СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИН Российский патент 2015 года по МПК G01J3/14 

Предлагаемое изобретение относится к разделу «Лазерная техника» и может быть использовано в геодезии, картографии, инженерной геодезии и т.д.

Известен способ измерения длин [Бакланов Е.В., Дмитриев А.К., «Абсолютное измерение длины с помощью фемтосекундного лазера», Квантовая электроника, 32, №10, 2002, с. 925], в котором в качестве источника излучения используется фемтосекундный лазер (ФСЛ) с самосинхронизацией мод. В основе измерения заложен интерференционный способ измерения длины, используя полосы равного наклона, получаемые в интерферометре Фабри-Перо (ИФП), построенный на базе измеряемой длины L. Способ заключается в подборе длины резонатора l ФСЛ по отношению к измеряемой длине L. Величина l легко определяется по величине межмодовой частоте ФСЛ. Если L/1=n, где n - целое число, то генерируемые частоты ФСЛ настроены на основной интерференционный максимум интерферометра Фабри-Перо и при перемещении зеркала ИФП на δL наблюдается основная его гребенка полос пропускания (отражения), интервал между которыми λ/2 (λ - средняя длина волны генерации ФСЛ). Изменяя длину резонатора лазера, частоты его настраиваются на соседний основной интерференционный максимум интерферометра Фабри-Перо. Для этих длин резонатора ФСЛ определяются межмодовые частоты. По значениям межмодовых частот фемтосекундного лазера определяется значение n, а, следовательно, измеряемая длина L.

Указанный способ измерения длин представляет интерес для измерения больших длин (более 5 км.), на которых изменение длины резонатора ФСЛ для настройки частот ФСЛ на соседние основные интерференционные максимумы интерферометра Фабри-Перо осуществляется в пределах 10 мкм. При измерении малых длин возникает необходимость изменения длины резонатора фемтосекундного лазера в пределах нескольких сантиметров, что во многих случаях является нежелательным для работы ФСЛ. Таким образом, теряется универсальность лазерного дальномера для измерения одновременно как больших, так и малых длин. Кроме того, распространение излучения фемтосекундного лазера происходит в диспергирующей среде (в воздухе), нарушающей эквидистантность генерируемых ФСЛ оптических частот, а, следовательно, длительность импульсов увеличивается и ухудшается точность измерений длин.

Известен также способ измерения длин, выполненный на основе интерференционных полос, расположенных эквидистантно интерферометра Майкельсона с использованием излучения фемтосекундного лазера (ФСЛ) с самосинхронизацией мод [Jun Ye, «Absolute measurement of a long, arbitrary distance to less than an optical fringe», May 15, 2004 / Vol.29, No. 10 / OPTICS LETTERS, 1153], являющийся прототипом предлагаемого изобретения. В этом способе для измерения длин используется свойство фемтосекундного лазера, позволяющее рассматривать его излучение как гребенку синхронизированных оптических частот и как сверхкоротких импульсов с периодической их последовательностью f_rep. Частоту повторения импульсов f_rep (межмодовая частота) ФСЛ можно менять, изменяя длину резонатора лазера. Выделяемая пара сверхкоротких импульсов ФСЛ с известным значением f_rep поступают на вход интерферометра Майкельсона, состоящий из известного по длине (5÷10 мм) короткого (эталонного) плеча и длинного (измеряемого L) плеча. Измерение относительного времени задержки распространение импульсов в плечах интерферометра Майкельсона фиксируется быстродействующим фотодетектором. Частоту повторения импульсов f_rep подбирают, изменяя длину резонатора лазера, такую, чтобы временная задержка импульсов на измеряемом отрезке длины L относительно короткого (эталонного) плеча была кратной временному периоду его повторения, т.е. m/ f_rep, где m - целое число. При правильном выборе f_rep две последовательности импульсов, прошедшие короткое (эталонное) и длинное (измеряемое) плечи интерферометра Майкельсона перекрываются, оптический кросс-коррелятор (Fringe-resolved cross correlation) регистрирует интерференционные полосы. Максимальное амплитудное значение интерференционных полос соответствует точному выбору f_rep, а, следовательно, точному нахождению времени прохождения длины L, т.е. m/f_rep. Измеряемая длина определяется выражением

где V - скорость света в измеряемой среде.

Указанный способ измерения длин представляет интерес для больших длин (более 5 км.), на которых для получения интерференционных полос на кросс-корреляторе на компонентах генерируемых частот ФСЛ относительное изменение частоты повторения f_rep импульсов незначительно. Чтобы перейти для измерения малых длин (десятки метров) возникает необходимость существенное (порядка нескольких сантиметров) изменение длины резонатора (т.е. f_rep) фемтосекундного лазера, что во многих случаях является нежелательным для работы ФСЛ. Таким образом, становится не возможным применения обсуждаемого лазерного дальномера для измерения одновременно, как больших, так и малых длин.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа измерения длин в широком диапазоне от нескольких метров до километров.

Решение поставленной задачи достигается тем, что измерение длин основано на определении численного значения частотного промежутка между двумя близлежащими интерференционными полосами интерферометра Фабри-Перо, базой которого является измеряемая длина. Для этого используют излучение одночастотного перестраиваемого лазера и стабильные интерференционные полосы вакуумированного эталона Фабри-Перо, у которого известна межмодовая частота. Определение межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо осуществляют путем определения численного значения частотного интервала между центрами далеко разнесенных между собой интерференционных полос интерферометра Фабри-Перо при известном количестве его межмодовых частот на этом частотном интервале. С этой целью частоту одночастотного перестраиваемого лазера последовательно настраивают и стабилизируют на центры интерференционных полос двух далеко разнесенных между собой мод интерферометра Фабри-Перо с одновременной регистрацией числа его межмодовых промежутков, находящихся между этими разнесенными модами. Для определения численного значения частотного интервала между этими разнесенными модами используют эталон Фабри-Перо, также облучаемый одночастотным перестраиваемым лазером. В этом случае по числу его межмодовых промежутков, включая возможную дробную часть порядка интерференции, находящиеся в области перестройки частоты одночастотного перестраиваемого лазера, определяют величину этой области перестройки. По измеренному частотному интервалу между этими разнесенными модами интерферометра Фабри-Перо и по количеству зарегистрированных его межмодовых промежутков на этом частотном интервале определяют точное значение межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо, а, следовательно, и измеряемую длину.

На чертеже приведена структурная схема, реализующая предлагаемый способ измерения длин.

Схема содержит: 1 и 2 - фотоприемники; 3 - эталон Фабри-Перо (ЭФП); 4 - интерферометр Фабри-Перо (ИФП); 5 - блок управления частотой излучения одночастотного перестраиваемого лазера; 6 - одночастотный перестраиваемый лазер; 7 - второй счетчик интерференционных полос эталона Фабри-Перо; 8 - первый счетчик интерференционных полос интерферометра Фабри-Перо; 9 - автоподстройка частоты (АПЧ); 10 - поворотное зеркало; 11 и 12 - светоотражающие интерференционные зеркала.

Фотоприемник 1 по оптическому каналу связан с эталоном Фабри-Перо 3, а кабельной связью - со вторым счетчиком интерференционных полос 7 эталона Фабри-Перо 3; фотоприемник 2 по оптическому каналу связан с поворотным зеркалом 10 и имеет кабельную связь с первым счетчиком интерференционных полос 8 интерферометра Фабри-Перо 4 и с автоподстройкой частоты (АПЧ) 9; эталон Фабри-Перо 3 по оптическим каналам связан с фотоприемником 1 и с одночастотным перестраиваемым лазером 6; интерферометр Фабри-Перо 4 по оптическим каналам связан через поворотное зеркало 10; блок управления 5 частотой одночастотного перестраиваемого лазера 6 имеет кабельную связь с одночастотным перестраиваемым лазером 6; одночастотный перестраиваемый лазер 6 по оптическим каналам связан с эталоном Фабри-Перо 3 и с поворотным зеркалом 10 и имеет кабельную связь с блоком управления 5 частотой одночастотного перестраиваемого лазера 6 и с автоподстройкой частоты 9; второй счетчик интерференционных полос 7 эталона Фабри-Перо 3 имеет кабельную связь с фотоприемником 1; первый счетчик интерференционных полос 8 интерферометра Фабри-Перо 4 имеет кабельную связь с фотоприемником 2; автоподстройка частоты (АПЧ) 9 имеет кабельную связь с одночастотным перестраиваемым лазером бисфотоприемником 2; поворотное зеркало 10 по оптическим каналам связано с интерферометром Фабри-Перо 4, с одночастотным перестраиваемым лазером бисфотоприемником 2; интерференционные зеркала 11 и 12 интерферометра Фабри-Перо 4.

Способ измерения длин основан на определении численного значения частотного промежутка между двумя близлежащими интерференционными полосами (область дисперсии Δν) интерферометра Фабри-Перо 4, построенный на светоотражающих интерференционных зеркалах 11 и 12 (см. чертеж), расстояние между которыми - измеряемая длина L. В качестве источника излучения используется одночастотный перестраиваемый лазер (ОПЛ) 6, обеспечивающий настройку и стабилизацию его частоты на любую моду интерферометра Фабри-Перо 4.

Для осуществления предложенного способа измерения длин необходимо определить область дисперсии Δν интерферометра Фабри-Перо 4, по которой определяется величина измеряемой длины (Z=c/2Δν, где с - скорость света). Межмодовую частоту Δν ИФП можно определить, например, путем измерения разностной частоты между двумя одночастотными лазерами, настроенными на соседние минимумы отраженных интерференционных полос интерферометра Фабри-Перо 4. Отметим, что точность измерения межмодовой частоты Δν в этом случае не велика. При заданной погрешности настройки одночастотного перестраиваемого лазера 6 на минимум полосы пропускания в отраженном излучении интерферометра Фабри-Перо 4 точность измерения Δν, а, следовательно, и измеряемая длина L, будет пропорциональна частотному интервалу перестройки частоты ОПЛ 6, охватывающему целое число N межмодовых промежутков интерферометра Фабри-Перо 4. Отметим, что физическая возможность современных одночастотных перестраиваемых лазеров обеспечивает перестройку частоты в области (0,8-1,0) мкм ~(30÷40) ТГц.

Разность частот между двумя далеко разнесенными модами

где N - число порядков интерференции, регистрируемых первым счетчиком интерференционных полос 8, на частотном интервале (ν₂ - ν₁).

Процедура измерения Δν осуществляется следующим образом. Пусть частота ν₁ одночастотного перестраиваемого лазера 6 настроена и стабилизируется по произвольной моде k интерферометра Фабри-Перо 4, т.е.

Для определения Δν необходимо частоту одночастотного перестраиваемого лазера 6 перестроить на далеко отстоящую от этой частоты моду (k+N) интерферометра Фабри-Перо 4 и стабилизировать при помощи автоподстройки частоты 9. Численное значение N в процессе перестройки частоты ОПЛ 6 регистрируется первым счетчиком интерференционных полос 8. Значение этой частоты ν₂, как и в предыдущем случае, определяется в таком виде

Из формул (2) и (3) область перестройки частоты одночастотного перестраиваемого лазера 6, частоты которого последовательно стабилизированы по модам k и (k+N), определяется формулой (1). При известном значении N для определения Δν в формуле (1) необходимо знать численное значение области перестройки частоты ОПЛ 6, т.е. (ν₂-ν₁). Для этого излучение одночастотного перестраиваемого лазера 6 поступает одновременно на ИФП 4 и на эталон Фабри-Перо 3 с известной базой l (Δν_эфп=с/2l, где с - скорость света, Δν_эфп - область дисперсии эталона Фабри-Перо 3). Эталон Фабри-Перо 3 вакуумирован и обладает высокой термоакустической стабильностью. Перестройка частоты ОПЛ 6 осуществляется блоком управления 5 частотой ОПЛ 6. В этом случае значение частот ν₁ и ν₂ ОПЛ 6, настроенных на разнесенные моды k и (k+N) ИФП 4 в единицах значения межмодовой частоты Δν_эфп эталона Фабри-Перо 3, запишется в следующем виде

где τ и α₁ - соответственно целое и дробная части порядка интерференции эталона Фабри-Перо 4.

где K и α₂ - соответственно целое и дробная части порядка интерференции эталона Фабри-Перо 3.

В процессе перестройки частоты ОПЛ 6 с ν₁ до ν₂ количество межмодовых значений K и α₂ регистрируется вторым счетчиком 7 интерференционных полос эталона Фабри-Перо 3. Из выражений (4) и (5) область перестройки частоты ОПЛ 6 запишется в виде

Из выражений (1) и (6) определяется область дисперсии Δν интерферометра Фабри-Перо 4

откуда измеряемая длина

Анализ последнего выражения показывает, что предлагаемый способ измерения длин позволяет проводить их в широком диапазоне от нескольких метров до километров.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в геодезии, картографии и т.п. Измерение длин основано на измерении межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо, построенном на базе измеряемой длины, с использованием излучения одночастотного перестраиваемого лазера и стабильных интерференционных полос вакуумированного эталона Фабри-Перо, у которого известна межмодовая частота. Оба интерферометра одновременно облучаются одночастотным перестраиваемым лазером. Точное определение межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо достигается путем последовательной настройки и стабилизации частоты одночастотного перестраиваемого лазера по центру интерференционных полос двух далеко разнесенных между собой мод интерферометра Фабри-Перо с одновременной регистрацией числа его межмодовых промежутков, находящихся между этими модами. Значение частотного интервала между этими разнесенными модами определяют по числу межмодовых частот эталона Фабри-Перо, включая возможную его дробную часть порядка интерференции. По измеренному частотному интервалу между этими разнесенными модами интерферометра Фабри-Перо и по количеству зарегистрированных его межмодовых промежутков на этом частотном интервале определяют точное значение межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо и измеряемую длину. Технический результат - расширение диапазона измерений. 1 ил.

Способ измерения длин, основанный на определении численного значения частотного промежутка между двумя близлежащими интерференционными полосами интерферометра Фабри-Перо, базой которого является измеряемая длина, отличающийся тем, что для этого используют излучение одночастотного перестраиваемого лазера и стабильные интерференционные полосы вакуумированного эталона Фабри-Перо, у которого известна межмодовая частота, при одновременном облучении обоих интерферометров одночастотным перестраиваемым лазером, при этом определение межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо осуществляют по численному значению частотного интервала между центрами далеко разнесенных между собой интерференционных полос интерферометра Фабри-Перо, по которым осуществляют настройку и стабилизацию частоты одночастотного перестраиваемого лазера, с регистрацией количества межмодовых частот интерферометра Фабри-Перо на этом частотном интервале, а численное значение частотного интервала между этими разнесенными модами определяют по числу регистрируемых в процессе перестройки частоты одночастотного перестраиваемого лазера межмодовых частотных промежутков эталона Фабри-Перо, включая возможную его дробную часть порядка интерференции, и по измеренному частотному интервалу между этими разнесенными модами интерферометра Фабри-Перо и по известному количеству его межмодовых промежутков на этом частотном интервале определяют точное значение межмодовой частоты интерферометра Фабри-Перо, а, следовательно, и измеряемую длину.