ЛАЗЕРНЫЙ ДЕТЕКТОР ГРАВИТАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G01V7/04 G01V7/02 

Изобретение относится к лазерным детекторам гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации и может быть использовано для измерения первой, второй и третьей производных (вертикальной и горизонтальной) потенциала гравитационного поля Земли.

Известны устройства для измерения вторых производных потенциала ϕ силы тяжести - так называемые гравитационные вариометры и градиентометры. Все типы этих приборов, применяющиеся до настоящего времени, основаны на принципе крутильных весов Этвеша. Главной частью этих приборов является крутильная система, состоящая из коромысла с двумя грузиками и зеркала, подвешенного на крутильной нити. При измерениях фиксируются положения равновесия крутильных систем при нескольких ориентациях прибора. По измеренным значениям положения равновесия вычисляют вторые производные гравитационного потенциала по формулам, выражающим связь между полем силы тяжести, параметрами прибора и его ориентацией в пространстве. Однако известное техническое решение позволяет измерять только вторые производные гравитационного потенциала, при этом гравитационные вариометры первого рода измеряют гравитационные вариометры второго рода измеряют дополнительно а горизонтальные гравитационные градиентометры - только Ни один из указанных приборов не может измерять по отдельности.

Известно интерферометрическое устройство для измерения градиента ускорения свободного падения, включающее лазер, два тела с закрепленными на них отражательными элементами и фотоприемник. В нем отражательные элементы выполнены в виде полупрозрачных зеркал, установленных отражающими поверхностями друг к другу перпендикулярно оптической оси и последовательно друг за другом между лазером и фотоприемником. Однако данное техническое решение позволяет измерять только градиент ускорения, т.е. только вторую вертикальную производную гравитационного потенциала.

Известно устройство для измерения первой производной (вертикальной и горизонтальной) потенциала ϕ гравитационного поля Земли, основанное на потенциальном методе измерений, представляющее собой лазерный детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации. Это устройство является наиболее близким к заявленному и поэтому выбрано в качестве прототипа. Оно включает два активных элемента, содержащих рабочие среды для обеспечения генерации оптического излучения, первое глухое и первое частично-пропускающее зеркала, образующие вместе с первым активным элементом, содержащим рабочую среду, первый резонатор, второе глухое зеркало и второе частично-пропускающее зеркало, образующие вместе с вторым активным элементом, содержащим рабочую среду, второй резонатор, расположенный параллельно первому, третье глухое зеркало и полупрозрачную диэлектрическую пластину, служащие для совмещения лазерных пучков на фотоприемном устройстве. Глухие и частично-пропускающие зеркала обоих резонаторов и активные элементы, содержащие рабочие среды, жестко закреплены на едином основании для того, чтобы обеспечить синхронность колебаний зеркал обоих лазеров, вызванных внешними возмущениями (акустическими, вибрационными, температурными и др.). Принцип действия такого устройства основан на явлении гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации лазера.

Сущность этого явления заключается в том, что частота генерации лазера зависит от величины гравитационного потенциала и меняется в зависимости от изменения этого потенциала. Если два идентичных лазера поместить в точках с одинаковыми значениями гравитационного потенциала, то их частоты будут совпадать и, следовательно, интерференционная картина от лучей обоих лазеров, образующаяся на входе в фотоприемное устройство, будет неподвижной. Если повернуть основание с закрепленными на нем лазерами так, чтобы, лазеры, оставаясь горизонтальными, оказались в точках с разными значениями гравитационного потенциала, то частоты генерации лазеров будут различными, и интерференционные полосы на входе фотоприемного устройства станут двигаться в одну сторону с постоянной скоростью.

Однако известное техническое решение способно измерять лишь первую производную гравитационного потенциала, тогда как для нужд разведочной и фундаментальной геологии необходимо знание также вторых, третьих и более высоких производных гравитационного потенциала, а также возможности их одновременного определения в точке наблюдения (ни один из ныне существующих приборов такой возможности не дает). Если известны все производные гравитационного потенциала в данной точке Земли, а также их временные вариации, можно судить о плотности пород, подстилающих поверхность Земли в данной точке, и об изменении плотности со временем. Необходимость такой информации очевидна. Кроме того, в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа, наличие некоррелированных шумов в двух разных рабочих средах активных элементов, обусловленных флуктуациями частоты генерации из-за спонтанных излучений, а также наличие некоррелированных шумов, вызванных колебаниями зеркал, образующих резонаторы лазеров, приводит к нестабильности интерференционной картины и, следовательно, как к заметному снижению чувствительности прибора, так и уменьшению его точности.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в получении следующего результата - измерение наряду с первой, также второй и третьей производных (вертикальной и горизонтальной) потенциала гравитационного поля Земли, в том числе их попарное измерение, и измерение всех трех производных одновременно. Кроме того, достигнуто решение дополнительной задачи - повышение устойчивости устройства к внешним воздействиям, а также повышение точности измерений и чувствительности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный лазерный детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации, содержащий основание, первый и второй активные элементы, содержащие рабочие среды, первое, второе и третье глухие зеркала, первое, второе и третье полупрозрачные зеркала и первое фотоприемное устройство, причем первое глухое зеркало и один из выходов первого активного элемента, содержащего рабочую среду, оптически связаны между собой, второе глухое зеркало, лежащее в плоскости первого глухого зеркала, и один из выходов второго активного элемента, содержащего рабочую среду, оптически связаны между собой, второе полупрозрачное зеркало, лежащее в плоскости первого полупрозрачного зеркала, через третье полупрозрачное зеркало и третье глухое зеркало оптически объединены с входом первого фотоприемного устройства, для решения поставленной задачи, дополнительно введены третий и четвертый активные элементы, содержащие рабочие среды, четвертое и пятое глухие зеркала, четвертое, пятое, шестое, седьмое, восьмое и девятое полупрозрачные зеркала, первая, вторая, третья и четвертая поглощающие ячейки, второе и третье фотоприемные устройства и вычислительный модуль, причем второй выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду, через первую поглощающую ячейку, первое, шестое, седьмое и восьмое полупрозрачные зеркала и четвертое глухое зеркало через третий активный элемент, содержащий рабочую среду, третью поглощающую ячейку, четвертое и восьмое полупрозрачные зеркала оптически объединены с входом второго фотоприемного устройства, кроме того, тот же выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду, также через первую поглощающую ячейку, первое, шестое и девятое полупрозрачные зеркала и пятое глухое зеркало через четвертый активный элемент, содержащий рабочую среду, четверную поглощающую ячейку, через пятое и девятое полупрозрачные зеркала оптически объединены с входом третьего фотоприемного устройства, а второй выход второго активного элемента, содержащего рабочую среду, через вторую поглощающую ячейку, второе полупрозрачное зеркало оптически связан с третьим полупрозрачным зеркалом, кроме того, седьмое полупрозрачное зеркало оптически связано с третьим глухим зеркалом, а выходы первого, второго и третьего фотоприемных устройств объединены с вычислительным модулем, причем плоскость размещения четвертого и пятого глухих зеркал лежат в плоскости второго и первого глухих зеркал, плоскость размещения четвертого и пятого полупрозрачных зеркал лежат в плоскости первого и второго полупрозрачных зеркал, а все нормали к зеркалам, проходящие через их центры, параллельны друг другу и лежат в одной плоскости.

В отличие от известного технического решения, содержащего только одну пару активных элементов с рабочими средами и способного измерять только первую производную гравитационного потенциала, в заявленном устройстве образовано три независимые пары активных элементов, содержащих рабочие среды, с разными расстояниями между оптическими осями в каждой паре, причем в каждый резонатор, из которых образованы пары, и состоящий из глухого зеркала, активного элемента с рабочей средой и полупрозрачного зеркала, введены абсолютно идентичные поглощающие ячейки, и каждая пара оптически связана со своим фотоприемным устройством.

Решение поставленной задачи осуществляется не количественным наращиванием однотипных резонаторов, поскольку отсутствие любого дополнительного резонатора полностью лишает нас возможности решить поставленную задачу о нахождении высших производных гравитационного поля Земли. Именно создание трех независимых пар резонаторов, имеющих разные расстояния между оптическими осями в каждой паре, позволяет достичь решения поставленной задачи. Введение ячеек в резонатор приводит к тому, что на выходе из резонатора мы получаем практически монохроматическое излучение с частотой, определяемой гравитационным потенциалом в точке положения поглощающей ячейки, а это позволяет получить устойчивую интерференционную картину.

Заявленное устройство представлено на чертеже. На основании 1 расположены активные элементы, содержащие рабочие среды 6 - 9, причем все активные элементы с рабочими средами жестко закреплены на основании 1. Один из выходов каждого из активных элементов, содержащих рабочие среды 6 - 9, оптически связан с глухими зеркалами 2 - 5 соответственно. Вторые выходы активных элементов с рабочими средами 6 - 9 оптически связаны с полупрозрачными зеркалами 14 - 17 соответственно. Между активными элементами с рабочими средами 6 - 9 и полупрозрачными зеркалами 14 - 17 расположены поглощающие ячейки 10 - 13 соответственно. Полупрозрачное зеркало 14 оптически связано с полупрозрачными зеркалами 17, 19 и 18. Полупрозрачное зеркало 15 оптически связано с полупрозрачными зеркалами 17, 21 и 20. Полупрозрачное зеркало 16 оптически связано с полупрозрачным зеркалом 17, глухим зеркалом 23 и полупрозрачным зеркалом 22. Вход фотоприемного устройства 24 оптически связан с полупрозрачным зеркалом 18. Вход фотоприемного устройства 25 оптически связан с полупрозрачным зеркалом 20. Вход фотоприемного устройства 26 оптически связан с полупрозрачным зеркалом 22. Выходы фотоприемных устройств 24, 25 и 26 связаны с входами вычислительного модуля 27. Все нормали к зеркалам 2, 3, 4, 5, 14, 15, 16 и 17, проходящие через их центры, параллельны друг другу и лежат в одной плоскости - плоскости чертежа. Зеркала 2 - 5 и зеркала 14 - 17 лежат в двух параллельных плоскостях, перпендикулярных плоскости чертежа. Все зеркала и поглощающие ячейки жестко закреплены на основании 1.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение, выходящее из первого резонатора, состоящего из активного элемента с рабочей средой 9, глухого зеркала 5, полупрозрачного зеркала 17 и поглощающей ячейки 13, через систему зеркал 19 и 18 поступает на фотоприемное устройство 24. Оптическое излучение, выходящее из второго резонатора, состоящего из активного элемента с рабочей средой 6, глухого зеркала 2, полупрозрачного зеркала 14 и поглощающей ячейки 10, проходя через полупрозрачное зеркало 18, также поступает на фотоприемное устройство 24, при этом на входе в фотоприемное устройство 24 излучение, сформированное в первом и втором резонаторах, образует интерференционное поле. В фотоприемном устройстве 24 измеряется скорость движения интерференционных полос, по которой определяют разность генерируемых в первом и втором резонаторах частот, а по этой разности определяют разность гравитационных потенциалов Δϕ₁₂ в точках нахождения первого и второго резонаторов.

Оптическое излучение, выходящее из первого резонатора через систему зеркал 19, 21 и 20, поступает на фотоприемное устройство 25. Оптическое излучение, выходящее из третьего резонатора, состоящего из активного элемента с рабочей средой 7, глухого зеркала 3, полупрозрачного зеркала 15 и поглощающей ячейки 11, проходя через полупрозрачное зеркало 20, также поступает на фотоприемное устройство 25, при этом на входе в фотоприемное устройство 25 излучение, сформированное в первом и третьем резонаторах, образует интерференционное поле. В фотоприемном устройстве 25 измеряется скорость движения интерференционных полос, по которой определяют разность генерируемых в первом и третьем резонаторах частот, а по этой разности определяют разность гравитационных потенциалов Δϕ₁₃ в точках нахождения первого и третьего резонаторов.

Оптическое излучение, выходящее из первого резонатора через систему зеркал 19, 21, 23 и 22, поступает на фотоприемное устройство 26. Оптическое излучение, выходящее из четвертого резонатора, состоящего из активного элемента с рабочей средой 8, глухого зеркала 4, полупрозрачного зеркала 16 и поглощающей ячейки 12, проходя через полупрозрачное зеркало 22, также поступает на фотоприемное устройство 26, при этом на входе в фотоприемное устройство 26 излучение, сформированное в первом и четвертом резонаторах, образует интерференционное поле. В фотоприемном устройстве 26 измеряется скорость движения интерференционных полос, по которой определяют разность генерируемых в первом и четвертом резонаторах частот, а по этой разности определяют разность гравитационных потенциалов Δϕ₁₄ в точках нахождения первого и четвертого резонаторов.

Измеренные разности потенциалов Δϕ₁₂, Δϕ₁₃, Δϕ₁₄ в виде электрических сигналов подаются на входы вычислительного модуля 27, который вычисляет значения первой, второй и третьей производных. В качестве активного элемента, содержащего рабочую среду, может быть использован гелий-неоновый лазер на волне 3,39 мкм, а в качестве поглощающей ячейки - хорошо известная метановая ячейка. Если два идентичных лазера поместить в точках с одинаковыми значениями гравитационного потенциала, то их частоты будут совпадать и, следовательно, интерференционная картина от лучей обоих лазеров, образующаяся на входе в фотоприемное устройство, будет неподвижной. Если повернуть основание с закрепленными на нем лазерами так, чтобы лазеры, оставаясь горизонтальными, оказались в точках в разными значениями гравитационного потенциала, то частоты генерации лазеров будут различными, и интерференционные полосы на входе фотоприемного устройства станут двигаться в одну сторону с постоянной скоростью. Измеряя скорость движения полос, определяют разности генерируемых частот, а зная разности частот - разности гравитационных потенциалов в точках нахождения лазеров. Зная три независимые разности потенциалов и расстояния между оптическими осями лазеров, определяют значения первой, второй и третьей производной гравитационного потенциала Земли в точке нахождения первого резонатора, общего для всех трех пар резонаторов.

Сказанное докажем аналитически. Известно, что частота генерации ω активного элемента с рабочей средой и поглощающей ячейкой зависит от величины гравитационного потенциала ϕ и меняется в зависимости от изменения этого потенциала по закону - частота генерации лазера при ϕ = 0, стабилизированного по поглощающей ячейке, с - скорость света. При изменении гравитационного потенциала на величину Δϕ изменение частоты генерации Δω может быть выражено формулой

Изменение Δϕ потенциала всегда можно представить в виде

Необходимо найти три неизвестные величины: т. е. найти первую, вторую и третью производную гравитационного потенциала ϕ(z). Для этого созданы три независимые пары идентичных лазеров, активные элементы с рабочими средами которых на чертеже обозначены - 9-6, 9-7 и 9-8.

Пусть расстояния между оптическими осями этих лазеров в каждой паре неодинаковы и равны соответственно l₁₂ - для пары 9-6, l₁₃ - для пары 9-7 и l₁₄ - для пары 9-8, а измеренные посредством этих лазеров разности гравитационных потенциалов равны соответственно Δϕ₁₂, Δϕ₁₃, Δϕ₁₄. Следовательно, мы можем составить три алгебраических уравнения с тремя неизвестными а именно:

Решение этой системы всегда возможно и дает нам искомые производные:

Эти формулы позволяют по независимым трем измеренным разностям гравитационного потенциала, полученным посредством создания трех независимых пар резонаторов, имеющих разные расстояния между оптическими осями в каждой паре, найти первую, вторую и третью производные (вертикальную и горизонтальную) потенциала гравитационного поля Земли.

Изобретение относится к лазерным детекторам гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации и может быть использовано для измерения первой, второй и третьей производных (вертикальной и горизонтальной) потенциала гравитационного поля Земли, в том числе измерения попарного и измерения всех трех производных одновременно. Кроме того, достигнуто решение дополнительной задачи - повышение устойчивости устройства к внешним воздействиям, а также повышение точности измерений и чувствительности устройства. Сущность изобретения: созданы три независимые пары идентичных лазеров с разными расстояниями между оптическими осями у каждой пары, причем один резонатор - общий для всех трех пар. В резонатор каждого лазера введены абсолютно идентичные поглощающие ячейки, что позволяет стабилизировать излучение, сформированное в резонаторах, а это дает возможность получить устойчивую интерференционную картину. Поскольку частота излучения резонатора, стабилизированного поглощающей ячейкой, зависит от гравитационного потенциала, в котором находится поглощающая ячейка, разность частот в каждой паре резонаторов будет своя. Таким образом, при помощи трех независимых пар лазеров будут получены три независимые разности гравитационных потенциалов. Зная эти разности потенциалов и расстояния между оптическими осями лазера, найдем значения искомых производных в точке нахождения резонатора, общего для всех трех пар. 1 ил.

Лазерный детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации, содержащий основание, первый и второй активные элементы, содержащие рабочие среды, первое, второе и третье глухие зеркала, первое, второе и третье полупрозрачные зеркала и первое фотоприемное устройство, причем первое глухое зеркало и один из выходов первого активного элемента, содержащего рабочую среду, оптически связаны между собой, второе глухое зеркало, лежащее в плоскости первого глухого зеркала, и один из выходов второго активного элемента, содержащего рабочую среду, оптически связаны между собой, второе полупрозрачное зеркало, лежащее в плоскости первого полупрозрачного зеркала, через третье полупрозрачное и третье глухое зеркала оптически объединено с входом первого фотоприемного устройства, отличающийся тем, что в него введены третий и четвертый активные элементы, содержащие рабочие среды, четвертое и пятое глухие зеркала, четвертое, пятое, шестое, седьмое, восьмое и девятое полупрозрачные зеркала, первая, вторая, третья и четвертая поглощающие ячейки, второе и третье фотоприемные устройства и вычислительный модуль, причем второй выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду, через первую поглощающую ячейку, первое, шестое, седьмое и восьмое полупрозрачные зеркала и четвертое глухое зеркало через третий активный элемент, содержащий рабочую среду, третью поглощающую ячейку, четвертое и восьмое полупрозрачные зеркала, оптически объединены с входом второго фотоприемного устройства, кроме того, тот же выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду, также через первую поглощающую ячейку, первое, шестое и девятое полупрозрачные зеркала и пятое глухое зеркало через четвертый активный элемент, содержащий рабочую среду, четвертую поглощающую ячейку, через пятое и девятое полупрозрачные зеркала оптически объединены с входом третьего фотоприемного устройства, а второй выход второго активного элемента, содержащего рабочую среду, через вторую поглощающую ячейку и второе полупрозрачное зеркало оптически связан с третьим полупрозрачным зеркалом, кроме того, седьмое полупрозрачное зеркало оптически связано с третьим глухим зеркалом, а выходы первого, второго и третьего фотоприемных устройств объединены с вычислительным модулем, причем плоскости размещения четвертого и пятого глухих зеркал лежат в плоскости второго и первого глухих зеркал, плоскости размещения четвертого и пятого полупрозрачных зеркал лежат в плоскости первого и второго полупрозрачных зеркал, а все нормали к зеркалам, проходящие через их центры, параллельны друг другу и лежат в одной плоскости.