1
Изобретение относится к прикладной оптике и измерительной технике и предназначено для измерения параметров плазмы и высокотемпературных газовых потоков, в частности концетрации нейтральных атомов и электронов. Предлагаемое устройство может быть использовано в метрологии при прецизионных линейных измереннях-,а также при исследовании оптических параметров, прорачных сред.
Известны поляризационные интepфepo eтры, для которых общим является наличие двух лучей с различными направлениями колебаний электрического вектора, / разность фаз между которыми измеряется.
Проуотипом --предпагяемого устройства является поляризационный интерферометр с двумя ортогонально поляризованными лучами, содержащий лазер, модулятор, компенсатор, светоделительный элемент, два.глухих зеркала.фотоприемник, узкополосный усилитель и регистрирующее устройство.
Принцип работы его заключается в следующем.
Луч лазера дегГится с погугошью двоякопреломляюшей призмы на обыкновенныйи необыкновенный лучи, которые благодаря глухому зеркалу дважды проходят соответственно через исследуемый и этапонный объекты. Сложение лучей происходит с помощью линзы той же призмы, затем суммарный луч проходит через модулятор, роль которого выполняет вращающаяся четвертьволновая фазовая пластинка, компенсатор, в качестве которого применен анализатор, и попадает на 1фотЬприемник;. Компенсируя поворотом анализатора переменную составляющую фототока, определяют разность хода лучей.
Точность измерений в прототипе, которая составляет 5 х1О Л недостаточна, например, при измерении концентрации электронов слабр ионизированных газов. Кроме того,) модуляция и компенсация осуществляются механическим способом, что пони: ает точность измерения и исключает его применение при исследовании импульсных процессов.
Цель изобретения - повышение точности измерения. Это достигается тем, что в интерфероме введены делитель луча, расположенный на пути луча, выходящего из модулятора, попу волновая фазовая пластинка, установленная на пути одного нз лучей, идущих от делите ля, и четыре четвертьволловые фазовые пластинки, расположенные перед глухими ко иевыми зеркалами для получения двух пар ортогональных лучей, на пути которых уста лены четыре эпектрооптические кристалла, включенных параллельно с осями, повернуты ми на 45° по свА1ошению к плоскости поляризации луча лазера, причем два кристал расположенные нЬ пути каждой пары ортого нальных лучей, проходящих соответственно через исследуемый и этаплонный объекты, имеют разные длины, выбираемые в отношении ( 1): 10 , где , два друг.их кристалла имеют одинаковую длину. На фиг, 1 изображена схема предлагаемого поляризационного интерферометра; на фиг. 2 изображены направление колебани электрического вектора луча лазера П| и направления -оптических осей кристаллов и фазовых пластинок П , где п -номер эле мента на фиг. 1. Устройство содержит в качестве источника света лазер 1, модулятор 2 эллиптичности луча, делитель пуча, выполненный в виде глу хого зеркала 3 и полупрозрачного зеркала 4, глухие зеркала 5, 6, 7 и 8 попупрозрач ное зеркало 9, фазовую пластину , фазовые пластинки -ф 11, 12, 13, 14, . электрооптические, кристаллы 15, 16, 17, 18, нсспедуекгый объект 19, эталонный объект 20, фотоприемник 21,;, узкополосны усилитель 22, схему 23 обратной связи н регистрирующее устройство 24. Луч лазера проходит через модулятор у, в качестве которого применен э ектрооптический кристалл, ось которого повернута на 45 относительно плоскоета поляризации излучения лазера которое становится эллип тически поляризованным с модулированной эллиптичностью. Зеркала 3, 4, Э делят луч лазера на четы-.рв пуча, два из них & и 2 проходят сквозь исследуемый объект, а два других ftj и а;, сквозь ; с алонный .объек Фазовые пластинки 10, 11, 12, 13 образуют две пары ортогонально попсяризован- ных лучей-а,, (Sj иа, &if. В результате соложения лучей а,и aj а возникают два взаимно ортогонал.ных луча а-н Sg , которые попадают на фотоприемник 21,j Нарушение ортогональности происходит при наличии исследуемого вещества в исследуемом объекте, при этом переменная составляющая tfaoTOTOKa имеет вид, 3-C-|siii oSCnfe J V -)cos(), где С - чувствительность фотопрнемника, А - амплитуда излучения лазера, Л - измеряемая разность Фаз. АftftЛЛ О t Оц - фазовые смещения между обыкновенными и необыкновенными составляющими лучей, создаваемые соответственно электрооптнческими кристаллами 2, 15, 16, 17, 18, Кристаллы 16 и 18, которые раслоло жены соответственно на пути лучей а и , одинаковые, и поскольку к ним приложено одинаковое напряжение, то фазовые смещения, создаваемые ими, равны, т.е. 8 - &цКристаллы 16 и 4.7, расположенные соответственно на пути луней а выполняют роль фазового нониуса, поскольку длина кристаллов отличается на небольшую величт ну, характеризующую точность измерения, причем разность фаз пропорцио- . нальна приложенному напряжению U . Огнощение длин кристаллов 16 и 17 составляет (Ю + 1): 10 , причем величина 10 является ценой .деления фазового -нониуса. Пёрелтенная составляющая фототока KOMneHv сируется с помощью фазового-нониуса, который восстанавливает ортогональность выходных лучей интерферометра gg и Sg. Условием компенсации является выражение . .-, Л..Я)-0, при этом на выходе узкополосного i/усилителя 22 напряжение равно О. Измеряемую величину X «определяют по напряжению U, приложенному к кристаллам 15, 16, 17, 18 от схемы обратной связи 23, на выходе которой подключено регистрирующее устройство 24. Из выражения для переменной составляющей фототока следует, что поскольку fit (где 2. -частота, на которую настроены модулятор 2 и узкополос- ный усилитель 22), интерферометр работает в режиме нулы-индикатора, Как видно из уравнения, для того, чтобы фазовый нониус постоянно работал в режиме максимальной чувствительности , необходимо, чтобы при любых напряжениях S - . 45°. -.-Измерение очень малых значений К, когда компенсация осуществляется напряжением, при котором S. и & порядка нескольких градусов, можно производить без кристаллов 15 и 18. Применение четырех.попарно ортогональых поляризованных лучей с модулированной эллиптичностью совместно с алектрооптичесКИМ фазовым нониусом позволяет, повысить точность измерений в 4x10 раз-по сравнению с прототипок). Показатель п выбирается в федепах Tl 1-5 с учетом предлагаемого значения измеряемой величины, попувопного напряжения эпектрооптическнх кристаллов и условий термостатированкя и помехоустойчивости (интерферометра. Например, используя в качестве фазового нониуса кристаллы с полуволновым напряжением 50О1, ... длина которых составляет 100 мм и 100,1мм (я /°3), измеряемая разность фаз порядка 10 Д компенсируется лрипожением относительно большого нвпряженйя 4 5 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет преоб- ,5 разовать весьма маяые фазовые смешения в относительно большие электрические напряжения, К преимуществам устройства можно отнести не только его высокую точность и чувствительность, но и отсутствие какой- 2о либо механики при осуществлении модуляции и компенсации измеряемой величины, что позволяет использовать устройство при испедовании импульсных процессов,
Формула изобретения
1. Поляризационный интерферометр с ортог,ояально поляризованными лучами, содержащий лазер, модулятор, компенсатор, оптическую систему, вкп1счак шую в себя светоделительный элемент и два; глухих концевых зеркала, фотоприемник,|уэкополосный
усилитель и регнстрируюшее устройство, о т- п и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повшения точности измерения, в него введены полуволновая фазовая пластинка, установленная на пути одного из лучей, идущих от светделителя, и четыре четвертьволновые фазовые пластинки, расположенные перед глухими концевыми зеркалами дпя получения двух пар ортогональных лучей, на пути которых установлены четыре электрооптических кристалла,, включенных параллельно с осйми, повернутыми на 45° относительно плоскости поляризации луча лазера, причем два кристалла, расположенные на пути каждой пары ортогональных лучей, проходящих соответственно через исследуемый и эталонный объекты, имеют разную длину, а дёа других кристалла имеют одинаковую длину.
2. Интерферометр по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, длины двух кристаплов, имеющих разную длину, относятся как ( 1) : 10, где .
Фиг.1
l gffr f 4tt ,-,
516303
fj
Фиг. 2
