Способ определения коэффициента преломления среды Советский патент 1977 года по МПК G01N21/46 

1

Изобретение относится к области измерения интерферометрическими способами коэффициента преломления, а также других параметров исследуемой среды, тем или иным образом связанных с коэффициентом преломления.

Известны различные интерферометрические способы определения коэффициента преломления среды, основанные на измерении фазового набега электромагнитных волн, проходящих через исследуемую среду.

Известен способ определения коэффициента преломления исследуемой среды, состоящий в. том, что излучение двух длин волн пропускают через исследуемую среду и определяют разность коэффициентов преломления среды для этих длин волн.

Недостатком данного способа является то, что определение абсолютного значения коэффициента преломления этим способом возмол но лишь при условии, что известно значение коэффициента преломления среды для одной из длин волн.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения коэффициента преломления, который состоит в том, что излучением, содержащим колебания нескольких частот, зондируют исследуемую среду, измеряют сдвиг фаз волн, прощедших через среду, и по величине изменения фазы определяют коэффициент преломления соеды па данной частоте.

Недостатком этого способа является то, что для однозначного определения величины изменения фазы при (Аф) я радиан необходим счет интерференционных полос. Кроме того, при малых длииах волн для однозначности измерений длина пути излучения в исследуемой среде должна быть тоже мала.

Целью изобретения является расширение диапазона исследуемых сред.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу выделяют колебания на разностных частотах зондирующего излучения, прошедщего через среду, и опорного излучения, измеряют разность фаз выделенных колебаний с помощью устройства сравнения сигналов пазпостной частоты по фазе и определяют коэффициент преломления на заданной частоте по

формуле, причем частоты излучения или протяженность среды выбирают таким образом, чтобы разность фаз каждого из выделенных колебаний не превышала пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов

разностной частоты по фазе.

На фиг. 1 приведена блок-схема установки, работающей по предлагаемому способу; на фиг. 2 - один из возможных вариантов установки для определения коэффициента преломления среды с использованием в качестве источника излучения лазера на углекислом газе (СОг-лазера). Источник излучения 1 генерирует одновременно электромагнитные колебания нескольких частот. При помощи делителя 2 луча излучение источника разделяется на два луча,один из которых используется для зондирования исследуемой среды 3. Затем опорный и зондиряющий лучи поступают на преобразователи 4 и 5 соответственно, на выходе которых выделяются колебания промежуточной частоты. Амплитуды колебаний промежуточной частоты уравниваются при помощи аттенюаторов 6 и 7. Фазовращатель 8 используют для установки начальной нулевой разности фаз колебаний промежуточной частоты в отсутствие исследуемой среды. С выхода аттенюатора 7 и с выхода фазовращателя 8 колебания промежуточной частоты поступают на устройство 9 сравнения колебаний по фазе. Рассмотрим случай зондирования исследуемой среды протяженностью L тремя волнами с произвольными, но достаточно близкими частотами сог, (UJ, cok, причем для определенности предположим, что (0л. Изменение фазы ДФ1, АФ;, ДФ/t каждбй из этих волн, обусловленное прохождением их через исследуемую среду, равно АФ.-со,Дф Mj Аф;,ш, , где Пг,П, uk - коэффициенты преломления среды соответственно на частотах сог, coj, cofe. Изменения фазы бФ;г ДФ;-ДФ1 и 6ФЙ; ДФй-ДФ; колебаний промежуточных частот )i и ()A-(Oj, выделяемых на выходе преобразователя частоты 4 8Ф (jiti, + u)i«i .) - , 8Фй (Мй/Яо + - ) -7Г (2) Поскольку предполагается что Wji и (Ofej малы по сравнению с каждой из частот coj, coj, (Oft, то коэффициенты преломления Лг и я/; можно представить в виде (u)i) - сОд) :r nj - , дп Пь. «у + 1- Подстановка выражений (3) в уравнения (2) и решение полученной системы уравнений относительно «j и дп ди где cofti COft (4) Таким образом, зондируя исследуемую среду излучением, содержащим колебания нескольких частот, выбирая произвольные три колебания с частотами. WA, coj, со и производя измерения величин изменения фаз, например бФJг и дФkj, двух колебаний промежуточных частот, можно опеределить коэффициент преломления среды «J на частоте соу и диспердп,, oj коэффициента преломления на той ию же частоте. При заданном значении одной из частот coj две другие частоты иг и сол выбирают таким образом, чтобы изменение фaзыбФ i 5Ф/г,- колебаний промежуточной частоты co,-i п oftj не превышало пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов по фазе. Данный способ определения коэффициента преломления среды применим в радиочастотном, сверхвысокочастотном и оптическом диапазонах волн. В оптическом диапазоне в качестве источника излучения можно использовать, например, СО2-лазер, который может генерировать одновременно на нескольких длинах волн вблизи 10,6 мкм. Выделение разностных частот можно осуществить при помоn.i;n распределенных систем с электрооптическими кристаллами или точечных детекторов со структурой металл диэлектрик - металл. Схема устаиовки с использованием в качестве источиика излучения СОа-лазера и преобразователей на электрооптических кристаллах из арсенида галлия CaAs представлена на фиг. 2. В установке используют С02-лазер 10, работающий в режиме одновременной генерации нескольких частот. Этот лазер работает в импульсном режиме, хотя можно использовать и режим непрерывной генерации. Его питание осуществляется от импульсного блока питания 11. Излучение лазера 10 делится на два луча пластинкой 12 из кристалла кремния. Один из лучей используется для зондирования исследуемой среды 13, второй - для формирования опорного сигнала. Излучение в каждом из каналов фокусируется линзами 14 и 15 из бромистого калия КВг на кристаллы 16 и 17 из арсенида галлия GaAs, помещенные в прямоугольные металлические волноводы. Посредством кристаллов GaAs осуществляется преобразование излучения СОглазера. С выхода преобразователей сигналы разностной частоты миллиметрового диапазона поступают в плечи и Я двойного волноводного тройника 18, выполняющего роль сумматора. Результирующий сигнал разностной частоты и излучение от гетеродина 19, в качестве которого используют маломощный клкстронный генератор миллиметрового диапазона, подаются на смесительный диод 20. Нанряжение сигнала второй промежуточной частоты 30 МГц, снимаемое с диода, подается на усилитель промежуточпой частоты (УПЧ) 21. Индикация видеоимпульсов, снимаемых с

видеодетектора УПЧ, осуществляется визуал но на экране осциллографа 22, синхронизация развертки которого производится импульсами от блока питания лазера. Аттенюатор 23 используется для регулировки мощности гетеродина, волномер 24 -для контроля частоты гетеродина. Начальную нулевую разность фаз сигналов разностной частоты в отсутствие исследуемой среды устанавливают перемещением одного пз преобразователей 16 в направлении, параллельном лучу лазера, а амплитуду регулируют перемещением волноводов с кристаллами GaAs параллельно плоскости Н. Для обеспечения возможности перемещения преобразователей часть волноводного тракта выполнена на диэлектрических волноводах (ДВ).

Выбор нужной пары частот со и ш, осуществляется путем перестройки частоты гетеродина 19. Перед проведением измерений в обоих каналах необходимо установить одинаковые амплитуды сигналов второй промежуточной частоты 30 МГц путем перемещения одного из преобразователей 16 и 17 в направлении, перпендикулярном лучу лазера (в отсутствие исследуемой среды). Перемещением же одного из преобразователей, например, кристалла 16, в направлении, параллельном лучу лазера, добиваются минимальной величины амплитуды суммарного сигнала, после чего перед этим же преобразователем помещается исследуемая среда. Затем вновь выравниваются амплитуды сигналов в обоих каналах и перемещением преобразователя 16 в продольном направлении по отношению к лучу лазера устанавливают минимальное значение амплитуды суммарного сигнала. По величине перемещения AZj преобразователя 16 в продольном направлении можно определить изменение фазы бФ/г; (BfejAZi)/C.

Операции, аналогичные указанным, производятся для другой пары частот coj и coi, определяется изменение фазы 6Oji и по выражению (4) вычисляют коэффициент преломления среды.

Данным способом были определены коэффициенты преломления пластин, изготовленных из кристаллов хлористого натрия NaCl, бромистого калия КВг, хлористого серебра AgCl, толщиной до нескольких миллиметров.

Небольшое усложнение схемы (фиг. 2) позволяет вести автоматическую регистрацию изменения фазы и осуществлять непрерывный контроль параметров исследуемой среды.

При диагностике плазмы, когда закон изменения коэффициента преломления от частоты электромагнитных колебаний известен, этим способом можно определить концентрацию электронов в плазме и частоту соударений электронов. В бесстолкновительной плазме, где частота соударений электронов практически равна нулю, для определения концентрации электронов достаточно измерить изменение фазы колебания одной из промел уточных частот.

Использование этого способа позволяет определять параметры исследуемых сред в случаях, когда коэффициент преломления изменяется во времени от величины «о ДО некоторого значения п, либо когда протяженность L среды изменяется от нуля до заданного значения, а также определять коэффициент преломления сред, параметры и протяженность которых не изменяются во времени, либо изменяются в ограниченных пределах.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента преломления среды путем зондирования среды электромагнитным излучением нескольких частот и

измерения сдвига фаз волн, прошедших через среду, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых сред, выделяют колебания на разностных частотах зондирующего излучения, прон1едшего через среду, и опорного излучения, измеряют разность фаз выделенных колебаний с помощью устройства сравнения сигналов разностной частоты по фазе и определяют коэффициент преломления на заданной частоте из соотнопге

ния:

ЗФАу - - ЗФ .(

- П: - Ло 1 ;

ft/ ji

uj - коэффициент преломления

где

на заданной частоте; Ло - коэффициент преломления воздух С-скорость света в вакууме; L - протяженность заданной среды а направлении распространения зондирующего излучения; (Oj - заданная частота; WiCuft - частоты двух других колебаний;

COfet Wft- Иг

a).u)j,-Шу и Шу гШу-U);-разностные частоты;

бФй; - разность фаз колебаний разностных частот coftj-;

- разность фаз колебаний разностных частот coji;

причем частоты излучения или протяженность среды выбирают таким образом, чтобы разность фаз каждого из выделенных колебаний не превьинала пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов разностной частоты по фазе.

73