя поверхности ОД имеют отражающие покрытия радиуса R1. Вследствие нарушения закона Снеллиуса (т.к. преломление происходит на тангенциальном разрыве скорости) угол преломления ϑ2 луча с волновым вектором становится равным для указанного направления вращения, а точка В выхода луча из диска смещается в точку В'. В результате этого волновой вектор прошедшей волны выходит параллельно , но со сдвигом. Луч, идущий в противоположную сторону, смещается аналогично в ту же сторону, т.е. по направлению движения среды.

Разность радиусов R0 и R1 приблизительно равна диаметру светового луча и не должна быть меньше этой величины. Дальнейшее уменьшение радиуса R1 нежелательно, т.к. при этом будет уменьшаться возможное число переотражений на плоских поверхностях ОД и, как следствие, увеличиваться угол падения луча, что приведет к уменьшению амплитуды преломленного луча и, следовательно, к снижению отношения сигнал/шум.

Смещение интерференционной картины определяется по изменению времени следования интерференционных полос по апертуре фотодетектора. Так как в течение всех измерений интерферометр настроен в одной и той же рабочей точке фазовой кривой, смещение интерференционной картины будет пропорционально времени следования полос. Поэтому необходимо обеспечение достаточно высокой частоты вращения ОД.

Так как чувствительность зависит от оптического пути светового луча в материале диска, необходимо обеспечить высокое значение показателя преломления материала диска.

Перед началом измерений интерферометр юстируется таким образом, чтобы за один оборот ОД по апертуре ФД проходили в горизонтальном направлении одна, две или три интерференционные полосы: в первую половину периода в одном направлении, во вторую - в другом. Количество интерференционных полос, которые будут перемещаться по апертуре ФД, зависит в основном от клина ОД, а также от юстировки интерферометра. Измеряемой величиной является интервал времени между моментами прохождения выбранной интерференционной полосой апертуры ФД. Так как эта величина прямо зависит от периода вращения ОД, ее нормируют на период Т.

Пространственно-временная оптическая анизотропия приводит к вариациям в положении интерференционной картины при повороте интерферометра в пространстве. Эти вариации выделяются из временного сигнала следования интерференционных полос по апертуре фотодетектора.

В результате многократных изменений ориентации интерферометра в трехмерном пространстве восстанавливается трехмерная пространственная картина анизотропии скорости электромагнитного излучения в движущейся среде, которая может быть записана в память бортового компьютера. Эта карта может иметь привязку к карте звездного неба. Точность привязки зависит от точности калибровки устройства измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения. Калибровка устройства осуществляется по сравнению результатов измерений с результатами измерений трехмерной карты анизотропии реликтового электромагнитного излучения.

Предлагаемое устройство может быть интегрировано в систему измерения ориентации, точного позиционирования и управления движением.

Интерферометр должен быть сконструирован на двух оптических платформах, оснащенных системой вибростабилизации. На одной из платформ должен находиться электродвигатель с ОД, на другой - остальная часть интерферометра. Обе платформы располагаются на вращающемся основании. Для определения зависимости сигнала от пространственной ориентации интерферометра положение интерференционной картины измеряется при повороте интерферометра на 360 градусов в прямом и обратном направлениях. Поворот может осуществляться шаговым двигателем.

Интерферометр должен быть помещен в кожух с активной системой термостабилизации. Угол поворота регистрируется фотоэлектронной системой и затем проходит обработку на ПК.

Источники информации

[1]. Brillet A., Hall J.L. Improved laser test of the isotropy of space. // Phys. Rev. Lett. 1979. V.42. N9, pp.549-552.

[2]. Jaseja T.S., Javan A., Murray J., Townes C.H. Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers. Phys. Phys. Rev. 1964. V.133, N5A. pp.1221-1225.

[3]. Michelson A.A., Pease F.G., Pearson F. Repetition of the Michelson-Morley Experiment // Nature, 1929. V.123, p.88.

[4]. Гладышев В.О., Гладышева Т.М., Дашко М., Трофимов Н., Шарандин Е.А. Анизотропия пространства скоростей электромагнитного излучения в движущихся средах // Гиперкомплексные числа в геометрии и физике. 2006, Т.3, №2(6), с.173-187.

Устройство измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения, представляющее собой оптический интерферометр, выполненный по кольцевой схеме, расположенный на поворотном основании и помещенный в термостабилизированный кожух, состоящий из лазера, оптической системы, светоделителей, зеркал, фотодетектора, вращающегося оптического диска, отличающееся тем, что оптический диск выполнен в виде клина, работающего на просвет, на плоские поверхности диска нанесены идентичные отражающие покрытия, причем внешний радиус отражающих покрытий меньше внешнего радиуса оптического диска на величину, не меньшую, чем диаметр луча, а фотодетектор выполнен в виде набора фотоэлементов, расположенных в плоскости локализации интерференционной картины вдоль прямой линии параллельно интерференционной полосе.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности. Устройство включает платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп и который способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси.

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений полного внутреннего отражения и интерференции световых потоков, в том числе, устройствам оптических фильтров, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например, использовании резонаторов Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам и способам определения местоположения хирургического инструмента в теле пациента. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерферометрам, и может быть использовано для контроля оптического качества афокальных систем, в том числе крупногабаритных, а именно для контроля плоских зеркал, светоделителей, плоскопараллельных пластин, клиньев, а также телескопических систем с увеличением, близким к единичному.

Изобретение относится к радиотехническим устройствам СВЧ-диапазона. .

Изобретение относится к средствам, предназначенным для прецизионных измерений линейных и угловых перемещений объекта, в частности к оптическим средствам данного назначения, в которых используются методы интерферометрии.

Изобретение относится к устройствам оптических спектральных приборов, в частности к устройствам интерферометров. .

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в конструкциях волоконно-оптических преобразователей физических величин, предусматривающих интерференционную регистрацию измеряемого сигнала. Устройство содержит полупроводниковый лазер, интерферометрический сенсор, оснащенный чувствительной мембраной, волоконно-оптический разветвитель из одномодовых оптических волокон, два фотодетектора, усилитель электрического сигнала, два автоматических регулятора, терморегулирующий элемент Пельтье, термически связанный с полупроводниковым лазером, и регистрирующий орган. Технический результат - компенсация изменения мощности излучения полупроводникового лазера. 2 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано для регистрации спектров источников излучения, в том числе для регистрации малых атмосферных примесей с подвижных носителей. Фурье-спектрометр построен на основе двухлучевого интерферометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей и содержит расположенные по ходу луча входную апертуру, входной объектив, двухлучевой интерферометр с поперечным сдвигом интерферирующих лучей, Фурье-объектив и многоэлементное матричное фотоприемное устройство. Между входной апертурой и входным объективом, а также между Фурье-объективом и многоэлементным матричным фотоприемным устройством установлены под одинаковыми углами к оптической оси плоские поворотные зеркала, снабженные интегрированной электроприводной динамической системой. Оси поворота зеркал лежат в плоскости самих зеркал, проходят через оптическую ось и перпендикулярны плоскости, в которой имеет место поперечный сдвиг интерферирующих лучей. Технический результат - повышение спектрального разрешения и упрощение системы сканирования. 1 ил.

Изобретение может быть использовано при измерении малых разностей хода (менее 0,1λ длины волны) слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах, например, при обтекании тел в потоках малой плотности, распыливании топлива из форсунок в разреженное пространство, изучении процессов смешения, воспламенения и горения топлив, обнаружении диффузных пограничных слоев. Способ включает последовательную запись на регистрирующей среде опорного пучка и объектного пучка, прошедшего сквозь фазовый объект. Объектный пучок перед записью разлагают с помощью дифракционного элемента на дифрагированные пучки нулевого и высших порядков дифракции и используют нулевой порядок дифракции, который пропускают сквозь фазовый объект как в прямом, так и в обратном ходе дифрагированных световых пучков на дифракционном элементе. Пучки N-х порядков дифракции, образованные в обратном ходе лучей через дифракционный элемент, возвращают одновременно в плоскость дифракционного элемента. Для регистрации объектного и опорного пучков регистрирующую среду устанавливают в одном из N сопряженных обратных пучков N-го порядка дифракции противоположного знака обратного хода лучей. Коэффициент чувствительности измерения определяют по формуле Ч=(N+1)·2, где N - (0, +1; +2; +3, +4…) - порядок дифракции. Технический результат - повышение коэффициента чувствительности измерения. 3 ил.

Способ реализуют посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы. Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом. При первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует. Рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку. При второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор E → которого параллелен вектору V ← скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению. Технический результат - расширение технологической возможности способа голографической визуализации обтекания движущихся тел за счет получения распределении плотности в радиальном направлении путем фронтального просвечивания газодинамического течения. 1 ил.

Изображающий микроэллипсометр состоит из источника когерентного освещения 1, пространственного фильтра 2, управляемой полуволновой пластинки 3, коллиматора 4, неполяризующего светоделителя 5, по крайней мере, одной ловушки-поглотителя 6, микрообъектива 7 с фронтальной линзой 8, расположенного под микрообъективом предметного столика 9 с размещенным на нем объектом 10, интерференционного блока 11 формирования изображения. Отраженный от объекта 10 пучок отклоняется светоделителем 5 на вход интерференционного блока 11 формирования изображения. Технический результат - увеличение точности определения поляризационных параметров света, рассеянного объектом, и исключение влияния на точность определения геометрического рельефа поверхности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к формированию изображения с использованием оптической когерентной томографии в Фурье-области. Устройство содержит первый переключающий блок 17, осуществляющий переключение между первым состоянием, в котором обратный луч 12 объединяется с опорным лучом (состояние, в котором обратный луч 12 проводится к объединяющему блоку 22), и вторым состоянием, отличающимся от первого состояния (состоянием, в котором путь луча для обратного луча 12 блокируется или изменяется). Управляющий блок 18 управляет переключающим блоком 17 для изменения первого и второго состояний. Блок 19 сбора интерферометрической информации осуществляет сбор интерферометрической информации об обратном луче 12 и опорном луче 14 с использованием опорного луча 14 или обратного луча 12, обнаруженного обнаруживающим блоком 16 во втором состоянии, и объединенного луча 15. Изобретение обеспечивает получение томографического изображения с высоким разрешением за счет удаления шумов, обусловленных автокорреляционной составляющей обратного луча. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и касается акустооптического интерферометра. Акустооптический интерферометр состоит из антенной решетки, источника когерентного излучения, коллиматора, акустооптического модулятора с четырьмя пьезопреобразователями, фурье-линзы, матричного фотоприемника и цифрового процессора. Антенная решетка содержит две пары ненаправленных приемных элементов, расположенных в одной плоскости так, что линии, соединяющие приемные элементы каждой пары, перпендикулярны друг другу. Выходы первой пары приемных элементов антенной решетки соединены с первой парой пьезопреобразователей непосредственно, а выходы второй пары приемных элементов антенной решетки соединены со второй парой пьезопреобразователей через фазовращатели на 90°. Технический результат заключается в увеличении сектора однозначно определяемых углов прихода радиоизлучения до 360 градусов. 3 ил.

Изобретение относится к измерителям скорости интерферометрическим методом по доплеровскому смещению длины волны света, отраженного от исследуемого объекта, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для увеличения яркости интерференционной картины на щелевой диафрагме на выходе оптической системы в 2-10 раз при малом увеличении габаритов. Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является уменьшение габаритов оптической системы, возможность использовать передачу света по оптическому волокну и увеличение освещенности щелевой диафрагмы регистратора. Технический результат достигается тем, что устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с волоконным вводом излучения, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо, длиннофокусную строящую линзу в фокальной плоскости которой находятся щелевая диафрагма и детектор, содержит последовательно расположенные на одной оптической оси перед цилиндрической линзой с положительным фокусным расстоянием коллимирующую линзу и две цилиндрических линзы с отрицательным фокусным расстоянием. 4 ил.

Устройство содержит закрепленное на основании (1) устройство (2) для регулировки и фиксации его положения относительно поверхности (12) объекта (13), соединенный с ним цилиндрический корпус (4), во внутренней полости (5) которого установлены источник (6) когерентного оптического излучения и фокусирующая излучение (31) на поверхность (12) объекта (13) оптическая система (8) с устройствами для регулировки и фиксации их положения (7) и (9), опорную балку (14), выполненную составной из однотипных цилиндрических элементов (28), светонепроницаемый защитный корпус (19) с окном (20), установленный с возможностью перемещения вдоль опорной балки (14), во внутренней полости (21) которого установлены светоделитель (22) и отражатель (23), жестко скрепленные между собой, и экран с устройствами для регулировки и фиксации их положения (24) и (26). На концах цилиндрического корпуса (4) и опорной балки (14), обращенных к поверхности (12) объекта (13), установлен поворотный шарнир (10), а между ними установлено устройство для регулировки и фиксации положения (30) опорной балки (14) относительно цилиндрического корпуса (4). Технический результат - снижение трудоемкости подготовки к проведению измерений и повышение точности результатов измерений. 1 ил.

Светофильтр содержит плоскую прозрачную пластину с тонкопленочным прозрачным покрытием одной ее поверхности. В первом варианте светофильтр содержит также оптическую призму ввода излучения, закрепленную плоской гранью на тонкопленочном покрытии вблизи конца пластины. Показатели преломления призмы и пленки больше показателя преломления пластины. Во втором варианте конец пластины скошен под острым углом к поверхности тонкопленочного покрытия. Излучение вводится в пленку через скошенный конец пластины. Показатель преломления пленки больше показателя преломления пластины. Введенное в пленку излучение распространяется в ней под углом к поверхности пленки, граничащей с пластиной, меньшим угла полного внутреннего отражения, но большим угла полного внутреннего отражения второй поверхности пленки. Удаленный от места ввода излучения конец пластины может быть выполнен в виде цилиндрической или сферической линзы. Технический результат - создание светофильтра, обладающего высоким разрешением и большой областью дисперсии. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх