Устройство для измерения фазовых сдвигов лазерного излучения Советский патент 1988 года по МПК G01B9/02 

ГЧ)

Изобретение относится к измери - тельной технике и предназначено для измерения фазовых сдвигов, вносимых прозрачными или полупрозрачными объектами на частоте лазерного излучения в импульсном режиме,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем измер ения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме„

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Элементы двуплечего интерферометра размещены на основании 1, распо- ложенном внутри термостатированного герметичного кожуха 2, имеющего входное окно 3 для ввода излучения лазера 4 и выходное окно 5 для вывода неиспользованной части лазерного излучения за пределы кожуха, Двухлу- чевой интерферометр состоит из измерительного и опорного каналов, оптически связанных с соответствующими выходами первого светоделитель- ного устройства 6, оптический вход которого через входное окно 3 связан с лазером 4. Световой поток в измерительном канале обозначен на чертеже сплошной линией, а в опорном - пунк- тирной. Измерительный канал включает в себя последовательно расположенные оптически связанные оптический затвор 7, исследуемый прозрачньш или полупрозрачный объект 8 и второе светоделительное устройство 9. Опорный канал включает в себя отражающий элемент 10, через фазосдвигаю- щее устройство 11 оптически связанный с первым входом элемента 12 совмещения световых пучков. Второй оптический вход элемента 12 связан с первым выходом второго светодели- тельного устройства 9 измерительного канала двухлучевого интерферометра. Второй оптический выход второго све- тоделительного устройства 9 связан с выходным окном 5, Выход элемента 12 совмещения световых пучков оптически связан с входом фотодетектора 13. В обоих каналах интерферометра, измерительном и опорном, симметрично размещены однополосные акустооп- тические модуляторы 14 и 15 соответственно с системами формирования световых потоков, выполненных в ви- де двух фокусируюпщх элементов каждая 16,17 и 18,19 соответственно, причем фокусы каждой пары совмещены

д

5 0 5. о 0 5

5

0

5

в плоскости соответствующего однополосного -акустооптического модулятора. Однополосные акустооптические модуляторы 14 и 15 установлены под углом Брэгга к световым пучкам.

Электронная часть включает в себя радиочастотный фазометр 20, первый вход которого через полосовой фильтр промежуточной частоты 21 сое динен с выходом фотодетектора 13, а второй - с выходом радиочастотного смесителя 22, к входам которого подключены выходы генераторов пита:- ния однополосных акустооптических модуляторов измерительного 23 и опорного 24 каналов интерферометра. Делитель 25 частоты подключен своим входом к выходу генератора 26 импульсов, питающего оптический затвор 7, а выходом через первый фильтр 27 к первому входу фазового детектора 28, к второму входу которого подключен выход радиочастотного смесителя 22. Выход фазового детектора 28 через второй фильтр 29 соединен с входом управляющего элемента 30, выход которого подключен к частотозадающему входу генератора питания однополосного акустооптического модулятора 24 опорного канала интерферометра.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывное излучение лазера 4 через входное окно 3 поступает на двухлучевой интерферометр. Первое светоделительное устройство 6 направляет небольшую часть мощности излучения лазера в опорный канал интерферометра. Основная часть излучения проходит в измерит.ельном канале интерферометра через оптический затвор 7, управляемый импульсным напряжением генератора 26, где непрерывное излучение лазера преобразуется в, импульсно-модулированное, исследуемый объект 8, второе светоделительное устройство 9 и выходное окно 5 устройства Светоделительное устройство 9 направляет на фокусирующий элемент 16 измерительного канала световой импульсно-модулированный поток, примерно равный потоку в опорном канале. Сфокусированные с помощью элементов 16 и 18 пучки измерительного и опорного каналов поступают на два однополосных акустооптических модуля-i тора 14 и 15. Питание (возбуждение) однополосных акустооптических модуляторов осуществляется напряжением фиксированной частоты, в пределах 5-80 МГцо Частота возбуждения определяется конструктивными размерами кварцевой пластины выбранного вида модулятора о Питающие напряжения генераторов 23 и 24 расстроены на частоте друг относительно друга на

величину f 2г 10-100 кГц, определяющую значение промежуточной частоты о

При прохождении через однополое- ные акустооптические модуляторы 14 и.15 излучение лазера получит смещение по частоте на величину и отклонится на угол

Брегга

о I .

у, arcsin п

09 arcsin п ;;-,- 1

л г

где с - скорость распространения

света в вакууме,

А - длина волны излучения ла- зера в акустооптическом материале, ,п длины волн ультразвука,

возникающего в результате ,возбуждения соответствующих однополосных акусто- оптических модуляторов 14 и 15. п - коэффициент преломления

акустооптического матери- . ала.

Фокусирующие элементы 17 и 19 формируют параллельные пучки. В опоном канале сформированный пучок отражается элементом 10 и проходит через, прозрачное фазосдвигающее устройство 11 на элемент 12, где производится С9вмещение пучков импульсно модулированного лазерного излучения измерительного канала и непрерывно-

го лазерного излучения опорног о

канала Суммарный световой поток поступает на фотодетектор 13, на котором происходит фотосмещение частот двух оптических сигналов и преобразо-

вание их в электрический сигнал.

1. -

Электрический сигнал с фотодетектора поступает на фильтр 21, вьщеля- ющий из его спектра составляющую с

г

20

25

,Q

40

45

50

55

„ о / с с 1

разностной частотой f гзг.

Так как длительность модулирующих импульсов намного меньше периода разностной частоты f, то выходной сигнал фотодете.ктора имеет вид коротких видеоимпульсов с модуляцией по амплитуде, огибающая которого повторяет колебание разностной частоты fo Разность фаз между огибающей видеоимпульсного сигнала фотодетектора и разностной частотой генераторов 23 и 24, сформированной. с помощью смесителя 22, соответствует фазовому сдвигу, вносимому измеряемым объектом 8.

Систематическая погрешность измерений, вызванная разностью хода лучей в интерферометре и другими причинами, устраняется с помощью фа- зосдвигающего устройства 11.

Импульсный сигнал генератора 26 поступает на делитель с коэффициентом деления (in+2) , где m - целое положительное число, m ; 1 . Из выходного сигнала делителя 25 в первом фильтре 27 выделеяется первая гармоника основной частоты и подается на первый вход фазового детектора 28. На второй его вход подается разностная частота f с радиочастотного смесителя 22. Частота F генератора 26 импульсов устанавливается равной (m+2)o Для устранения действия дестабилизирующих факторов на генераторы -23,24,26, вызывающих уход их частоты, применена цепь автоподстрой- ки промежуточной частоты f по отношению к частоте выходного сигнала делителя 25. Частоты этих сигналов сравниваются по фазе в детекторе 28. Выходной сигнал фазового детектора 28, который является периодической функцией величины их расстройки, через фильтр 29 подается на управляющий элемент 30, реактивность которого изменяется в зависимости от величины выходного напряжения фазового детектора.Изменяемая реактивность управляющего элемента 30, подключенная к частотозадающей цепи генератора 24 опорного канала, изменяет его частоту в сторону уменьшения разности частот f и F/(m+2), приложенных к входу фазового детектора. Таким образом, обеспечивается синхронизация по фазе сигналов от генераторов 23, 24 и 26 и выполнение соотношения

F г,п4.9

Г - sT -

необходимого для трансформации фазового сдвига, вносимого объектом 8 в и myльcнoe излучение лазера, где сО - частота следования импульсов лазерного излучения, Я - модул разности частот генераторов питания однополосных акустооптических моду- лятороВо

Соотношение получено эксперимен- тальцо по наименьшему значению фазовой девиации сигнала радиочастотного смесителя 22 частот генераторо 23 и 24 питания.

Фазовый сдвиг, вносимый объектом 8, трансформируется на сигнал промежуточной частоты f и измеряется фазометром 20 относительно опорного сигнала с.радиочастотного смесителя 22.

Сигналы, подаваемые на фазометр, представляют собой низкочастотные гармонические процессы, фазовый сдвиг между которыми равен фазовому сдвигу, вносимому объектом 8 в импульсное лазерное излучение.

Введение в устройство дополнителных элементов и вьшолнение условия задания частот и и обеспечивает масштабно-временное преобраз.ование измеряемого импульсного лазерного излучения в низкочастотный непрерывный сигнал с неизменными фазовыми соотношениями и тем самым измерение

фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме.

5 Формула изобретения

: Устройство для измерения фазовых сдвигов лазерного излучения по авТоСВр № 506755, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме, в него введены дополнительно оптический затвор, генератор импульсов, делитель частоты, управляющий элемент, первый и второй фильтры, фазовый детектор, причем генератор импульсов подлючен к входу делителя частоты и электрическому входу оптического затвора, выход делителя частоты через первый фильтр соединён с первым входом .фазового детектора, к второму входу которого подключен выход радиочастотного смесителя, выход фаз ового детектора через второй фильтр соединен с входом управляющего элемента, выход которого подключен к ч-астотозадающему входу генератора питания однополосного акусто- оптического модулятора опорного канала интерферометра, а оптический затвор расположен в измерительном канале интерферометра между первым светоделительным устройством и исследуемым объектом.

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения фазовьк сдвигов, вносимых прозрачными и полупрозрачными объектами на частоте лазерного излучения в импульсном режиме. Устройство содержит термостатированный герметичньш кожух 2 с входным окном 3 для ввода излучения лазера 4 и вы-f ходным окном 5. Внутри размещены светоделительные устройства 6, 9, оптический затвор 7, отражающий элемент 10, фазосдвигающее устройство 11, элемент 12 совмещения световых пучков, фотодетектор 13, однополюсные акустооптические модуляторы 14, 15, системы формирования световых потоков, выполненные в виде двух фокусирующих элементов 16, 17 и 18, 19 соответственно. Электронная часть включает радиочастотный фазометр 20, полосовой фильтр 21 промежуточной частоты, радиочастотный смеситель 22, генераторы 23, 24 питания, делитель 25 частоты, генератор 26 импульсов, фазовь1й детектор 28, фильтры 27, 29, управляющий элемент 30. Устройство имеет расширенные функциональные возможности за счет измерения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме. 1 ил. с « (Л