Устройство для измерения фазовых сдвигов излучения ик-диапазона Советский патент 1976 года по МПК G01B9/02 

формации об измеряемых фазовых сдвигах когерентного излучения лазера ИК-диапазона в широком диапазоне плотностей мощности, вносимых фазовыми объектами в измерительном канале двухлучевого интерферометра, на сигнал промежуточной частоты.

Для этого в предлагаемом устройстве в каждый канал интерферометра введены однополосный акустооптический модулятор и система формирования светового потока, выполненная в виде двух фокусирующих элементов, фокусы которых совмещены в плоскости однополосного модулятора, причем световой пучок направляется на модулятор под

углом Брэгга так, что sin0 / --- , где

А - длина волны ИК-излучения, Л - длина волны ультразвука, п-коэффициент преломления акустооптического материала.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство, состоящее из оптической и электронной частей. Оптическая часть представляет собой двухлучевой интерферометр, элементы которого размещаются на основании 1, расположенном внутри термостатированного герметичного кожуха 2. Кожух служит для снижения акустических помех и температурных градиентов (в 10 раз). В кожухе есть входное окно 3 для поступления излучения лазера 4 на углекислом газе (Я 10,6 мкм) на интерферометр и выходное окно 5 для вывода неиспользуемой части этого излучения за пределы кожуха. Основание интерферометра представляет собой массивную плиту из ситалла, низкий коэффициент теплового расширения которого обеспечивает достаточную стабильность разности фаз при флуктуациях и дрейфе температуры. Для уменьшения сейсмических помех устройство располагается на воздушных подушках. Двухлучевой интерферометр состоит из измерительного и опорного каналов. Измерительный канал составлен из общего для обоих каналов первого светоделительного устройства 6 и второго светоделительного устройства 7. Опорный канал включает в себя отражающий элемент 8, а также общий для обоих каналов элемент 9 совмещения пучков, за которым установлен фотодетектор 10, преобразующий оптические сигналы в электрические. Световой поток в измерительном канале обозначен сплошной линией, а в опорном - пунктирной. В измерительном канале интерферометра установлен исследуемый фазовый объект 11. В опорном канале расположено фазосдвигающее устройство 12, при помощи которого можно изменять фазовую задержку светового потока в этом канале. В обоих каналах интерферометра симметрично размещены акустооптические однополосные модуляторы 13 и 14 с системами формирования световых потоков, выполненными в виде двух фокусирующих элементов: 15 и 16 в измерительном канале и 17 и 18 в опорном каиале.

Электронная часть включает в себя следующие блоки. Полосовой фильтр прамежуточной частоты 19, на который поступает электрический сигнал с фотодетектора; генераторы питания однополосных модуляторов измерительного 20 и опорного 21 каналов, предназначенные для подачи питающих напрялсений на эти модз ляторы, а также радиочастотный сместитель частоты генераторов питания 22; высокоточный цифровой радиочастотный фазометр 23 подключен к выходам полосового фильтра промежуточной частоты и радиочастотного смесителя частот генераторов питания однополосных модуляторов.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 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 измерительном канале интерферометра через исследуемый прозрачный фазовый объект 11, второе светоделительное устройство 7 и выходное окно 5 устройства. Светоделительное устройство 7 направляет на фокусирующий

элемент 15 измерительного канала световой поток, примерно равный потоку в опорном канале. Сфокусированные с помощью элементов 15 и 17 пучки измерительного и опорного Каналов попадают да два однополооных

модулятора 13 и 14. Питание (возбуждение) однополосных модуляторов осуществляется на двух бли8ких (радиочастотах fi и F около 75 МГц, расстроенных друг относительно друга на частоту, равную 100 кГц. После однополосных модуляторов излучение лазера направляется под углами Брэгга

К 2.i

в arcsin пво arcsin п2Л,

(где А и AS - длины волн ультразвука, возникающего в результате возбуждения модуляторов 13 и 14 соответственно) на фокусирующие элементы 16 и 18, формирующие параллельные пучки, и далее на элемент 9. На элементе 9 происходит совмещение пучков измерительного и опорного каналов.

В опорном канале предварительно до элемента совмещения пучков излучение отражается элементом 8 и проходит через прозрачное фазосдвигающее устройство 12. Суммарный световой поток поступает на фотодетектор 10, на котором производится смещение 60 частот двух оптических сигналов, поступающих на него из измерительного и опорного каналов и преобразование их в электрический сигнал. Эти частоты получаются в результате сдвигов одной и той же частоты 65 ИК-излучения лазера с помощью однополоеных модуляторов в измерительном и опорном каналах интерферометра.

Электрический сигнал с фотодетектора поступает на полосой фильтр 19, выделяющий из спектра этого сигнала составляющую с разностной частотой. Фаза синусоидального сигнала промежуточной частоты зависит от фазовых сдвигов, вносимых фазовым объектом 11, в оптическом тракте измерительного канала интерферометра. На радиочастотном смесителе осуществляется смещение рабочих частот генераторов питания однополосных модуляторов и выделение из разностной частоты 100 кГц с постоянной фазой. Радиочастотный цифровой фазометр 23 измеряет разность фаз сигналов, поступающих на его входы с полосового фильтра и смесителя, которая пропорциональна фазовым сдвигам в измерительном канале интерферометра.

Таким образом, применение в данном устройстве акустооптических однополосных модуляторов и гомодинного преобразования частоты когерентного излучения лазера с помощью двухлучевого интерферометра позволяет осуществить перенос информации об измеряемом фазовом сдвиге ИК-излучения, вносимом прозрачными фазовыми объектами, на сигнал промежуточной радиочастоты, на которой возможны измерения фазовых сдвигов с помощью высокоточных радиочастотных фазометров.

Применение в предлагаемом устройстве двух однополосных модуляторов позволяет получить достаточно низкую промежуточную частоту 100 кГц, на которой 1Мож1НодостиГ1нуть более высокой точности измерения разности фаз, чем на частоте около 75 МГц. Кроме того, при работе на частоте 100 кГц снижается влияние высокочастотных когерентных помех. Такое устройство позволяет измерять фазовые сдвиги когерентного излучения лазера (10,6 мкм) в пределах от О до 360° с погрещностью не более 0,1° при мощности излучения до 50 вт.

Формула изйбретения

Устройство для измерения фазовых сдвигов излучения ИК-диапазона на основе двухлучевого интерферометра, в измерительном канале которого расположены носледовательно по ходу излучения исследуемый фазовый объект и светоделительное устройство, а опорный канал содержит отражающий элемент, фазосдвигающее устройство, а также общие для обоих каналов элемент совмещения пучков и фотодетектор, отличающееся тем, что, с целью повыщения чувствительности измерений путем переноса информации о фазовых сдвигах когерентного излучения ИК-диапазона на сигнал промежуточной частоты, в каждый канал интерферометра введены акустооптический модулятор и система формирования светового потока, выполненная в виде двух фокусирующих элементов, фокусы которых совмещены в плоскости модулятора, причем модулятор установлен по отнощению к падающему световому пучку под углом в так, что

Sine п

2Л

где /. длина волны ИК-излучения, Л - длина волны ультразвука; п - коэффициент преломления акустооптического материала.