ЛАЗЕРНЫЙ ДЕТЕКТОР ГРАВИТАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК G01V7/04 G01V7/02 

Изобретение относится к лазерным детекторам гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации и может быть использовано для измерения конечной разности потенциалов гравитационного поля Земли как между разными точками Земли, так и между значениями потенциала в одной точке, но в разные моменты времени.

В настоящее время известны только методы измерения первой вертикальной производной потенциала ϕ гравитационного поля Земли (или ускорения свободного падения) и методы измерения вторых производных гравитационного потенциала [1].

Известны [1] устройства для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения - так называемые "баллистические гравиметры", а также различные устройства для проведения относительных измерений первой вертикальной производной потенциала гравитационного поля или ускорения свободного падения.

Известно [2] 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. 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, представляющее собой лазерный детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации [3] . 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 полупрозрачное зеркала, образующие вместе с первым активным элементом, содержащим рабочую среду, первый резонатор, второе глухое зеркало и второе полупрозрачное зеркало, образующие вместе со 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 полупрозрачные 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 [3]. 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. По скорости движения интерференционных полос судят о первых производных гравитационного потенциала в точке расположения прибора.

Однако ни одно из перечисленных выше устройств, в том числе и прототип, не способны измерять конечную разность потенциалов между различными точками Земли или же разность между значениями потенциала в одной точке, но в разные моменты времени. Необходимость же знания этих характеристик гравитационного поля Земли диктуется тем обстоятельством, что эти характеристики свидетельствуют о многих процессах, происходящих в недрах Земли, а знание этих процессов необходимо как для нужд поисковой, так и для нужд фундаментальной геологии.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в получении следующего результата - измерения как конечной разности потенциалов гравитационного поля между различными точками Земли, так и значениями потенциала в одной точке, но в разные моменты времени.

Сущность изобретения заключается в том, что в лазерный детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации, содержащий основание, первый и второй активные элементы с рабочими средами, первое, второе и третье глухие зеркала, первое второе и третье полупрозрачные зеркала и 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, другой выход второго активного элемента, содержащего рабочую среду, через второе полупрозрачное зеркало, лежащее в плоскости первого полупрозрачного зеркала, и третье полупрозрачное зеркало оптически связан со входом фотоприемного устройства, а первое полупрозрачное зеркало через третье глухое и третье полупрозрачное зеркала также оптически связано со входом фотоприемного устройства, для решения поставленной задачи дополнительно введена поглощающая ячейка, при этом другой выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду, через поглощающую ячейку оптически связан с первым полупрозрачным зеркалом.

В отличие от известного технического решения в заявленном устройстве первый резонатор, состоящий из первого глухого зеркала, первого полупрозрачного зеркала и первого активного элемента, содержащего рабочую среду, за счет введения в него поглощающей ячейки генерирует оптическое излучение на частоте, отличной от частоты генерации второго резонатора, образованного из второго глухого зеркала, второго полупрозрачного зеркала и второго активного элемента, содержащего рабочую среду. Это связано с тем, что таким образом устроенные резонаторы по-разному реагируют на гравитационный потенциал, а разность частот генерации таких резонаторов непосредственно зависит от величины потенциала гравитационного поля в точке положения прибора. Это аналитически будет показано в настоящем описании. При совмещении лучей двух резонаторов с помощью полупрозрачного зеркала образуется интерференционное поле, которое регистрируется фотоприемником. Скорость движения полос интерференционной картины определяется разностью частот генерации, а значит, величиной гравитационного потенциала. Таким образом, по скорости движения интерференционных полос на входе фотоприемного устройства можно судить (с точностью до произвольной аддитивной постоянной) о величине потенциала гравитационного поля Земли. В прототипе же взяты два идентичных резонатора, и, следовательно, если их поместить в точках с одинаковыми значениями гравитационного потенциала, то их частоты будут совпадать и поэтому интерференционная картина от лучей обоих резонаторов, образующаяся на входе в фотоприемное устройство, будет неподвижной.

Заявленное устройство представлено на чертеже. На основании 1 расположены активные элементы, содержащие рабочие среды 4 и 5, причем оба активных элемента, содержащих рабочие среды 4 и 5, жестко закреплены на основании 1. Один из выходов первого активного элемента, содержащего рабочую среду 5, оптически связан с первым глухим зеркалом 3. Другой выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду 5, через поглощающую ячейку 6 оптически связан с первым полупрозрачным зеркалом 8. Один из выходов второго активного элемента, содержащего рабочую среду 4, оптически связан со вторым глухим зеркалом 2, лежащим в плоскости первого глухого зеркала 3. Другой выход второго активного элемента, содержащего рабочую среду 4, через второе полупрозрачное зеркало 7, лежащее в плоскости первого полупрозрачного зеркала 8, и третье полупрозрачное зеркало 9 оптически связаны со входом фотоприемного устройства 11. Полупрозрачное зеркало 8 через третье глухое зеркало 10 и третье полупрозрачное зеркало 9 оптически связано со входом фотоприемного устройства 11. Все глухие и полупрозрачные зеркала 2, 3, 10, 7, 8, 9 и поглощающая ячейка 6 жестко закреплены на основании 1. Все нормали к зеркалам 2, 3, 7, 8, проходящие через их центры, параллельны друг другу и лежат в одной плоскости - плоскости чертежа. Эти зеркала 2, 3, 7, 8 лежат в двух паралельных плоскостях, перпендикулярных плоскости чертежа.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение, выходящее из первого резонатора, состоящего их активного элемента с рабочей средой 5, поглощающей ячейки 6, глухого зеркала 3 и полупрозрачного зеркала 8, отражаясь от глухого зеркала 10 и полупрозрачного зеркала 9, поступает на фотоприемное устройство 11. Оптическое излучение, выходящее из второго резонатора, состоящего из активного элемента с рабочей средой 4, глухого зеркала 2 и полупрозрачного зеркала 7, пройдя через полупрозрачное зеркало 9, также поступает на фотоприемное устройство 11. На входе фотоприемного устройства оптическое излучение, сформированное в первом и втором резонаторах, образует интерференционное поле. В фотоприемном устройстве 11, применяя стандартную методику измерения скорости движения интерференционных полос [4], определяют разность генерируемых в первом и втором резонаторах частот, а по этой разности судят о величине гравитационного потенциала (с точностью до произвольной аддитивной постоянной) в точке нахождения устройства. Сравнивая полученную величину со значением гравитационного потенциала, измеренного (с точностью до той же произвольной аддитивной постоянной) в другой точке Земли или же в той же самой точке, но в другой момент времени, получают искомую конечную разность потенциалов. В качестве активного элемента, содержащего рабочую среду, может быть использован гелий-неоновый лазер на волне 3,39 микрон, а в качестве поглощающей ячейки - хорошо известная метановая ячейка.

Сказанное докажем аналитически. Рабочая формула для расчета частоты генерации горизонтально расположенного резонатора получена в работе [3]:

где Ω₀ - частота собственной моды резонатора, ω₀ - собственная, не зависящая от величины гравитационного потенциала частота атомного перехода в рабочей среде лазера, δ - параметр стабилизации (приближенно равный отношению ширины линии моды резонатора к доплеровской ширине линии).

При δ _→ 0, что соответствует реальному случаю газовых лазеров (δ ≈ 10^-2 - 10^-3), частота генерации определяется частотой собственной моды резонатора Ω₀:

При δ _→ ∞ ширина линии резонатора значительно больше доплеровской ширины линии, и частота генерации резонатора определяется собственной частотой ω₀ атомов активной среды:

Согласно [5] формула (2) описывает случай, когда в резонатор введена поглощающая ячейка с очень малой спектральной шириной линии, у которой центральная частота линии поглощения очень близка или в точности равна центральной частоте линии усиления.

В формулы (1) и (2) потенциал ϕ гравитационного поля Земли входит с разными коэффициентами. Следовательно, частота ω₂ генерации резонатора, содержащего поглощающую ячейку, будет отличаться от частоты ω₁ генерации такого же резонатора, но поглощающую ячейку не содержащего. Разность частот двух таких рядом расположенных резонаторов

зависит от величины потенциала гравитационного поля Земли в точке положения этих резонаторов. Именно это обстоятельство и позволяет создать прибор, чувствительный к гравитационному потенциалу. Разрешая последнюю формулу относительно ϕ, получим

Второе слагаемое в этой формуле - величина постоянная, определяемая только устройством прибора. Потенциал - величина, определенная с точностью до произвольной аддитивной постоянной, и смысл имеет только разность потенциалов, поэтому второе слагаемое исчезает из окончательных формул. Кроме того, во всех реальных случаях с большой точностью выполняется Ω₀ ≈ ω₀, поэтому с точностью до аддитивной постоянной получим

При измерении разности генерируемых резонаторами частот Δω, в разных точках Земли можно судить о величине разности потенциалов гравитационного поля Земли в точках положения этих резонаторов.

Если два идентичных устройства поместить в точках с одинаковыми значениями гравитационного потенциала ϕ, то разности частот Δω генерации этих устройств будут совпадать и, следовательно, интерференционные полосы на входе фотоприемников обоих приборов будут двигаться с одинаковой скоростью. (В случае неполной идентичности устройств разности частот резонаторов, фиксируемые приборами, могут отличаться на некоторую величину, что вызовет различие скоростей движения интерференционных полос. Для того, чтобы избежать этого, необходимо добиться равенства разности частот при первоначальной настройке).

При помощи двух настроенных устройств, разнесенных в разные точки Земли, можно измерять разность гравитационных потенциалов между этими точками, а также в течение длительного времени следить за временными вариациями разности потенциалов в этих точках. В частности, можно измерять разность потенциалов, а также отслеживать временные вариации этой разности между двумя устройствами, опущенными в скважины. Отслеживая изменения показаний одного устройства со временем, можно также узнать об изменении гравитационного потенциала в одной точке. Все эти характеристики содержат важную информацию о глубинных процессах, происходящих в недрах Земли, и необходимы для нужд поисковой и фундаментальной геологии.

Литература
1. ГРАВИРАЗВЕДКА: Справочник геофизика. Под редакцией Мудрецовой Е.А., Веселова К.Е., М.: Недра, 1990.-607с.

2. БИ N 24/93, с.142, AC N 1463007 (⁵ G 01 V 71/04). Интерференционное устройство для измерения градиента ускорения свободного падения.

3. Балакин А.Б., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф., ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 1994, т. 76, N4, С.671-676. ПРОТОТИП.

4. Бычков С. И. , Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. Изд. "Сов.радио", Москва, 1975 г., 425 стр.

5. Летохов В. С. , Чеботаев В. П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М.: Наука, 1990.-512 с.

Изобретение может быть использовано для измерения конечной разности потенциалов гравитационного поля Земли как между разными точками Земли, так и между значениями потенциала в одной точке, но в разные моменты времени. Сущность изобретения заключается в том, что созданы два идентичных расположенных рядом резонатора оптического излучения, различающихся лишь в том, что один из резонаторов содержит поглощающую ячейку. Введение в резонатор лазера поглощающей ячейки приводит к изменению частоты генерации лазера. Следовательно, частота генерации резонатора, содержащего поглощающую ячейку, будет отличаться от частоты генерации такого же резонатора, но поглощающую ячейку не содержащего. Разность частот двух таких рядом расположенных резонаторов зависит от величины потенциала гравитационного поля Земли в точке положения этих лазеров. 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 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, другой выход второго активного элемента, содержащего рабочую среду, через второе полупрозрачное зеркало, лежащее в плоскости первого полупрозрачного зеркала, и третье полупрозрачное зеркало оптически связаны со входом фотоприемного устройства, а первое полупрозрачное зеркало через третье глухое и третье полупрозрачное зеркала также оптически связано со входом фотоприемного устройства, отличающийся тем, что в него введена поглощающая ячейка, причем другой выход первого активного элемента, содержащего рабочую среду, через поглощающую ячейку оптически связан с первым полупрозрачным зеркалом.