ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2004 года по МПК G01C3/08 

Предлагаемое устройство относится к лазерной дальнометрии и может быть использовано для измерения расстояний с точностью, близкой к точности измерения лазерным интерферометром, в частности, при проведении метрологических работ, для высокоточных геодезических измерений, измерений подвижек земной коры в местах ее естественных разломов и ряде других. По точности предлагаемый дальномер относится к оптическим интерферометрам для измерения расстояний до километра с инструментальной погрешностью несколько микрометров.

Известен импульсный светодальномер [1], который позволяет повысить точность измерения расстояний за счет учета влияния атмосферы, содержащий лазерный излучатель с нелинейным кристаллом, генерирующий импульсы пикосекундной длительности на двух длинах волн, фотоприемники, воспринимающие импульсы на двух длинах волн после прохождения измеряемого расстояния, две автоматически управляемые оптические линии задержки, одна для измерения линейного домера дальности, другая для определения разности хода лучей 1 и 2 гармоник оптического излучения при прохождении измеряемого расстояния, оптический затвор на основе ячейки Керра.

Известен импульсный лазерный светодальнометр, взятый в качестве прототипа [2], содержащий пикосекундный лазер с активной синхронизацией мод, генерирующий последовательность пикосекундных импульсов, посылаемых на дистанцию. Часть излучения лазера поступает в управляемую линию задержки опорного канала. Принятые с дистанции и опорные импульсы совмещаются в общий пучок и поступают на параметрический усилитель, позволяющий одновременно усиливать и осуществлять индикацию временного совпадения дистанционных и опорных импульсов.

Недостатком известных устройств является невысокая точность, соизмеримая с точностью современных фазовых светодальномеров, которая определяется быстродействием оптического затвора на основе ячейки Керра [3], со временем релаксации порядка 10^-12 с и не позволяющая использовать фемтосекундные импульсы длительностью порядка 10^-15 с.

Задачей изобретения является повышение инструментальной точности измерения дальности.

Поставленная задача достигается тем, что в фемтосекундном лазерном дальномере, содержащем лазерный излучатель, приемный и передающий оптические каналы, оптическую регулируемую линию задержки с индикатором величины задержки, фотоприемник, согласно изобретению лазерный излучатель выполнен в виде источника одиночных фемтосекундных импульсов, излучение с которого поступает в рециркулятор, с выхода которого основная часть излучения поступает в передающий оптический канал, а другая часть - в оптическую регулируемую линию задержки, также дополнительно содержит сверхбыстродействующий переключатель с временем переключения порядка 10^-15 с [4, 5], на вход которого поступают измерительные импульсы с приемного оптического канала и оптической регулируемой линии задержки, с выхода сверхбыстродействующего переключателя измерительные импульсы поступают в фотоприемник, выход которого соединен с устройством управления оптической линией задержки. Устройство позволяет точнее фиксировать момент совпадения опорных оптических импульсов и импульсов, пришедших с дистанции.

В известном уровне техники не обнаружено аналогичных технических решений, предназначенных для увеличения точности измерения дальности и содержащих фемтосекундный излучатель, рециркулятор, сверхбыстродействующий оптический переключатель (МПДМП-структуры).

На чертеже изображена схема фемтосекундного дальномера, где 1 - источник одиночных фемтосекундных импульсов; 8 - рециркулятор с оптическим квантовым усилителем 2 и поглотителем оптического излучения 3, 7; 5 - оптическая линия задержки с устройством управления 4 и индикации 16; 6 - система сервоуправления; 9 - светоделительная призма; 10 - фотоприемник; 11 - свето делитель; 12 - сверхбыстродействующий оптический переключатель; 13 и 14 - приемный и передающий оптические каналы, 15 - отражатель.

Фемтосекундный светодальномер работает следующим образом. Фемтосекундный лазер одиночного импульса 1 (ФЛОИ) излучает импульс с мощностью Ф~10¹⁰ Вт и длительностью несколько фемтосекунд. Для создания периодической последовательности мощных лазерных импульсов с частотой f около 150 МГц и стабильностью следования импульсов до 10^-8 с излучение ФЛОИ поступает в рециркулятор 8 [6]. В ней одиночный импульс, проходя каждый раз в кольцевом резонаторе с оптическим квантовым усилителем 2, выводится полупрозрачным зеркалом на дистанцию с относительной стабильностью порядка. Небольшая часть излучения поступает в оптическую регулируемую линию задержки опорного канала. Основная часть периодической последовательности лазерного излучения с помощью передающего оптического канала 14 направляется на удаленный отражатель 15. Измерительные импульсы с приемного оптического канала 13 и опорные с оптической линии задержки 5 поступают в сверхбыстродействующий оптический переключатель 12. В случае совпадения опорных и измерительных импульсов опорный импульс, поглощаемый в полупроводнике, воздействует на структуру со стороны электрода, прилегающего к р-n-переходу, и вызывает переброс электрического поля, поворачивающего плоскость поляризации принимаемого излучения. Далее с выхода переключателя измерительные импульсы с помощью светоделительной призмы 9 направляются в фотоприемник 10, который останавливает систему сервоуправления 6 устройством управления 4, микрометрической подвижки ОЛЗ, сопряженного с устройством индикации 16. Отсчет по индикатору датчика перемещений соответствует величине L. Цифрами 3, 7 обозначены поглотители оптического излучения. Сущность работы светодальномера заключается в фиксации временного совпадения опорных и измерительных импульсов, прошедших двойное измеряемое расстояние D, в сверхбыстродействующем коммутаторе по отсчетам в автоматически регулируемой оптической линии задержки (ОЛЗ) в опорном канале. Это дает возможность определять расстояние по формуле

где V - скорость распространения ЭМВ в атмосфере;

Т - период следования импульсов;

λ/2 - половина длины волны, соответствующей периоду T (для f=150 МГц λ/2=1 м);

N - целое число периодов, укладываемых по времени в расстоянии 2D;

τ - домер временного интервала (0<τ<Т), соответствующего периоду Т;

L - точно измеряемый домер, выражающий величину τ в линейной мере.

Определение числа N, соответствующего целому числу метров в определяемом расстоянии, можно выполнить любым другим методом, включая использование фазовых или импульсных дальномеров.

Для учета влияния атмосферы в предлагаемом дальномере может быть использован дисперсионный метод, реализованный в приборе [2].

Современная промышленность и ряд областей науки и техники нуждаются в таких приборах, поскольку они позволяют существенно повысить точность измерения при выполнении следующих работ: монтаж промышленного оборудования, синхрофазатронов и ускорителей, создание прецизионных геодезических сетей, исследование движений земной коры, в станках для точной обработки крупногабаритных деталей и т.д.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1045713, кл. G 01 С 3/08.

2. Кошелев А.В. Высокоточный лазерный импульсный дальномер. - В кн.: 2 Всесоюзная научно-техническая конференция. Применение лазеров в приборостроении. МВТУ им. Н.Э. Баумана, М., 1979, с.89 и 90.

3. Сверхкороткие световые импульсы. Под редакцией С. Шапиро, М.: Мир, 1981, с.131.

4. Kaiser W. Von kurzen zu ultra kurzen Laser impulsen. // Phis. B1. - 1994. - 50. № 7.-8, - s.661-664.

5. Скляров О. Фотонные сети. Радио № 7, 1996, с.24.

6. Измерительная техника, 1997, № 8, c.38.

Фемтосекундный лазерный дальномер содержит лазерный излучатель, приемный и передающий оптические каналы, оптическую регулируемую линию задержки с индикатором величины задержки, фотоприемник. Лазерный излучатель выполнен в виде источника одиночных фемтосекундных импульсов, излучение с которого поступает в рециркулятор, с выхода которого основная часть излучения поступает в передающий оптический канал, а другая часть - в оптическую регулируемую линию задержки, также дополнительно содержит сверхбыстродействующий переключатель, на вход которого поступают измерительные импульсы с приемного оптического канала и оптической регулируемой линии задержки, с выхода сверхбыстродействующего переключателя измерительные импульсы поступают в фотоприемник, выход которого соединен устройством управления оптической линией задержки. Технический результат - повышение инструментальной точности измерения дальности. 1 ил.

Фемтосекундный лазерный дальномер, содержащий лазерный излучатель, приемный и передающий оптические каналы, оптическую регулируемую линию задержки с индикатором величины задержки, фотоприемник, отличающийся тем, что лазерный излучатель выполнен в виде источника одиночных фемтосекундных импульсов, излучение с которого поступает в рециркулятор, с выхода которого основная часть излучения поступает в передающий оптический канал, а другая часть - в оптическую регулируемую линию задержки, также дополнительно содержит сверхбыстродействующий переключатель, на вход которого поступают измерительные импульсы с приемного оптического канала и оптической регулируемой линии задержки, с выхода сверхбыстродействующего переключателя измерительные импульсы поступают в фотоприемник, выход которого соединен устройством управления оптической линией задержки.