Лазерный кольцевой интерферометр Советский патент 1993 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения первой производной гравитационного потенциала Земли.

Известно устройство для измерения угловых скоростей, содержащее активную среду (АС), кольцевой резонатор, оптические элементы совмещения лазерных пучков и электронные узлы для анализа интерференционной картины.

Недостатком устройства для измерения угловых скоростей является то. что в своем существующем виде оно не пригодно для измерения параметров гравитационного поля Земли.

Известны также устройства для измерения первой производной гравитационного потенциала Земли. Они подразделяются на два основных типа: относительные и абсолютные.

К относительным относятся кварцевые астэзировэнные гравиметры, построенные по принципу вертикального сейсмографа Голицына и применяются для детальных гравиметрических работ. Лучшие модели этих гравиметров имеют общую точность измерения Т-3 мкГал. (например, гравиметр La Costa- Romberga DH). К этому же классу относятся маятниковые приборы, использующие явление свободного колебания маятника, отклоненного от положения равновесия на угол р0. и применяющиеся

00

го

vj СЛ GO 00

для более высокоточных гравиметрических работ Точность этих приборов может достигать единицы микрогал.

К абсолютным гравиметрам относятся баллистические приборы, построенные по принципу регистрации отрезков пути падающего тела при помощи двуплечего интер- ферометра Майкельсона с газовым оптическим квантовым генератором (ОКГ). Точность таких приборов может достигать до 0,5 мкГал,

Наиболее бл изкими по технической сущности к предлагаемому устройств является выбранный в качестве прототипа лазерный измеритель угловых скоростей, содержащий АС, три полупрозрачных отражателя и отражатель, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор, схему совмещения в составе двух вспомогательных отражателей и вспомогательного полупрозрачного отражателя, а также регистратор интерференционной картины.

В замкнутом контуре (резонаторе) лазерного кольцевого интерферометра (ЛКИ) возбуждаются право- и леводвижущиеся встречные волны, обегающие контур во взаимно-встречных направлениях. Величина дифференциального фазового сдвига встречных волн, приобретаемая ими при вращении резонатора, равна:

р1 8QSQ/LC,(1)

где pi и р - величины фазового набега встречных оптических излучений;

S и L - площадь и периметр контура (резонатора):

Q- угловая скорость вращения резонатора;

Q - добротность резонатора:

С - скорость света.

Использование высокодобротного резонатора позволяет добиться высокой чувствительности, повышение которой объясняется когерентным накоплением фазового сдвига при многократном обходе контура каждой из встречных волн.

Часть энергии встречных волн выводится из резонатора ЛКИ через одно из полупрозрачных зеркал и поступает на схему пространственного совмещения (СПС). На выходе СПС при pz - р qf 0 формируется интерференционное поле, которое фиксируется регистратором.

По своим характеристикам ЛКИ относятся к прецизионным измерителям, однако в силу симметрии его конструкции и при Й 0 невозможно выделить (обусловленный неоднородностью потенциала гравитационного поля Земли) сдвиг фаз взаимно-встречно распространяющихся в резонаторе ЛКИ световых потоков. Причем этот сдвиг фаз, содержащий информацию о первой производной гравитационного потенциала Земли

(его изменении), невозможно выделить при любой ориентировке ЛКИ относительно поверхности уровня. Это и является существенным недостатком известного устройства (прототипа).

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей ЛКИ по измерению первой производной гравитационного потенциала Земли.

Это достигается тем, что ЛКИ, содержащий оптически связанные АС, первый, второй, третий полупрозрачные (ПП) отражатели, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор (АСКОР), схему совмещения

в составе двух вспомогательных отражателей, и вспомогательного полупрозрачного отражателя, а также регистратора. ЛКИ снабжен дополнительными первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым

отражателями; (ДО) первым и вторым оптическими вентилями (0В), причем оптически связанные первый ДО, первый ОВ, второй и третий ДО совместно с первым ПП отражателем по ходу праводвижущегося светового

потока образуют первый, ориентированный по линии отвеса удлиненный рециркулятор. Оптически связанные четвертый ДО, второй ОВ, шестой и седьмой ДО, совместно с третьим ПП отражателем по ходу леводвижущегося светового потока образуют второй уд- линенный рециркулятор, ортогональный первому.

Для пространственно-симметричных схем, использующихся в традиционных

ЛКИ. для каждого из световых потоков, распространяющихся влево и вправо от АС, суммарная по периметру оптической системы фазовая модуляция оптического излучения в гравитационном поле Земли при

горизонтальной ориентации ЛКИ относительно поверхности уровня близка к нулю; чтобы гарантировать наличие ненулевой разности фазовых модуляций для световых потоков, распространяющихся во взаимно

перпендикулярных направлениях, необходима их пространственная, поляризационная или частотная развязка. В заявляемом объекте такая развязка осуществлена с помощью двух удлиненных взаимно ортогональных рециркуляторов с оптическими вентилями в них. Причем рециркуляторы должны быть строго ориентированы: один - по линии отвеса, ось второго - сонаправле- на с осью уровня.

Сопоставительный анализ с прототипом показывэет.что предлагаемое устройство отли- чается наличием новых, двух удлиненных, с 0В в контурах рециркуляторов заимно ортогонально включенных в контур замкнуто- го АСКОР прототипа в качестве нагрузки соответственно для право- и левораспрост- раняющихся световых потоков.

Изобретение поясняется чертежом, где 1, 3, 4-, 11. 17. 18 - первый, второй, третий. четвертый, пятый и шестой дополнительные отражатели соответственно;

2,14- оптические вентили (невзаимные элементы);

6- активная среда;

7- отражатель;

5, 9, 10 - первый, второй, третийпол/п- розрачные отражатели соответственно; 8, 13 - вспомогательные отражатели;

12 - вспомогательный полупрозрачный отражатель;

15- интерференционное поле:

16- регистратор (дифференциальный фотодетектор),

L2, Li. Uj - периметры основного конту- ра и контуров взаимно ортогональных, удлиненных рециркуляторов (контур L.2, контур . контур ),

- право- и -леводвижущиеся световые потоки;

OZ - перпендикуляр к оси уровня (линия отвеса).

Как следует из схемы, левый и правый выходы АС 6 через ПП отражатели 5, 9, 10 и отражатедь 7 оптически связаны между со- бой и образуют основной контур (резонатор) с периметром . ПП отражатель 5 своим выходом через отражатели 4 и 1, оптический вентиль 2 и отражатель 3, образуя контур рециркулятора с периметром Li, оптически связан со своим входом. ПП отражатель 10 своим выходом через отражатели 17 и 18, оптический вентиль 14 и отражатель 11, образуя контур рециркулятора с периметром , оптически связан со своим входом. Взаимно ортогональные выходы ПП отражателя 9 параллельно через отражатели 8 и 13 оптически связаны ПП отражателем 12, на выходе которого включен регистратор 16.

Рециркулятор с периметром Li (первый) ориентирован по линии отвеса, рециркуля- тор с периметром (второй) размещен ортогонально первому.

Работа заявляемого объекта заключается в следующем. Возбуждаемое в основном резонаторе правораспространяющееся излучение является излучением накачки для рециркулятора Li (ориентированного вдоль оси OZJjTaK как часть излучения основного резонатора L.2 через ПП отражатель 5 ответвляется в рециркуяятор Li. Это оптическое излучение пройдя путь выход ПП отражателя 5 - отражатель 4 - отражатель 1 - оптический вентиль 2 - отражатель 3 - вход ПП отражателя 5, возвращается в основной контур. Часть излучения рециркулирует в контуре Li, когерентно суммируясь с поступающим сюда излучением из основного контура . в результате чего происходит компенсация энергетических потерь излучения на отражателях 1. 3, 4, и ОВ 2 контура Li. Часть рециркулирующего в контуре LI излучения, возвращаясь в основной контур La (в активную среду 6)также восстанавливает сбои энергетические потери на отражателях 1, 3,4,5 и ОВ 2, но уже с учетом сдвига фаз, накопленного при рециркуляции этого излучения в контуре Li в неоднородном гравитационном поле Земли. Таким образом, излучение накачки (правораспространяющееся излучение) в основном контуре L2 генерируется с учетом его сдвига фаз и энергетических потерь в контуре Li.

Аналогично левораспространяющееся оптическое излучение основного резонатора L2 является излучением накачки для рециркулятора , ориентированного вдоль оси ОУ. Поскольку вдоль оси ОУ отсутствует производная гравитационного потенциала Земли, то в рециркуляторе будет отсутствовать сдвиг фазы. Поэтому интерференционное поле на выходе схемы совмещения, содержащем информацию о первой производной потенциала, будет формироваться между правораспространяющимся световым излучением, имеющим сдвиг фазы, и левораспространяющимся световым излучением без сдвига фазы, поэтому оно является опорным.

Электромагнитное поле в рециркуляторе определяется четыре-вектором потенциала

AI (Ао. А. Ау, Az),(2)

удовлетворяющим уравнениям Максвелла

gimgKn

Д An

о

(3)

и требуемым граничным условиям. Метрика пространства-времени:

gfk (g detgik), - с учетом существующих модельных представлений о гравитационном поле Земли, может быть задана в виде

ds2 (Т + 2 Ф /с2) cW- (1-2 Ф /c2Xdx2 + dy2 + dz2),(4)

где Ф (t, x, у, z) - ньютоновский потенциал (Ф /с - 1). Для точек,близких к земной поверхности, и для времен наблюдения г, несоизмеримо меньших периода вращения

Земли, потенциал Ф можно аппроксимировать линейной функцией

Ф Фо + gZ,(5)

где g - ускорение свободного падения, (первая производная потенциала), Фо - потенциал на поверхности, ось OZ направлена вдоль нормали к поверхности уровня. В этом приближении для реЦиркулятора Li, удлиненного вдоль оси OZ, потенциал плоской линейно-поляризованной (А Az m АО 0; Ах 0) электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси 02, который удовлетворяет граничным условиям:

Ax(t,z 0)-Ax (t,z«L) 0(6)

где L - линейный размер рециркулятора, имеет вид

Ах (t, Z) 2 AnSln(u,t+ph) + (7)

п 0L

ЛГП2+ Ј™ )

где An. фс - начальные амплитуда и фаза п-ой гармоники соответственно/

ом $Ј с (1 + 2 Фо/с2 + g L/c2). (8)

Аналогичное решение для рециркулятора. удлиненного по оси ОУ, вдоль которой отсутствует производная потенциала, можно представить в виде

Ax(t,y) оо

- 2 Bnsin(ufit+Vh)sin (9)

п 0

где (1+2 Ф0/с2)(10)

Разность фаз Л, полученная с помощью световых потоков в ортогональных рецирку- ляторах, помимо прогнозируемой постоянной начальной разности фаз -чрп. будет содержать разность фаз, обусловленную влиянием на световые потоки гравитационного поля Земли

Aft (t)

лгпс2

(И)

которая линейно возрастает со временем.

Если основная мода оптического излучения имеет частоту

и, 2p ,(12)

а время наблюдения равно г, то рабочая форма для величины фазового искажения оптического излучения за счет действия однородного поля силы тяжести Земли на оптическое излучение приобретает окончательный вид

/Vg(t)u rgL/c2(13)

1015Гц, с, g-9,8 м/с2. L-1 м

.1 рад

При использовании методов цифрового когерентного накопления, эффективно удлиняющих время наблюдения т, величина Лрд может быть повышена не менее чем на три порядка (гэфф - 103 т). При потенциальной чувствительности оптической системы ДргШгкгЮ 8 рад измерения параметров гравитационного поля Земли могут быть проведены с точностью.

дд Afoninc2 g СОЕ тэфф L g

10

-ю

(,1 мкГал).(14)

Таким образом, из анализа формул (711) следует, что можно измерять первые

производные гравитационного потенциала Земли (вертикальную и горизонтальную составляющие градиента гравитационного потенциала). Кроме того, интерферометр имеет повышенную чувствительность (не хуже, чем на порядок) по измерению первой производной по сравнению с существующими измерителями.

Формула изобретения Лазерный кольцевой интерферометр,

содержащий оптически связанные активную среду, первый, второй и третий полупрозрачные отражатели и глухой отражатель, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор, схему совмещения, включающую два вспомогательных глухих отражателя и вспомогательный полупрозрачный отражатель, а также регистратор, причем выход второго полупрозрачного отражателя, являющийся выходом активного симметричного кольцевого резонатора, через схему совмещения оптически связан с входом регистратора,отличающийся тем, что, с целью измерения первой производной гравитационного потенциала Земли, он снабжен дополнительными первым - шестым глухими отражателями, первым и вторым оптическими вентилями, причем оптически связанные первый дополнительный

отражатель, первый оптический вентиль, второй и третий дополнительные отражатели совместно с первым полупрозрачным отражателем образуют первый ориентированный по линии отвеса, удлиненный рециркулятор,

а оптически связанные четвертый дополнительный отражатель, второй оптический вентиль, шестой и пятый дополнительные отражатели совместно с третьим полупрозрачным отражателем образуют второй удлиненный рецирку- лятор.ортогональный первому, причем

первый оптический вентиль ориентирован на пропускание в направлении от первого к второму глухому дополнительному отражателю, а второй оптический вентиль ориентирован на пропускание в направлении от шестого к четвертому дополнительному глухому отражателю.

Использование: изобретение относится к лазерной интерферометрии и может быть использовано для измерения величины первой производной гравитационного потенциала Земли. Сущность: лазерный кольцевой интерферометр содержит оптически связанную АС, первый, второй, третий полупрозрачные отражатели и отражатель, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор и схему совмещения световых пучков с подключенным к выходу регистратору (фотодетектору). Два взаимно-ортогональных оптических рециркулятора имеют в своем составе оптической вентиль, отражатели. Сдвиг фаз оптического излучения, рецирку- лирующего в ориентированном по линии отвеса рециркуляторе в неоднородном гравитационном поле Земли, когерентно накопленный и преобразованный регистратором в электрический сигнал, содержит ин- формацию об изменении первой производной гравитационного потенциала Земли. 1 ил. сл