CN204631269U - 高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用，它包括稳频激光器、准直扩束镜、可调反射镜、分束器、参考棱镜、落体棱镜、水平液面、反射棱镜、光阑、聚焦透镜、光电探测器；激光由稳频激光器发出，经准直扩束镜后由可调反射镜反射后竖直向下传输，再经分束器分为竖直向下传输的测试光束和水平向右传输的参考光束，其中测试光束分别经过参考棱镜和落体棱镜的多次反射后射向水平液面，然后反射后按原光路返回与参考光束汇合，产生干涉条纹，干涉光束经过打开的光阑被聚焦透镜汇聚于光电探测器上。一种采用所述系统的绝对重力仪。本实用新型可将测试精度提高多倍，能简单有效地调节测试光束的方向，保证其与重力加速度方向平行。

Description

高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用

技术领域

本实用新型涉及绝对重力测试技术，特别的，涉及一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统，利用此系统能精密检测绝对重力测试过程中落体棱镜的下落位置。

背景技术

重力场是地球的基本物理场，高精度绝对重力观测资料广泛应用于大地测量学、地球物理学、地球动力学和地震学等领域，同时也在军事、航天、导航、资源勘探与开发工程领域有广泛应用。目前一般采用绝对重力仪对重力加速度进行测量。

图1是现有技术绝对重力仪结构示意图。如图1所示，现有技术中绝对重力仪利用激光干涉技术，精确测量落体棱镜在真空环境中自由下落时的位置时间数据(h_i,t_i)，再将数据带入自由落体运动方程并利用多项式拟合的方法得到重力加速度的最佳估值。绝对重力仪一般由激光干涉系统、真空自由落体控制系统、超低频垂直隔振系统、高速信号采集系统和数据处理及仪器控制系统五部分组成。

激光干涉系统为绝对重力测试提供长度基准，保证测试光束与重力加速度方向一致，是绝对重力仪的重要组成部分。

图2是现有技术绝对重力仪用激光干涉系统结构示意图。如图2所示，激光由稳频激光器发出后被第一分束器分为水平传输的参考光束和向上传输的测试光束，测试光束向上被在真空腔中做自由落体运动的落体棱镜反射后向下传输，再被安装在超长弹簧隔振系统上的参考棱镜反射后经过两个调整光路的平面反射镜后与参考光束汇合于第二分束器，产生干涉，光电探测器将光干涉信号转换为电信号，用于后续系统作数据处理。

绝对重力仪探测确定点的绝对重力加速度，需要保证激光干涉系统中测试光束与绝对重力加速度方向平行，因此在现有绝对重力仪激光干涉系统中，均有相应的激光竖直方向调节单元。

图3是现有技术绝对重力仪激光干涉系统中激光竖直方向调节单元。如图3所示，在绝对重力测试开始前，需要调节激光干涉系统中测试光束方向，使其与重力加速度方向平行，一般利用水平液面反射原光路中的测试光束使其沿原路返回，并与参考光束产生干涉，再利用望远系统观察干涉图像是否为均匀圆形光斑，以此判断测试光束是否已经调节为竖直方向，待确定测试光束已调为竖直方向，撤去水平液面，进行绝对重力加速度测量。

现有技术绝对重力仪中激光干涉系统测试光束在落体棱镜及参考棱镜间只反射一次，对测试棱镜下落距离敏感度低；同时测试光束竖直方向调节需要通过望远系统辅助观察，系统较为复杂，且测试光束竖直方向调节完成后需撤走水平液面才能开始绝对重力测试，改变了仪器的状态，不能实时监测测试光束的竖直方向状况。

实用新型内容

为了克服上述不足，本实用新型提供了高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用。

一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统，它包括稳频激光器、准直扩束镜、可调反射镜、分束器、参考棱镜、落体棱镜、水平液面、反射棱镜、光阑、聚焦透镜、光电探测器；激光由稳频激光器发出，经准直扩束镜后由可调反射镜反射后竖直向下传输，再经分束器分为竖直向下传输的测试光束和水平向右传输的参考光束，其中测试光束分别经过参考棱镜和落体棱镜的多次反射后射向水平液面，然后经水平液面反射后按原光路返回到分束器处与经反射棱镜反射的参考光束汇合，产生干涉条纹，干涉光束经过打开的光阑被聚焦透镜汇聚于光电探测器上。

所述的水平液面为酒精或水银。

所述的分束器的透射比，能使产生干涉时的测试光束和参考光束光强相等。

一种采用所述系统的绝对重力仪。

本实用新型的有益效果：

1、充分利用参考棱镜和落体棱镜的口径，采用光学倍频的方式，使测试激光在参考棱镜和落体棱镜之间反射N次，在不改变绝对重力仪其它组件的基础上，可将测试精度提高N倍；

2、设计了一种激光干涉系统测试光束竖直方向调节单元，能简单有效地调节测试光束的方向，保证其与重力加速度方向平行，同时可以在绝对重力测试过程中对测试光束的方向进行实时监测和调整。

附图说明

图1是现有技术绝对重力仪结构示意图；

图2是现有技术绝对重力仪用激光干涉系统结构示意图；

图3是现有技术绝对重力仪激光干涉系统中激光竖直方向调节单元；

图4是测试光束与重力加速度方向不平行引起测量误差原理图；

图5是激光干涉原理图；

图6显示了本实用新型的一种实施例绝对重力仪用激光干涉系统结构示意图；

其中，1—稳频激光器、2—准直扩束镜、3—可调反射镜、4—分束器、5—参考棱镜、6—落体棱镜、7—水平液面、8—反射棱镜、9—光阑、10—聚焦透镜、11—光电探测器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型作进一步详细说明。

绝对重力仪利用激光干涉技术，精确测量落体棱镜在真空环境中自由下落的位置时间数据(h_i,t_i)，再将其带入自由落体公式采用多项式拟合的方法得到重力加速度的最佳估值，其干涉原理与迈克尔逊干涉仪类似，落体棱镜每下落λ/2(其中λ激光波长)，便产生一条干涉条纹。

绝对重力仪测试确定点的重力加速度，需要保证测试光束与重力加速度方向平行，如果两者不平行，会在测量过程中引入误差。如图4所示，测试光束与竖直方向有一夹角θ时，测试误差为因此绝对重力仪激光干涉系统必须有测试光束竖直方向调节单元，以保证测试光束方向竖直，减小测试误差。

激光干涉图像由参与干涉的光束的光程差决定，干涉条纹即等光程差轨迹，如图5所示，λ为干涉激光波长，ω为两干涉光束的夹角，则干涉条纹间距当ω＝0，即干涉光束平行，则条纹间距e趋近于无穷大，观察屏上显示为一等光强圆形光斑，利用这种性质，可以对绝对重力仪中激光干涉系统测试光束的方向进行检测和调节，使其与重力加速度方向平行。

图6为本实用新型一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统结构示意图。其基本原理为利用光学倍频的方法实现绝对重力测试中对于落体棱镜位置的高精度测量，同时可以实时对绝对重力测试过程中测试激光束竖直方向进行监测和调节，整个激光干涉系统包括稳频激光器1、准直扩束镜2、可调反射镜3、分束器4、参考棱镜5、落体棱镜6、水平液面7、反射棱镜8、光阑9、聚焦透镜10、光电探测器11。

其中激光由稳频激光器1发出，经准直扩束镜2后由可调反射镜3反射后竖直向下传输，再经分束器4分为竖直向下传输的测试光束及水平向右传输的参考光束，其中测试光束分别经过参考棱镜5和落体棱镜6的多次反射后(图示为4次)射向水平液面7，然后经由水平液面反射后按原光路返回到分束器4处与经反射棱镜8反射的参考光束汇合，产生干涉条纹，干涉光束再经过打开的光阑9被聚焦透镜10汇聚于光电探测器11上，光电探测器11将光干涉信号转换为电信号供绝对重力仪数据处理系统拟合计算出绝对重力加速度估值。

水平液面7为酒精或水银等可反射光的液体表面，当光束以竖直方向入射水平液面7时，其能按原光路返回，当入射光束相对于竖直方向有一倾角入射时，反射光束与入射光束会发生分离。

测试过程中，测试光束经过水平液面7及参考棱镜5和落体棱镜6的多次反射，衰减较为强烈，特别设计分束器4的透射比，使产生干涉时的测试光束和参考光束光强相等，干涉条纹对比度趋近于1，提高后续测量信噪比。

本实用新型激光干涉系统中测试光束需经过参考棱镜5和落体棱镜6的N(图中为4次，但并不只限于此)次反射，当落体棱镜6每下落λ/2N的便能产生一条干涉条纹，相对于现有技术的绝对重力仪中落体棱镜下落λ/2产生一条干涉条纹，本实用新型能在绝对重力仪其他组件不变的情况下，将绝对重力加速度测量精度提高N倍。

在绝对重力测试前，需关闭光阑9，调节测试光束方向，由于水平液面7的反射，将会在光阑9面上产生干涉图像，如图6中虚线所示，如果入射光束12与竖直方向有一夹角θ，通过参考棱镜5及落体棱镜6的多次反射后变为光束13,它以相同的角度入射到水平液面7上，经反射，出射光束14与光束13会分离，角度为2θ，出射光束14再经过测试棱镜6和参考棱镜5的多次反射变为光束15，光束15经分束器4反射成为测试光束16，测试光束16与经由反射棱镜8反射回来的参考光束17产生干涉，其夹角为α＝2θ，可在光阑面上形成等间距的干涉条纹18，调节可调反射镜3，使干涉图像逐渐变为一等光强圆斑19，则表示两干涉光束夹角极小，即θ＝0，测试光束与重力加速度方向平行。

绝对重力仪中一般采用λ＝632.8nm的He-Ne稳频激光为光源，光束经准直扩束镜2扩束为3mm，通过人眼识别，可保证光阑9面上的干涉图像在半个条纹范围内，可推得测试光束与竖直方向的夹角最大为引起的测量误差为： $\mathrm{\Δg}=g\·\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2}=1.4\mathrm{\μGal}.$

待调节可调反射镜3使光阑9面上干涉图像为一等光强圆斑19后，打开光阑9，开始绝对重力测量。

在测试过程中，可随时关闭光阑9，观测光阑面上干涉图像是否保持为一等光强圆斑19来实时监测测试光束与竖直方向是否平行，如果干涉图像不为等光强圆斑19，调节可调反射镜3至干涉图像变为等光强圆斑19后，关闭光阑9，继续绝对重力测试。

Claims (4)

1.一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统，其特征在于，它包括稳频激光器（1）、准直扩束镜（2）、可调反射镜（3）、分束器（4）、参考棱镜（5）、落体棱镜（6）、水平液面（7）、反射棱镜（8）、光阑( 9)、聚焦透镜(10)、光电探测器(11)；激光由稳频激光器（1）发出，经准直扩束镜（2后由可调反射镜（3）反射后竖直向下传输，再经分束器（4）分为竖直向下传输的测试光束和水平向右传输的参考光束，其中测试光束分别经过参考棱镜（5）和落体棱镜（6）的多次反射后射向水平液面（7），然后经水平液面（7）反射后按原光路返回到分束器（4）处与经反射棱镜（8）反射的参考光束汇合，产生干涉条纹，干涉光束经过打开的光阑（9）被聚焦透镜（10）汇聚于光电探测器（11）上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的水平液面（7）为酒精或水银。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的分束器（4）的透射比，能使产生干涉时的测试光束和参考光束光强相等。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述系统的应用，其特征在于，应用于绝对重力仪。