МАЯТНИКОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2011 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для измерения микродеформаций земной коры и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.

Известен интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно установленные одночастотный лазер, телескопическую систему, светоделитель и два уголковых отражателя, один из которых предназначен для связи с объектом, а другой расположен в опорном плече интерферометра, четвертьволновую пластину, размещенную между первым отражателем и светоделителем, и последовательно установленные по ходу излучения два поляризатора, оптически связанные со светоделителем, и фотоэлектрическую систему обработки квадратурных интерференциальных сигналов (п. РФ N 2025655, МПК G01В 9/02).

Известен также интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник излучения, оптически связанные коллиматор и светоделитель, два уголковых отражателя, каждый из которых установлен соответственно в одном из потоков от светоделителя, два фотоприемника, расположенных соответственно в каждом из потоков, отраженных от уголковых отражателей, и блок регистрации, оптические элементы которого расположены на двух устоях, жестко соединенных с исследуемым объектом (Shuzo Takemoto, Akito Araya, Junpei Akamatsu, et al. A 100 m laser strainmeter system installed in a 1 km deep tunnel at Kamioka, Gifu, Japan // Journal of Geodynamics. V.38, 2004, pp 477-488).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интерферометр для измерения перемещений по патенту РФ №2146354, МПК G01B 9/02. Интерферометр выполнен по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона и включает источник излучения, коллиматор, светоделитель, подвижный отражатель и неподвижный отражатель, связанный с системой регистрации. Неподвижный отражатель представляет собой два плоскопараллельных зеркала, каждое из которых закреплено на пьезокерамическом основании, при этом как подвижный отражатель, так и неподвижный отражатель расположены на двух устоях, жестко соединенных с исследуемым объектом.

Общим недостатком всех указанных устройств является то, что из-за жесткого крепления устоев интерферометров с исследуемым объектом их амплитудно-частотная характеристика в звуковой области спектра испытывает периодические синусоидальные колебания, амплитуда которых изменяется от максимального значения до нуля, из-за чего невозможно проводить объективную интерпретацию измеренных микросмещений в звуковом диапазоне частот. Это связано с тем, что лазерный интерферометр регистрирует изменение своей базы, то есть расстояние между двумя устоями интерферометра, и при этом вместо регистрации амплитуды волны А₀, распространяющейся в исследуемом объекте, на выходе интерферометр регистрирует амплитуду волны, изменяющуюся по следующему закону (I) Á=A₀(e^ikL-1), действительная часть которой меняется согласно выражению Á =A₀(coskL-l), где A₀ - амплитуда волны, к=2π/λ - волновое число, λ - длина волны, L - длина рабочего плеча интерферометра. Амплитудно-частотная характеристика известного лазерного интерферометра в соответствии с указанными выражениями приведена на фиг.1.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение амплитудно-частотной характеристики лазерных интерферометров за счет ликвидации ее периодических гармонических колебаний в звуковом диапазоне и регистрации не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона.

Поставленная задача решается интерферометром для измерения перемещений в однородной среде, содержащим установленную на оптической скамье систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающую источник монохроматического излучения, неподвижный отражатель, пьезокерамические элементы которого связаны с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути интерферометра, расположенный на устое, жестко закрепленном на исследуемом объекте, а также подвижный отражатель, смонтированный на устое, входящем в состав маятниковой системы, характеристики которой определяются длиной регистрируемой волны, расстоянием между устоями, добротностью и резонансной частотой маятниковой системы

Принцип работы заявляемого интерферометра основывается на следующем.

Пусть в исследуемой однородной среде распространяется волна, которая вызывает в ней смещение.

При жестком закреплении устоев интерферометра неравноплечего типа с исследуемым объектом вызванное волной смещение описывается следующим выражением: u(х, t)=А₀е^i(kх-ωt),

где х - координата, t -время, А₀ - амплитуда волны, k=2 π/λ - волновое число, λ-длина волны, ω=2πv - циклическая частота, v - частота волны.

Смещение одного из жестко закрепленных устоев, на котором расположен один из отражателей, будет равно:

а смещение другого жестко закрепленного устоя:

где x₂=x₁+L.

Величина смещения, которое будет регистрировать известный интерферометр, равна:

где А=A₀(e^ikL - 1) или с учетом только действительной части: А=A₀(cos kL - 1).

В случае установления подвижного отражателя на устое, входящем в состав маятниковой системы, установленной на исследуемом объекте, смещение устоя, жестко закрепленного на объекте, будет описываться выражением: а смещение устоя, расположенного на маятниковой системе, будет описываться выражением:

где х₂=х₁+L, L - расстояние между устоями (длина рабочего плеча интерферометра),

ω₀=2πv₀ - циклическая частота маятниковой системы, v₀ - собственная, резонансная частота маятника, γ - коэффициент затухания, γ=ω₀/2Q.

В этом случае, величина смещения, которое будет регистрировать заявляемый интерферометр, равна:

где:

- регистрируемая заявляемым лазерным интерферометром амплитуда волны.

Или с учетом только действительной части:

Таким образом, заявленный технический результат - ликвидация периодических гармонических колебаний лазерных интерферометров и регистрация не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона - достигается за счет того, что при установке подвижного отражателя на устое, являющемся частью маятниковой системы, интерферометр регистрирует амплитуду волны (ее действительную часть), изменяющуюся по закону (III):

а не по закону (I) прототипа А=А₀(cos kL-1).

То есть регистрируемая интерферометром амплитуда волны зависит от длины регистрируемой волны λ, расстояния между устоями (длина рабочего плеча интерферометра) - L, добротности Q и резонансной частоты v₀ маятниковой системы, при этом резонансная частота v₀ и добротность Q выбираются в зависимости от минимальной частоты частотного диапазона периодических гармонических колебаний конкретного лазерного интерферометра, требуемой степени подавления амплитуд данных колебаний, упругими и геометрическими характеристиками маятниковой системы.

На фиг.2. приведена амплитудно-частотная характеристика заявляемого лазерного интерферометра, полученная при регистрации упругих волн в однородной среде (скорость распространения около 2000 м/с) в частотном диапазоне от 0,0001 до 10 Гц, длине L рабочего плеча интерферометра, равной 100 м, резонансная частота v₀ маятниковой системы - 0,3 Гц, добротность Q маятниковой системы -100.

На фиг.3 представлена блок-схема интерферометра. На фиг.4 - вертикальный разрез маятникового лазерного интерферометра.

Интерферометр (фиг.3) содержит 1 - источник монохроматического излучения, 2 - коллиматор и оптический затвор, представляющие собой единую систему (диафрагма, поляроид, пластина L/4, коллиматор), 3 - светоделитель, 4 - световод, 5 - подвижный отражатель, 6 - неподвижный отражатель, 7 - фотоприемник и 8 - систему регистрации.

На фиг.4 приведен вертикальный разрез маятникового лазерного интерферометра, расположенного в приборном боксе, находящемся под землей, где 9 интерференционный узел, включающий источник излучения 1, коллиматор и оптический затвор - 2, светоделитель 3 и неподвижный отражатель 6, 10 - устой, жестко закрепленный в приборном боксе 11; 12 - устой, входящий в состав установленной на исследуемом объекте маятниковой системы и закрепленный на нерастяжимом стержне 13.

В качестве подвижного отражателя используют, например, уголковый отражатель, а в качестве неподвижного, например, два плоскопараллельных зеркала, закрепленных с возможностью юстировки на пьезокерамических цилиндрах, установленных на оптической скамье под углом 90° друг к другу. Для управления работой интерферометра целесообразнее использовать цифровую систему регистрации.

Интерферометр работает следующим образом. Луч от источника излучения 1 попадает на коллиматор 2, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее пучок направляется на плоскопараллельный светоделитель 3, где расщепляется на два пучка. Один из них через световод 4 попадает в измерительное плечо на подвижный отражатель 5, расположенный на устое 12, входящем в состав маятниковой системы, от которого возвращается обратно на светоделитель 3. Другой пучок, пройдя установленный на устое 10 на пьезокерамическом основании неподвижный отражатель 6, попадает на светоделитель 3 в место прихода луча от подвижного отражателя 5. В данном месте лучи сбиваются, и с помощью юстировочных болтов (на фиг.3 не показаны), расположенных на неподвижном отражателе 6, интерференционная картина настраивается на пятноминимум, в месте расположения которого устанавливают фотодиод 7 и систему регистрации 8. Работой интерферометра управляет система регистрации посредством сигналов, подающихся на пьезокерамическое основание.

Как видно из фиг.2, при регистрации волны заявляемым интерферометром исчезают периодические колебания амплитудно-частотной характеристики в звуковом диапазоне, регистрируемые при использовании прототипа (фиг.1), и регистрируемая амплитуда равна по модулю амплитуде волны, распространяющейся в исследуемом объекте.

Сравнение заявляемого лазерного интерферометра, собранного по маятниковому принципу, показывает его колоссальные преимущества перед лазерными интерферометрами классического исполнения. Преимущества касаются как низкочастотных, так и высокочастотных областей исследования. Так в низкочастотной (инфразвуковой) области чувствительность лазерных интерферометров маятникового типа на 2-3 порядка выше лазерных интерферометров классического исполнения. Кроме того, полностью исчезают биения в высокочастотной области (более 10 Гц, фиг.2). В этой области лазерный интерферометр измеряет не относительную, а практически абсолютную амплитуду волн. Конечно, есть точка перегиба, т.е. переход от положительных значений регистрируемой амплитуды к отрицательным, амплитуда которой в этой точке равна 0. Однако в лазерном интерферометре маятникового типа существует только одно значение частоты, при которой регистрируемая амплитуда равна 0, то есть интерферометр ничего не регистрирует, а в лазерном интерферометре классического исполнения таких точек множество (фиг.1).

Таким образом, расположение подвижного отражателя лазерного интерферометра на устое, входящем в состав маятниковой системы, позволяет получить новый оптический измеритель с улучшенными амплитудно-частотными характеристиками, пригодный для измерения вариаций уровня микросмещений в однородной среде на уровне фоновых колебаний в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1000 Гц.

Интерферометр для измерения перемещений однородной среды содержит установленную на оптической скамье систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона. Система включает источник монохроматического излучения, подвижный отражатель и неподвижный отражатель, пьезокерамическое основание которого связано с системой регистрации, выполненной с возможностью регистрации изменения длины оптического пути. Неподвижный отражатель расположен на устое, жестко закрепленном на исследуемом объекте. Подвижный отражатель смонтирован на устое, входящем в состав маятниковой системы, характеристики которой определяются длиной регистрируемой волны, расстоянием между устоями, добротностью и резонансной частотой маятниковой системы. Технический результат заключается в улучшении амплитудно-частотной характеристики интерферометра за счет ликвидации ее периодических гармонических колебаний в звуковом диапазоне и регистрации не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона в однородной среде. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интерферометр для измерения перемещений однородной среды, содержащий установленную на оптической скамье систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающую источник монохроматического излучения, неподвижный отражатель, пьезокерамическое основание которого связано с системой регистрации, выполненной с возможностью регистрации изменения длины оптического пути, и расположенный на устое, жестко закрепленном на исследуемом объекте, а также подвижный отражатель, отличающийся тем, что подвижный отражатель смонтирован на устое, входящем в состав маятниковой системы, характеристики которой определяются длиной регистрируемой волны, расстоянием между устоями, добротностью и резонансной частотой маятниковой системы.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что неподвижный отражатель выполнен в виде двух плоскопараллельных зеркал, закрепленных с возможностью юстировки на пьезокерамических цилиндрах, установленных на оптической скамье под углом 90° друг к другу.

3. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что подвижный отражатель выполнен в виде уголкового отражателя.

4. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что используют цифровую систему регистрации.