Способ определения времени задержки фазы монохроматического оптического излучения Советский патент 1993 года по МПК G01J7/00 

Изобретение относится к оптико-техническим измерениям и может быть использовано для определения времени задержки фазы монохроматического оптического излучения в волоконных световодах.

Цель изобретения - повышение точности определения времени задержки фазы монохроматического оптического излуче ния.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит первый лазерный диод 1, помещенный в термошкаф 2 с прозрачным окном, второй лазерный диод 3, полупрозрачные зеркала 4, 5 и 6, согласующие линзы 7 и 8, исследуемый волоконный световод 9, оптический аттенюатор 10, зеркало 11. первый 12 и второй 13 приемники оптического излучения, фильтры 14, 15 нижних частот, цифровой фазометр 16 и электронно-счетный частотомер 17.

Сущность способа состоит в следующем.

Излучения двух однотипных лазерных диодов разделяются полупрозрачными зеркалами на зондирующие и опорные. Зондирующее излучение первого лазерного диода проходит через исследуемую среду, а зондирующее излучение второго лазерного диода ослабляется оптическим аттенюатором. Фазовый сдвиг оптического излучения, прошедшего исследуемую среду; определяется его задержкой т, частотой колебаний v л имеет вид

со

о ю

ы

Ю, 4J

Ф1 -2nv т 2 Tr(ruPi),, (1) где n - целое число фазовых циклов в 2 тс; Pi -дробная часть последнего фазового цикла.

В результате совмещения задержанного оптического излучения частоты vi, с оптическим излучением vz третьим полупрозрачным зеркалом, образуется интерфе- ренционная картина, интенсивность интерференционных полос которой периодически изменяется с частотой биений Avi - vi - vz. Аналогичная интерференционная картина образуется при совмещении опорных оптических излучений частоты v и с помощью второго полупрозрачного зеркала. При этом фазы биений определяются разностью фаз совмещенных оптических излучений и р2.

Биения интенсивностей интерферирующих излучений диодов преобразуются в электрические сигналы первым и вторым приемниками оптических излучений, низкочастотные сигналы на выходе которых имеют вид

Ui(t) Umicos(2 TrAvi t +Ф1 - Јч ) Umicos(2 лгДгч t +2jtv т - p + /%),

(2)

U2(t) Urrt2cos(2 л: Avi t - ). (3).

о

Так как фазометр измеряет разность фаз электрических сигналов разностной частоты Д vi в пределах 360°, то измеренную разность фаз согласно (1) можно представить в виде

-1 rPi -2 n( n).

Одновременно измеряется разностная частота оптических излучений.

Далее первый лазерный диод нагревается, путем плавного повышения температуры на величину Д0. В результате нагрева первого лазерного диода частота его излучения изменяется до значения va. При этом фазовый сдвиг, вносимый исследуемым волоконным световодом, принимает значение

Ф2 2 Л-УЗ г,

а частота биений становится равной Дг V3 -vi.

Нагрев первого лазерного диода осуществляется до получения изменений разности фаз, которая превышает первоначальную разность фаз на величину кратную

периоду чувствительности фазометра, но в пределах шкалы однозначности показаний

Кд(р Фг-Ф1 2 я,

(6)

где д(п - порог чувствительности фазометра; К - коэффициент, учитывающий уровень помех и шумов на выходе приемника излучения, который выбирается в пределах 10- 100, что практически исключает влияние случайных изменений разности фаз из-за действия помех на точность определения задержки.

При выполнении условия (6), вносимый фазовый сдвиг (5) можно представить в виде

Фг 2 2я(п + р2),

(7)

2Q где Ра - дробная часть последнего цикла при измененной разности фаз,

Измеряется измененное значение разности фаз, которое с учетом выражения (7) принимает вид

25

- 2лгР2 2jr(iAjT- n).(8)

Одновременно измеряется соответствую-, щее значение разностной частоты опти- Зо ческих излучений.

Затем определяется разность выражений (4) и (8)

35

40

Д р - Д (pi 2 n ( v - va ) г. Из выражения (9) следует, что

г Ару-Да 2лг(Дг1 -Ava)

(9)

(Ю)

Из выражения (10) следует, что результат измерения не зависит от целого числа фазовых циклов п, а следовательно, от соотношения длины исследуемого волоконного

45 световода и длины волны А оптического излучения.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. Излучения лазерных диодов 1 иЗ разде50 ляются полупрозрачными зеркалами на зондирующие и опорные, Зондирующее излучение диода 1 через согласующие линзы 7 и 8 проходит через, волоконный световод 9 и совмещается с зондирующим

55 излучением диода 3, прошедшего оптический аттенюатор 10 и отраженное зеркалом 11 на полупрозрачное зеркало 6. Результирующее зондирующее излучение преобразуется приемником 12 оптического . излучения в электрический сигнал, который

после прохождения фильтра 14 нижних частот воздействует на один вход фазометра 16. Опорные оптические излучения, совмещенные полупрозрачным зеркалом 5, преобразуются в электрический сигнал приемником 13 оптического излучения, который после прохождения фильтра 15 нижних частот воздействует на второй вход фазометра 16. Разностные частоты измеряются электронно-счетным частотомером 17. Таким образом, повышение точности определения времени задержки фазы монохроматического оптического излучения достигается за счет разделения оптических излучений без использования узкополосных оптических фильтров, что исключает дополнительные фазовые искажения,

Формул а изобретения Способ определения времени задержки фазы монохроматического оптического излучения, включающий нагревание одной части излучения первого лазерного диода через исследуемую среду, одной части излучения вторичного лазерного диода через оптический аттенюатор, совмещение излучений первого и второго лазерных диодов, совмещение других частей излучений первого и второго лазерных диодов непосред2

5

0

5

ственно до образования соответственно двух интерференционных картин, преобразование биений интенсивности интерферирующих излучений в первой и второй интерференционных картинах в электрические колебания разностной частоты излучений первого и второго лазерных диодов, измерение разности фаз А 1 электрических колебаний и вычисление времени задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют разностную частоту Avi оптических излучений первого и второго лазерных диодов, изменяют частоту излучения первого лазерного диода путем его нагрева до получения разности фаз электрических колебаний , превышающей значение разности фаз на величину, кратную порогу чувствительности фазометра в пределах однозначности показания фазометра, при этом измеряют значение разностной частоты . оптических излучений первого и второго лазерных диодов, а время задержки г фазы излучения первого лазерного диода вычисляют из соотношения

т

Ац - Ада

2 ;r(Avi - At )

30

Использование: изобретение относится к оптико-техническим измерениям. Сущность изобретения: способ измерения основан на генерировании1 оптических излучений двух близких частот двумя лазерными диодами с последующим разделением каждого излучения на зондирующий и опорный сигналы, совмещении зондирующих сигналов, один из которых прошел исследуемую среду, а второй оптический аттенюатор до образования интерференционной картины, совмещения опорных сигналов также до образования интерференционной картины, преобразовании биений интенсивности интерферирующих излучений в электрические сигналы разно-4 стной частоты оптических излучений, измерений фазометром фаз электрических сигналов. После измерения разности фаз измеряют разностную частоту Д Vi оптических излучений, а затем нагревают первый диод до получения измененной разности фаз , превышающей &.р на величину, кратную порогу чувствительности фазометра, но в пределах шкалы однозначного показания, Затем измеряют значение разностной частоты Д Va оптических излучений, а измеряемое время задержки определяют из соотношения, приведенного в описании изобретения. 1 ил.