ОРБИТАЛЬНЫЙ ГРАВИТАЦИОННЫЙ ГРАДИЕНТОМЕТР Российский патент 2025 года по МПК G01V7/00 G01B9/02 

Изобретение относится к физике точного измерения параметров гравитационного поля Земли и других планет, а более конкретно к орбитальному гравитационному градиентометру, используемому для измерения гравитационных полей планет и других небесных тел, который решает задачу сбора первичных данных гравитационного потенциала для составления навигационных карт.

Известен орбитальный измеритель градиента гравитационного поля, основанный на двух одинаковых пробных телах, разнесенных в пространстве на некоторое расстояние (см. US 3693451 А1, МПК G01V 7/14, опубл. 26.09.1972 [1]). Принцип его работы заключается в следующем. Два пробных тела находятся в вакуумированном сосуде. Они могут быть вертикально и/или горизонтально размещены, чтобы определить вертикальный градиент, горизонтальный градиент или их комбинацию. Источник лазерного излучения используется в сочетании с оптическими светоделителем для передачи измерительного луча в направлении каждого пробного тела. Отражающие зеркала на каждом объекте возвращают лазерные лучи в оптический светоделитель, объединяющий их в один композитный выходной луч. Композитный луч поступает к фотоприемникам, вырабатывающим электрические сигналы, определяющие взаимные перемещения двух пробных тел. Измерения выполняются путем определения изменения в расстоянии между телами под действием гравитационного поля. Изменение расстояния между телами в результате гравитационного взаимодействия позволяет вычислить градиент гравитационного поля.

В других известных аналогах, применяемых в космосе и рассчитанных для работы при малой гравитации, где значение ускорения свободного падения составляет 10^-6-10^-7 от его значения на поверхности Земли, используют электростатический подвес пробных тел и считывание их движения по изменениям удерживающего электрического поля (см. Benjamin Lenoir, Agne's Le'vy, Bernard Foulon, Brahim Lamine, Bruno Christophe. «Electrostatic accelerometer with bias rejection for gravitation and Solar System physics», Advances in Space Research, Volume 48, Issue 7, 2011, pp.1248-1257 [2]).

Недостаток известных аналогов состоит в их низкой чувствительности (предельная чувствительность [2] составляет 10^-12 м/с² при времени усреднения 1 с, что определяется фундаментальными ограничениями из-за тепловых шумов).

Известен лазерный космический гравитационный градиентометр, принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий две пробные массы с закрепленными на них оптическими отражающими элементами лазерного луча в виде пары уголковых отражателей и оптически связанный с ними лазерный интерферометр (см. RU 2754098 С1, МПК G01V 7/00, опубл. 26.08.2021 [3]).

К недостаткам известного градиентометра следует отнести большой временной дрейф показаний, вызванный несовпадением оптических путей в разных плечах интерферометра, разъюстировкой уголковых отражателей. Кроме этого, известный градиентометр также требует высокостабильного по частоте лазера и использует амплитудный метод регистрации интерференционных полос, что приводит к снижению чувствительности из-за флуктуаций амплитуды излучения лазера. Временной дрейф оптических путей из-за температуры приводит к вариациям показаний прибора в каждой точке съемки, что на последующем этапе анализа может быть ошибочно интерпретировано.

В отличие от амплитудного метода регистрации интерференционных полос, оптический гетеродинный интерферометр обеспечивает более высокую чувствительность. Известен оптический фазовый компаратор, построенный по принципу лазерного гетеродинного интерферометра, который относится к классу интерферометров, использующих принцип гетеродинного детектирования для увеличения разрешающей способности и точности измерений. Один из первых аналогов раскрыт в патенте US 3656853 [4]. Дальнейшее развитие он получил в патентах US 4688940 [5] и ЕР 0314709 В1 [6].

Гетеродинный интерферометр используется, в частности, в спектроскопии для измерения фазовых сдвигов, вносимых спектральными линиями (см. D. Tyurikov et al. «Saturation dispersion spectroscopy of OsO₄», IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 46(2), pp. 174-177 [7]).

Гетеродинный интерферометр работает на основе преобразования частоты из оптического диапазона в радиочастотный диапазон, что позволяет достичь высокой точности измерений сдвига фазы оптической волны, особенно важной для измерения малых смещений. Этот метод использует два когерентных лазерных луча с различными частотами, которые затем интерферируют друг с другом на чувствительном элементе фотоприемника, создавая оптические биения, преобразуемые фотоприемником в электрический сигнал с частотой равной разности оптических частот. Изменение фазы оптических биений соответствует изменению длины оптического пути света, что позволяет измерять малые смещения и изменения в оптической длине с высокой точностью.

В качестве аналога фазового оптического интерферометра выбран наиболее близкий по конструкции вариант, примененный для измерения спектров дисперсии линий поглощения по изменению оптической длины вблизи линии поглощения (см. [7]). Он содержит двухчастотный лазерный источник с акусто-оптическим модулятором (далее - АОМ), стандартный интерферометр Майкельсона, в одном из плеч которого помещена исследуемая поглощающая/фазосдвигающая ячейка с газом, а второе плечо является опорным. Также имеются два фотоприемных устройства и фазовый детектор. Двухчастотное излучение производится с помощью АОМ.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании гравитационного градиентометра, лишенного указанных недостатков.

При этом достигается технический результат, заключающийся в снижении временного дрейфа показаний градиентометра и повышении его точности, а также в снижении требований к стабильности частоты и флуктуациям амплитуды лазерного излучателя.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания гравитационного градиентометра, содержащего термостабилизированный корпус со смещенным центром тяжести, имеющий вакуумированную и невакуумированную части, а также оптический фазовый компаратор и управляющий модуль, в котором внутри вакуумированной части корпуса расположены первый светоделитель и элементы оптического фазового компаратора: первая пробная масса в виде первого зеркала, имеющего возможность свободного перемещения под действием гравитации, закрепленного на мембране, поляризационный куб, второе зеркало, имеющее возможность перемещения под действием управляющего модуля, первый фотоприемник, выполненный с возможностью принятия лучей, отраженных от первого и второго зеркал, второй фотоприемник, выполненный с возможностью принятия лучей со стороны невакуумированной части корпуса, поляризаторы, установленные перед каждым из фотоприемников, первый светоделитель и все упомянутые элементы оптического фазового компаратора, за исключением первого и второго зеркал, жестко связаны с корпусом, выполняющим функцию второй пробной массы, а второе зеркало выполнено с возможностью регулирования его положения и фиксации в выбранном положении, а внутри невакуумированной части корпуса расположены лазерный излучатель, акусто-оптический модулятор, выполненный с возможностью принятия луча от лазерного излучателя, таким образом, что из него выходят два луча под разными углами к продольной оси градиентометра, третье зеркало и фазовая полуволновая пластинка перед ним, расположенные с возможностью прохождения через них второго луча от акусто-оптического модулятора, а также второй светоделитель, при этом во втором светоделителе обеспечена возможность совмещения второго луча с первым лучом, идущими из акусто-оптического модулятора непосредственно на светоделитель, с образованием двухчастотного луча с расщеплением по частоте, определяемым частотой акусто-оптического модулятора, при этом оптический фазовый компаратор также содержит фазовый детектор, фазовращатель и петлю обратной связи по уровню амплитудного шума лазерного источника, состоящую из последовательно соединенных амплитудного радиочастотного детектора, полосового фильтра, аналогового сумматора с источником напряжения смещения, и двойной балансный модулятор, выполненный с возможностью подачи сигнала на вход акусто-оптического модулятора.

В одном из частных вариантов выполнения в гравитационном гдадиентометре двухчастотный луч света с расщеплением по частоте, определяемым частотой акусто-оптического модулятора, выходящий из второго светоделителя, поступает на оптический фазовый компаратор, при этом все оптические элементы и фотоприемники оптического фазового компаратора расположены в непосредственной близости друг от друга, а первое зеркало связано с корпусом через мембрану, закрепленную на корпусе.

В другом частном варианте выполнения оптический фазовый компаратор состоит из двух измерительных плеч, а второе зеркало закреплено на пьезоприводе, управляемом от управляющего модуля для регулировки оптических длин измерительных плеч для достижения равенства их длин перед началом измерений.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено схематичное изображение заявленного орбитального гравитационного градиентометра.

Гравитационный градиентометр содержит термостабилизированный корпус 1. изготовленный из материала с малым коэффициентом теплового расширения. Корпус выполнен с центром массы 2, расположенном на некотором расстоянии от зеркала 10. Корпус 1 выполнен также со смещенным центром тяжести и содержит вакуумированную и невакуумированную части, а также оптический фазовый компаратор и управляющий модуль 25.

Внутри вакуумированной части корпуса 1 расположены первый светоделитель 8 и элементы оптического фазового компаратора: первая пробная масса (m₁) в виде первого зеркала 10, имеющего возможность свободно перемещения под действием гравитации, закрепленного на мембране 12, поляризационный куб 9, второе зеркало 11, имеющее возможность перемещения под действием управляющего модуля 25, первый фотоприемник 13, выполненный с возможностью принятия лучей, отраженных от первого 10 и второго 11 зеркал, второй фотоприемник 14, выполненный с возможностью принятия лучей со стороны невакуумированной части корпуса 1, поляризаторы 15, установленные перед каждым из фотоприемников 13, 14. Первый светоделитель 8 и все упомянутые элементы оптического фазового компаратора, за исключением первого зеркала 10 и второго зеркала 11, жестко связаны с корпусом 1, выполняющим функцию второй пробной массы (m₂), а второе зеркало 11 выполнено с возможностью регулирования его положения и фиксации в выбранном положении.

Внутри невакуумированной части корпуса 1 расположены лазерный излучатель 3, АОМ 4, выполненный с возможностью принятия луча от лазерного излучателя 3, и выход которого выполнен таким образом, что из него выходят два луча таким образом, что из него выходят два луча под разными углами к продольной оси градиентометра, третье зеркало 7 и фазовая полуволновая пластинка 6 перед ним, расположенные с возможностью прохождения через них второго луча от АОМ 4, а также второй светоделитель 5.

Во втором светоделителе 5 обеспечена возможность совмещения второго луча с первым лучом, идущим из АОМ 4 непосредственно на светоделитель 5, с образованием двухчастотного луча света с расщеплением по частоте, определяемым частотой АОМ 4.

Оптический фазовый компаратор также содержит фазовый детектор 16. фазовращатель 17 и петлю обратной связи по уровню амплитудного шума лазера, состоящую из последовательно соединенных амплитудного радиочастотного детектора 19, полосового фильтра 20, аналогового сумматора 21 с источником напряжения смещения 24, и двойной балансный модулятор 22. Двойной балансный модулятор 22 выполнен с возможностью подачи сигнала на вход АОМ 4.

В частном варианте, показанном на фиг.1, двухчастотный луч света с расщеплением по частоте, определяемым частотой АОМ 4, выходящий из второго светоделителя 5, поступает на оптический фазовый компаратор. При этом все оптические элементы и фотоприемники оптического фазового компаратора расположены в непосредственной близости друг от друга, а первое зеркало 10 связано с корпусом 1 через мембрану 12, закрепленную на корпусе 1. Оптический фазовый компаратор состоит из двух измерительных плеч, второе зеркало 11 закреплено на пьезоприводе 11а, управляемом от управляющего модуля 25 для регулировки оптических длин измерительных плеч для достижения равенства их длин перед началом измерений.

В состав гравитационного градиентометра входят: фазовый детектор (двойной балансный смеситель) 16, фазовращатель 17, амплитудный радиочастотный детектор 19, полосовой фильтр 20, аналоговый сумматор 21, двойной балансный модулятор 22, генератор радиочастоты 23, источник напряжения смещения 24, управляющий модуль 25.

При этом фазовый детектор (двойной балансный смеситель) 16, фазовращатель 17, амплитудный радиочастотный детектор 19, полосовой фильтр 20, аналоговый сумматор 21, двойной балансный модулятор 22, генератор радиочастоты 23 и источник напряжения смещения 24 соединены между собой электрическими проводниками и могут находиться как внутри корпуса 1, так и вне его.

Внутри вакуумированной части корпуса гравитационного градиентометра установлен оптический фазовый компаратор, содержащий поляризационный куб 9, первое зеркало 10 и второе зеркало 11, пьезокерамическое основание Па, фотопремники 13 и 14, поляризаторы 15 и металлическая мембрана 12. Поляризационный куб 9, фотоприемники 13 и 14, поляризаторы 15 и металлическая мембрана 12 жестко связаны с корпусом 1.

Лазерный излучатель 3 выдает луч на АОМ 4, из которого выходит два луча, под разными углами к продольной оси градиентометра. Эти лучи имеют также разность частот, определяемую генератором радиочастоты 23.

Второй луч проходит через фазовую полуволновую пластинку 6, изменяющую его поляризацию на угол 90° и через третье зеркало 7 совмещается с первым лучом на втором светоделителе 5.

Далее двухчастотное излучение ортогонально-поляризованных лучей поступает на расположенный в вакуумированной части корпуса 1 первый светоделитель 8 и далее на также расположенные в вакуумированной части корпуса 1 поляризационный куб 9 и два зеркала - первое зеркало 10 и второе зеркало 11.

Лазер 3 и элементы формирования двухчастотного излучения: АОМ 4, второй светоделитель 5, фазовая полуволновая пластинка 6, третье зеркало 7 могут размещаться при атмосферном давлении, так как не влияют на ошибки фазового компаратора.

Светоделители 5 и 8 не входят в компаратор. Это элементы формирования двухчастотного оптического излучения, которое потом поступает в вакуумную часть, и там компаратор сравнивает фазы двух частот на опорном плече и измерительном.

В роли опорного плеча выступают фотоприемник 14 с поляризатором 15, они дают опорный сигнал. В роли измерительного плеча выступают поляризационный куб 9 с двумя зеркалами 10 и 11, а также фотоприемник 13 с поляризатором 15.

Зеркало 10 выполняет функцию пробного тела и может свободно перемещаться вдоль оси луча под воздействием гравитации. С этой целью оно установлено на металлической мембране 12. Зеркало 11 установлено на пьезокерамическом основании (пьезоприводе) 11a и может перемещаться под действием управляющего модуля 25. Такое конструктивное решение обеспечивает подстройку длины одного из плеч фазового моста, тем самым, подавляя влияние частотной нестабильности лазера на сигнал разности фаз на выходе 18 фазового детектора 16.

В состав оптического фазового компаратора входят также первый фотоприемник 13. принимающий лучи, отраженные от зеркал 10 и 11, и второй фотоприемник 14, принимающий лучи со стороны невакуумированной части корпуса, то есть лучи, идущие от второго светоделителя 5 на первый светоделитель 8 (и потом уже на второй фотоприемник 14). Перед каждым из фотоприемников 13 и 14 установлен поляризатор 15, обеспечивающий интерференцию ортогонально поляризованных лучей.

Все элементы оптического фазового компаратора (за исключением зеркал 10 и 11) жестко связаны с корпусом, а места крепления обоих зеркал и фотоприемников находятся в непосредственной близости друг от друга. Это обеспечивает малое влияние теплового расширения на разность хода ортогонально поляризованных лучей фазового моста. Такая конструкция обеспечивает жесткую связь всех элементов с центром массы 2 корпуса, кроме зеркала 10, которое движется независимо от центра массы корпуса на упругой диафрагме 12.

Сигналы оптических биений с обоих фотоприемников 13 и 14 поступают на входы двойного балансного смесителя 16, выполняющего функцию фазового детектора, причем один из сигналов сдвигается по фазе фазовращателем 17.

Система подавления амплитудных шумов лазерного излучателя состоит из амплитудного радиочастотного детектора 19, принимающего сигнал оптических биений от второго фотоприемника 14. Сигнал с выхода амплитудного детектора через полосовой фильтр 20 поступает на аналоговый сумматор 21. На второй вход сумматора подается постоянное регулируемое напряжение от источника напряжения смещения 24. На выходе сумматора в результате имеется сигнал суммы амплитудных шумов оптических биений с постоянным смещением по напряжению. Этот сигнал поступает на один из входов двойного балансного модулятора 22. На его второй вход поступает радиочастотный сигнал с генератора радиочастоты 23.

На выходе модулятора 22 имеется радиочастотное напряжение с амплитудой, определяемой суммой напряжения смещения и амплитудного шума оптических биений. Этот радиочастотный сигнал поступает на АОМ 4 и приводит к появлению на выходе АОМ второго оптического луча, смещенного от частоты основного на частоту генератора радиочастоты 23 и промодулированного по амплитуде шумовым сигналом в определенной полосе частот, определяемой фильтром 20.

Таким образом, в амплитуду оптического излучения добавляется шум в полосе частот, равной рабочему диапазону частот градиентометра. Результатом является отрицательная обратная связь, обеспечивающая подавление фазовых шумов лазера в сигналах оптических биений на выходах обоих фотоприемников за счет внесения противофазной амплитудной модуляции в оптические лучи на выходе АОМ, что повышает чувствительность градиентометра.

Гравитационный градиент - величина, характеризующая пространственное изменение силы тяжести. Принцип действия градиентометра основан на измерении разницы ускорений свободного падения в поле сил гравитационного притяжения, действующих на два пробных тела с массами m₁ и m₂, расположенных на некотором расстоянии друг от друга L. Эта разница ускорений, пересчитанная на единицу длины, и является гравитационным градиентом.

Единица измерения гравитационного градиента с^-2, однако чаще используется более мелкая единица, Этвеш (1 Этвеш=10^-9 с^-2).

Предполагается, что заявленный гравитационный градиентометр должен обладать следующими основными характеристиками:

- погрешность измерения гравитационного градиента: 0.003 Этвеш

- диапазон частот возмущений гравпотенциала: 0,01-100 Гц.

Представим модель градиентометра как две массы m₁ (зеркало на диафрагме) и m₂ (масса всего прибора), связанные упругой связью, технически реализуемой в виде мембраны и разделенные расстоянием L. В дальнейшем для упрощения будем рассматривать все величины как скалярные проекции на ось градиентометра.

Вследствие разности гравитационных ускорений (g₁ и g₂) обе массы начинают движение относительно друг друга, растягивая или сжимая мембрану. Это движение продолжается до тех пор, пока упругая сила связи не остановит относительное смешение масс. В установившемся состоянии в системе координат, связанной с корпусом 1 (масса m₂). возникает разность сил, действующих на центр массы прибора 2 (m₂) и пробной массы первого зеркала 10 (m₁), приложенных со стороны мембраны.

При этом расстояние, на которое смещается свободное зеркало (первое зеркало 10) относительно центра массы орбитального гравитационного градиентометра, пропорционально гравитационному градиенту (g₁-g₂)/L_Б и обратно пропорционально коэффициенту упругости мембраны 1₂, где L_Б - это измерительная база гравитационного градиентометра, равная расстоянию между его центром массы и свободным зеркалом, g₁ - гравитационное ускорение, действующее на пробную массу зеркала 10 (m₁), g₂ - гравитационное ускорение, действующее на центр массы 2 (m₂) гравитационного градиентометра.

Кроме упомянутых сил, на обе массы действует также сила гравитационного притяжения двух масс по закону Ньютона, сравнимая по величине с силой, вносимой градиентом. Эта сила постоянна и ее расчет, приведенный ниже, дает величину прогиба мембраны 9,5⋅10^-12 м, постоянную по времени и не влияющую на чувствительность прибора (то есть гравитационного градиентометра).

Сила, обусловленная градиентом, действующая на центр диафрагмы, определяется из математического выражения:

F_g=m₁⋅Δg,

где Δg=g₁-g₂.

Эта сила обеспечивает прогиб центра мембраны в соответствии с математическим выражением:

u=F⋅a²/(4⋅D⋅h³),

где u - смещение центра мембраны;

F - приложенная точечная сила в центре;

а - радиус мембраны;

D - модуль упругости материала мембраны;

h - толщина мембраны.

Мембрана считается круглой, закрепленной по краю (см. Авдонин А.С. Прикладные методы расчета оболочек тонкостенных конструкций, Москва. Машиностроение, 1969, стр. 37-38 [8]).

На свободную массу также действует статическая сила притяжения к центру масс прибора, определяемая из математического выражения:

F=G⋅(m₁⋅m₂)/L²

Рассчитаем статический прогиб в центре мембраны для следующих параметров: m₂=100 кг, m₁=1 г=0,001 кг.

Расстояние между массами примем L=1 м, тогда F=6,67430Е^-12 Н, и смещение центра мембраны u=9,5⋅10^-12 м (для алюминиевой круглой мембраны (D=70 ГПа) толщиной h=10 мкм и радиусом а=2 см). При этом считаем зеркало на мембране точечной массой. Расчет резонансной частоты для приведенных параметров конструкции подвески зеркала дает величину около 300 Гц, что значительно выше верхней частоты рабочего диапазона прибора (100 Гц), что обеспечивает отсутствие резонансов в рабочей полосе.

Приведем еще один пример.

Учитывая требуемый порог чувствительности прибора 0,003 Этвеш и то, что 1 Этвеш=10^-9 с^-2, рассчитаем требуемое пороговое значение Δg=3⋅10^-12 м с^-2 при базовой измерительной длине L_Б=1 м, Это соответствует смещению пробной массы Δu=m₁⋅Δg⋅a²/(4⋅D⋅h³)=4,28⋅10^-15 м.

Эта величина смещения определяет требуемый порог чувствительности градиентометра.

Принцип действия оптического фазового моста, обеспечивающего такую чувствительность, основан на использовании двухчастотного оптического интерферометра с петлей обратной связи по амплитуде оптических волн, подавляющей фазовые флуктуации двухчастотного излучения на входе оптического моста в рабочей полосе частот градиентометра.

В гетеродинном интерферометре Майкельсона два лазерных луча с частотами f₁ и f₂ направляются сначала на светоделительную пластину 8 и потом на светоделительный поляризационный куб 9, который разделяет их на два луча, идущих далее независимо. Каждый луч отражается от зеркал и возвращается к светоделительному кубу 9, где они снова смешиваются и направляются на фотодетектор 13, отражаясь от светоделительной пластины 8. На детекторе наблюдается сигнал оптических биений с частотой Δf=f₁-f₂, фаза которых зависит от разности фаз между двумя пучками, определяемой из математического выражения:

где L₁ - длина хода измерительного луча между светоделительным кубом 9 и зеркалом 10; L₂ - длина хода опорного луча между светоделительным кубом 9 и зеркалом и 11.

Если разность хода лучей (разность длин плеч интерферометра) обозначить как ΔL=L₁-L₂, то сдвиг фазы оптических радиочастотных биений определяется из математического выражения:

где с - скорость света.

При этом считаем, что Δf<<f₁ и f₂, то есть разница между f₁ и f₂ ничтожна.

Этот сдвиг фазы измеряется фазовым детектором 16 путем сравнения с фазой опорной частоты биений, полученной с фотодетектора 14, которая не подвержена изменениям из-за движения зеркала 10 и является опорной фазой для фазового дискриминатора.

Если длина плеча интерферометра изменяется под влиянием какого-либо фактора, то разность фаз также изменяется. Это позволяет измерять малые изменения длины плеч интерферометра с высокой точностью, так как сдвиг фазы пропорционален разности хода лучей.

Гетеродинный интерферометр Майкельсона имеет ряд преимуществ перед обычным интерферометром Майкельсона, таких как:

- более высокая чувствительность к малым сдвигам фазы, так как они измеряются в частоте оптических биений, а не в мощности оптической волны;

- снижение требований к длине когерентности лазерного излучателя из-за возможности точного выравнивания длины плеч гетеродинного интерферометра;

- возможность измерять сдвиг фазы в абсолютных единицах (радианах), давая таким образом абсолютное значение вариации оптической длины в измерительном плече.

Очевидно, что точность измерений смещения ΔL определяется точностью измерения фазы Δφ. Различные физические процессы, не связанные с гравитацией, могут привести к флуктуациям величин L, f₁ и f₂, а значит, и к флуктуациям фазы.

Среди фундаментальных причин, ограничивающих точность, отметим дробовой шум фотоприемников и колебания покрытий зеркал из-за теплового движения атомов на их поверхности.

Для дальнейших оценок пределов чувствительности прибора приведем расчет для различных источников флуктуаций. Эквивалентная мощность шума типичных фотодетекторов на длине волны 0,5 микрона Р_ш≈10^-15 Вт в полосе 1 Гц и при мощности излучения, падающего на приемник Р=1 мВт. Это дает шумовое значение фазы из-за дробового шума Р_ш/Р=10^-12 радиан при мощности излучения, падающего на приемник 1 мВт. Это соответствует шуму смещения δL=10^-18 метра в полосе 1 Гц (см. (1)).

Для достижения фундаментального предела чувствительности, равного дробовому шуму фотоприемника, предложена система подавления фазовых шумов лазерного излучателя, описанная выше.

Оценка нестабильности длины из-за теплового движения атомов была проведена в работе Kenji Numata, Amy Kemery and Jordan Cam. «Thermal-Noise Limit in the Frequency Stabilization of Lasers with Rigid Cavities», PhysRevLett.93, 2003 [9]). При комнатной температуре получены значения относительных флуктуаций длины δL/L≤10^-15 в диапазоне частот 10^-2-10² Гц в полосе 1 Гц.

1) Влияние нестабильности частоты лазера на точность измерения смещения пробного зеркала.

Допустим, длины L1 и L2 не изменяются, т.е. ΔL=const. Но частота лазера изменилась на δf. Тогда соответствующие изменения фазы δφ по математическому выражению (2) будут определяться из математического выражения:

При равенстве плеч интерферометра (L₁-L₂)=0 нестабильность лазера не влияет на точность измерений.

Отсюда можно вычислить шум фазы, возникающий из-за нестабильности частоты лазера δf при неравенстве плеч L₁ и L₂.

Пусть L₁-L₂=100 нм (вполне реальная величина, примерно равная полному диапазону смещения зеркала на диафрагме). Тогда δφ=4 10^-15 δf.

Это означает, что нестабильность частоты лазера на уровне 100 кГц создает шумы фазы порядка 4⋅10^-10 радиан.

2) Влияние нестабильности разностной частоты.

Пусть в математическом выражении (1) L₁=L₂=0, f₁ - const, но имеется нестабильность разностной частоты Δf=f₁-f₂, подаваемой на АОМ, δ(Δf1), тогда соответствующее изменение фазы будут определяться из математического выражения:

δφ=(4π/c)⋅L₁ δ(Δf₁)

Оценим эту величину. Возьмем L₁=1 м, при этом нестабильность частоты АОМ δf₁=10^-5 Гц - типичная величина для кварцевого генератора, тогда δφ=4⋅10^-13 радиан, что означает ошибку δL≤10^-18 метра.

3) Методика выравнивания длины плеч интерферометра

Поскольку влияние нестабильности частоты источника лазерного излучения может ограничить чувствительность метода при значительной разности длины плеч, предложена методика их выравнивания. С этой целью в частоту источника лазерного излучения вводят частотную модуляцию с максимально допустимой девиацией частоты. На выходе фазового детектора наблюдается соответствующий сигнал на частоте модуляции, устанавливаемой в диапазоне от десятков Гц. Далее, подстройкой длины плеч, грубой, механической и тонкой, с помощью пьезопривода, достигается минимум этого сигнала, что и будет означать равенство плеч.

Из таблицы 1 видно, что наибольший вклад в ошибки показаний градиентометра вносит тепловой дрейф длины плеч интерферометра. В литературе описан ряд орбитальных градиентометров, где используется термостабилизация плеч интерферометра до величины флуктуаций температуры 10^-4 К (см. F. Gibert et al. «Thermo-elastic induced phase noise in the LISA Pathfinder spacecraft)), Classical and Quantum Grav., 2015 [10]).

В заявленном изобретении эта проблема ослаблена за счет почти полного совпадения оптических путей и весьма компактного размещения всех элементов фазового компаратора. Современный уровень техники позволяет разместить все детали фазового компаратора на расстоянии порядка 1 см, жестко привязанными к корпусу. Это обеспечивает дрейф разности длин плеч интерферометра ниже 3⋅10^-14 м/К. Отсутствие источников тепловыделения в области оптического фазового дискриминатора и полное вакуумирование также способствуют снижению дрейфа длины от температуры.

Работа оптического фазового дискриминатора изучалась на практике в работе [7], где была продемонстрирована чувствительность δφ=10^-8 радиан/√Гц на длине волны 10 микрон. Очевидно, что в видимом диапазоне при длине волны лазера λ=500 нм чувствительность увеличится, поскольку шумы фотоприемников в видимом спектре значительно ниже.

Экспериментально проводилась проверка системы подавления амплитудных шумов лазера в работе [7], но сущность этого решения не была раскрыта. Было продемонстрировано подавление флуктуаций выходной мощности лазера около 100 раз до уровня теплового шума фотоприемника, который преобладает в ИК-диапазоне. В то время как в видимом спектре этот уровень существенно ниже и определяется дробовым шумом излучения.

Изобретение относится к устройствам для сбора первичных данных гравитационного потенциала для составления навигационных карт. Сущность: гравитационный градиентометр содержит корпус (1) со смещенным центром тяжести, имеющий вакуумированную и невакуумированную части, а также оптический фазовый компаратор и управляющий модуль (25). Внутри вакуумированной части расположены первый светоделитель (8) и элементы оптического фазового компаратора: первая пробная масса в виде первого зеркала (10), имеющего возможность свободного перемещения под действием гравитации, закрепленного на мембране (12), поляризационный куб (9), второе зеркало (11), имеющее возможность перемещения под действием управляющего модуля (25), первый фотоприемник (13), выполненный с возможностью принятия лучей, отраженных от первого (10) и второго (11) зеркал, второй фотоприемник (14), выполненный с возможностью принятия лучей со стороны невакуумированной части корпуса, поляризаторы (15), установленные перед каждым из фотоприемников (13, 14). Первый светоделитель (8) и все упомянутые элементы оптического фазового компаратора, за исключением первого и второго зеркал, жестко связаны с корпусом (1), выполняющим функцию второй пробной массы. Второе зеркало (11) выполнено с возможностью регулирования его положения и фиксации в выбранном положении. Внутри невакуумированной части корпуса (1) расположены лазерный излучатель (3), акустооптический модулятор (4), выполненный с возможностью принятия луча от лазерного излучателя таким образом, что из него выходят два луча под разными углами к продольной оси градиентометра, третье зеркало (7) и фазовая полуволновая пластинка (6) перед ним, расположенные с возможностью прохождения через них второго луча от акустооптического модулятора (4), а также второй светоделитель (5). Во втором светоделителе (5) обеспечена возможность совмещения второго луча с первым лучом, идущими из акустооптического модулятора (4) непосредственно на светоделитель (5), с образованием двухчастотного луча с расщеплением по частоте, определяемым частотой акустооптического модулятора (4). Оптический фазовый компаратор также содержит фазовый детектор (16), фазовращатель (17) и петлю обратной связи по уровню амплитудного шума лазерного источника, состоящую из последовательно соединенных амплитудного радиочастотного детектора (19), полосового фильтра (20), аналогового сумматора (21) с источником (24) напряжения смещения, а также двойной балансный модулятор (22), выполненный с возможностью подачи сигнала на вход акустооптического модулятора (4). Технический результат: снижение временного дрейфа показаний градиентометра и повышение его точности, а также снижение требований к стабильности частоты и флуктуациям амплитуды лазерного излучателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Гравитационный градиентометр, содержащий термостабилизированный корпус со смещенным центром тяжести, имеющий вакуумированную и невакуумированную части, а также оптический фазовый компаратор и управляющий модуль, в котором внутри вакуумированной части корпуса расположены первый светоделитель и элементы оптического фазового компаратора: первая пробная масса в виде первого зеркала, имеющего возможность свободного перемещения под действием гравитации, закрепленного на мембране, поляризационный куб, второе зеркало, имеющее возможность перемещения под действием управляющего модуля, первый фотоприемник, выполненный с возможностью принятия лучей, отраженных от первого и второго зеркал, второй фотоприемник, выполненный с возможностью принятия лучей со стороны невакуумированной части корпуса, поляризаторы, установленные перед каждым из фотоприемников, первый светоделитель и все упомянутые элементы оптического фазового компаратора, за исключением первого и второго зеркал, жестко связаны с корпусом, выполняющим функцию второй пробной массы, а второе зеркало выполнено с возможностью регулирования его положения и фиксации в выбранном положении, а внутри невакуумированной части корпуса расположены лазерный излучатель, акустооптический модулятор, выполненный с возможностью принятия луча от лазерного излучателя таким образом, что из него выходят два луча под разными углами к продольной оси градиентометра, третье зеркало и фазовая полуволновая пластинка перед ним, расположенные с возможностью прохождения через них второго луча от акустооптического модулятора, а также второй светоделитель, при этом во втором светоделителе обеспечена возможность совмещения второго луча с первым лучом, идущими из акустооптического модулятора непосредственно на светоделитель, с образованием двухчастотного луча с расщеплением по частоте, определяемым частотой акустооптического модулятора, при этом оптический фазовый компаратор также содержит фазовый детектор, фазовращатель и петлю обратной связи по уровню амплитудного шума лазерного источника, состоящую из последовательно соединенных амплитудного радиочастотного детектора, полосового фильтра, аналогового сумматора с источником напряжения смещения, и двойной балансный модулятор, выполненный с возможностью подачи сигнала на вход акустооптического модулятора.

2. Градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что в нем двухчастотный луч света с расщеплением по частоте, определяемым частотой акустооптического модулятора, выходящий из второго светоделителя, поступает на оптический фазовый компаратор, при этом все оптические элементы и фотоприемники оптического фазового компаратора расположены в непосредственной близости друг от друга, а первое зеркало связано с корпусом через мембрану, закрепленную на корпусе.

3. Градиентометр по п. 1 или 2, отличающийся тем, что оптический фазовый компаратор состоит из двух измерительных плеч, а второе зеркало закреплено на пьезоприводе, управляемом от управляющего модуля для регулировки оптических длин измерительных плеч для достижения равенства их длин перед началом измерений.