HU187168B

HU187168B - Method and apparatus for heterodyn detecting laser light scattered back

Info

Publication number: HU187168B
Application number: HU329382A
Authority: HU
Inventors: Peter Richter; Ferenc Engard; Janos Giber; Emoeke Loerincz; Imre Peczeli
Original assignee: Budapesti Mueszaki Egyetem
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1985-11-28

Abstract

A találmány tárgya eljárás és berendezés visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására. A találmány szerint a kivetített és visszaszórt lézerfényt oly módon vetítjük a fényérzékelőre, hogy egyidejűleg a lézerfény egy másik részét vagy forgó radiális- vagy hengerrácsra vetítjük, és az arról diffraktált fényt a visszaszórt lézerfénnyel koherens módon fényérzékelőre vetítjük. A fényérzékelő kimenetén fellépő elektromos jelet érzékeljük. A találmány szerinti berendezésnél a lézerfény nyalábját két részre osztó nyalábosztóról a fény egyik részének útjában forgó radiális- vagy hengerrács van. A találmány előnyösen lehetőséget ad széles hullámhossz és eltolási frekvencia tartományban álló, vagy mozgó objektumról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására. - 12 17 1. ábra -1-The present invention relates to a method and apparatus for detecting scattered laser light heterodyn. According to the invention, the projected and scattered laser light is projected onto the light sensor by simultaneously projecting another portion of the laser light onto a rotary radial or cylindrical lattice, and diffractive light is projected onto the light sensor in a coherent manner with the scattered laser light. An electrical signal at the light sensor output is detected. In the apparatus according to the invention, a beam splitter dividing the beam of the laser beam into two parts has a radial or cylindrical grating rotating in the path of a portion of the light. Preferably, the present invention provides for the possibility of detecting a heterodyne heterodyne in a wide wavelength and offset frequency range or transmitted from a moving object. - 12 17 Figure 1 -1-

Description

A találmány tárgya eljárás és berendezés visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására. Heterodyn detektálási technika alatt azt a módszert értjük, amikor a detektor felületére két különböző frekvenciájú koherens fényt vetítünk, melyek interferálva a detektor kimenetén a különbségi frekvenciának megfelelő frekvenciájú elektromos jelet hoznak létre. A heterodyn detektálással igen kis fényintenzitások mérhetők, elérhető az ún. kvantum-limitált jel/zaj viszony (Id. pl. R. M. Kingston: Detection ¹of Optical and Infrared Radiation, Springer 1978).The present invention relates to a method and apparatus for detecting diffused laser light heterodyn. By Heterodyn detection technique is meant a method of projecting onto the surface of a detector two coherent light of different frequencies which, when interfered, produce an electrical signal at a frequency corresponding to the difference frequency at the output of the detector. With heterodyn detection, very low light intensities can be measured; a quantum-limited signal-to-noise ratio (See, e.g., RM Kingston, Detection ¹ of Optical and Infrared Radiation, Springer 1978).

A heterodyn detektálás megvalósítására számos módszer ismeretes (ld. pl. F. Durst, A. Melling, J.Several methods are known for performing heterodyn detection (see, e.g., F. Durst, A. Melling, J.

H. Whitelow: Principles and Practice of LaserDoppler Anamometry, Academic Press 1976), ezek ¹⁵azonban jellegüknél fogva mozgó objektumokról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására alkalmasak. Egy ilyen megoldást ismertet a 930/80 ny. sz. magyar szabadalmi bejelentés is. Abban az esetben azonban, ha a mérőberendezéshez képest álló ²⁰objektumról is szükséges a visszaszórt lézerfény heterodyn detektálása, ezek az eljárások nem alkalmazhatók. Ilyenkor magában a mérőberendezésben kell az eredeti lézerfénytől eltérő frekvenciájú fényt létrehozni, és így akár álló, akár mozgó ob- ²⁵jektumról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálása lehetséges. Erre egy lehetséges megoldás frekvenciatoló elemként akusztooptikai modulátor használata (ld. B. S. Collins et al., Optical and Quantum Electronics 72,/1980/, 419-426). Ezek a 30 berendezések azonban drágák, csak egy-egy a modulátor anyaga által meghatározott szűk hullámhossztartományban és behatárolt frekvenciatolási tartományban üzemelnek. Például az infravörös tartományban (CO₂ lézerre) kb. 40 MHz fölött ³⁵lehet jó hatásfokú akusztooptikus modulátort készíteni, ugyanakkor a kereskedelmi forgalomban elérhető Hg Cd Te detektorok határfrekvenciája 10 MHz. A különböző hullámhossz tartományokban különböző anyagú és ezért eltérő gyártástech- ⁴θ nológiájú eszközök szükségesek.H. Whitelow: Principles and Practice of LaserDoppler Anamometry, Academic Press 1976), ^15, however, these are suitable for moving objects by their nature, heterodyne detection of the backscattered laser light. Such a solution is described in 930/80 ny. s. Hungarian patent application. However, in cases where the object ²⁰ relative to the measuring apparatus requires the detection of the reflected laser light heterodyn, these methods are not applicable. In this case, to create a frequency different from the original laser light beam includes the measurement equipment, and so whether stationary or moving ob ²⁵ jektumról heterodyne detection of the backscattered laser light is possible. A possible solution for this is the use of an acoustic optic modulator as a frequency carrier element (see BS Collins et al., Optical and Quantum Electronics 72, (1980), 419-426). However, these devices 30 are expensive, operating only within a narrow wavelength range and a limited frequency range defined by the modulator material. For example, in the infrared (CO ₂ laser) range of approx. Above 40 MHz ³⁵ can be made efficient akusztooptikus modulator, while the commercially available Hg Cd Te detector cutoff frequency required for different materials and, therefore, ^four different gyártástech- θ nológiájú devices 10 MHz. The different wavelength ranges.

A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt nehézségek kiküszöbölése és olyan eljárás és berendezés kialakítása, mely lehetővé teszi széles hullámhossz és eltolási-frekvencia tartományban az opti- 45 kai heterodyn detektáláshoz szükséges frekvenciatolás megvalósítását.It is an object of the present invention to overcome the difficulties outlined above and to provide a method and apparatus which enables the frequency shifting required for optical heterodyne detection over a wide wavelength and offset frequency range.

A találmánnyal megoldandó feladatot ennek megfelelően abban lehet összefoglalni, hogy olyan viszonylag olcsó frekvenciatoló eljárásra és bérén- 50 dezésre van szükség, amellyel lehetőség nyílik széles működési hullámhossz tartományban és eltolási frekvencia tartományban a lézerfény frekvenciájának eltolására a mérőberendezésben, hogy ily módon lehetségessé váljon akár álló, akár mozgó ob- 55 jektumról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálása.Accordingly, the object of the present invention can be summarized as requiring a relatively inexpensive frequency shifting process and waging that allows the frequency of the laser light to be shifted across a wide operating wavelength range and offset frequency range to detecting heterodynamics of laser light bounced from a moving object.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat megoldható, ha az ismert megoldások helyett a lézerfény frekvenciájának eltolását egy 60 forgó radiális- vagy hengerrácson történő diffraktáltatással végezzük, ahol az eltolási frekvencia a hullámhossz, a forgási sebesség, a beesési szög és a rácsállandó által meghatározott diffrakciós szögek függvényeként széles tartományban változtatható, ggThe invention is based on the realization that the object of the present invention can be achieved by, instead of known solutions, shifting the frequency of the laser light by diffraction on a rotating radial or cylindrical lattice 60, wherein the displacement frequency is wavelength, rotation speed, incident angle and grating constant. as a function of diffraction angles defined by .gg

168 ...168 ...

és megfelelő anyagú pl. fém rács esetén igen széles hullámhossz-tartományban alkalmazható, az ultraibolyától a távoli infravörösig.and suitable material e.g. for metal grids, it can be used in a very wide wavelength range, from ultraviolet to far infrared.

A találmány tehát eljárás visszaszórt lézerfény ⁵ heterodyn detektálására, amelynél a lézer fényforrás fényének egy részét a visszaszórt objektumra vetítjük, és a szórt fényt egy érzékelő optikai rendszerrel a fényérzékelőre vetítjük, azzal jellemezve, hogy a lézer fényforrás fényének másik részét egy forgó radiális- vagy hengerrácsra vetítjük, és az arról diffraktált fényt a szórt fénnyel koherens módon a fényérzékelőre vetítjük, és a fényérzékelő kimenetén fellépő elektromos jelet érzékeljük, valamint berendezés visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására, melynek lézer fényforrása, kivetítő optikai rendszere, érzékelő optikai rendszere, nyalábosztója, frekvenciatoló eleme, fényérzékelője é. a fényérzékelőhöz kapcsolt jelfeldolgozó egysége van, azzal jellemezve, hogy a frekvenciatoló elem forgó radiális- vagy hengerrács.The invention thus provides a method for detecting a diffused laser light ⁵ heterodyn, wherein a portion of the laser light is projected onto the reflected object and the scattered light is projected onto the light sensor by a sensing optical system, wherein the other portion of the laser light is applied to a rotating projecting and diffracting the light onto the light sensor in a manner coherent with the scattered light, and detecting an electrical signal at the output of the light sensor, as well as a device for detecting heterodyne backscattered laser light having a laser light source, projector optical system, y. a signal processing unit connected to the light sensor, characterized in that the frequency shifting element is a rotating radial or cylindrical lattice.

A találmányt részletesebben a rajzok alapján ismertetjük, melyeken a találmány szerinti eljárás foganatosítására szolgáló berendezés elvi sémáját és egy kiviteli alakját tüntettük fel.The invention will now be described in more detail with reference to the drawings, which show a schematic diagram and an embodiment of a device for carrying out the process of the invention.

Az 1. ábrán látható elvi vázlaton a 10 lézer fényforrás fényét a 11 nyalábosztóval kettéosztjuk. A fény egyik részét a 14 kivetítő optikai rendszerrel a 18 visszaszóró objektumra vetítjük, a visszaszórt fényt a 15 érzékelő optikai rendszerrel és a 19 segéd osztótükörrel a 16 fényérzékelőre vetítjük. A fény másik részét a 12 forgó radiális- vagy hengerrácsra vetítjük, ahonnan a diffraktált fényt a 13 segédtükör felhasználásával a szórt fénnyel koherens módon - azaz úgy, hogy a két fénynyaláb közötti szög kisebb, mint X/2D (ahol λ a fény hullámhossza, D a fényérzékelő átmérője) a 16 fényérzékelőre vetítjük. Ha a 10 lézer fényforrás fényének frekvenciája f, és a forgó 12 radiális- vagy hengerrácsról diffraktált fény frekvenciája P, akkor a 16 fényérzékelő Af = f-P frekvenciájú elektromos jelet szolgáltat, melyet 17 jelfeldolgozó rendszerbe vezetünk.In the schematic diagram of Fig. 1, the light of the laser light source 10 is divided by the beam splitter 11. A portion of the light is projected onto the reflector 18 by the projection optical system 14, and the reflected light is projected onto the light detector 16 by the sensor optical system 15 and the auxiliary divider 19. The other part of the light is projected onto the rotating radial or cylindrical lattice 12, from which the diffracted light is then coherent with the diffused light using the auxiliary mirror 13 - i.e., the angle between the two light beams is less than X / 2D (where λ is the wavelength of light the diameter of the light sensor) is projected onto the light sensor 16. If the light source 10 of the laser light source 10 has a frequency of f and the frequency of light diffracted from the rotating radial or cylindrical lattice 12, the light sensor 16 provides an electrical signal of frequency Af = f-P, which is fed to a signal processing system 17.

A forgó radiális rács frekvenciatolásának magyarázatára a 2. ábra szolgál, amelyen a radiális rács működése látható. A hengerrács működése ehhez hasonló. A radiális rács egy síkon egy pont felé mutató körben elhelyezkedő csíkokból áll. A hengerrács egy henger palástján az alkotóval párhuzamos csíkokból áll. A 12 radiális rács ω szögsebességgel forog egy a síkjára merőleges tengely körül. A 21 beeső lézerfény egy része reflektálódik, ez a 22 0-ad rend. A rácson fellépő diffrakció miatt a fény más részei nem a reflexiós irányba haladnak tovább, hanem azzal szöget bezárva magasabb rendekbe diffraktálódnak. A 2. ábrán a 23 „ + 1-edik” rend és a 24„ - 1-edik” rend van feltüntetve. A magasabb rendeknek a reflexiós iránytól való eltérését a jól ismert sin0-sin0_o = dAn explanation of the frequency shift of the rotating radial grid is shown in Figure 2, which shows the operation of the radial grid. The roller grille works like this. The radial grid is made up of strips in a circle that points towards a point. The cylinder grid consists of strips parallel to the component on the periphery of a cylinder. The radial grid 12 rotates about an axis perpendicular to its plane at an angular velocity ω. A portion of the incident laser light 21 is reflected, the order 22 0. Due to diffraction on the grid, other parts of the light do not propagate further in the direction of reflection, but diffract into higher orders at an angle. Figure 2 shows the order "+ 1" and order 24 "- 1". The deviation of higher orders from the direction of reflection is well-known sin0-sin0 _o = d

kifejezés adja, ahol 0_O a reflexiós irány szöge, 0 a diffrakciós szög, m a rendszám (első rendben m = ± 1), d pedig a rácsállandó. Ha a 21 beeső lézerfénynek a 12 radiális ráccsal vett döféspontjawhere 0 _{O is} the angle of the reflection direction, 0 is the diffraction angle, today is the order number (first order m = ± 1), and d is the lattice constant. If the point of penetration of the incident laser light 21 by the radial grid 12

-2t .187 168 r távolságra van a forgástengelytől, akkor az első rendnek frekvenciája f = f±^.-2t. 187 168 r from the axis of rotation, the frequency of the first order is f = f ± ^.

d . ld. l

Ha a + vagy - 1-edik rendet vetítjük az 1. ábra szerinti 13 segédtükörrel a 16 fényérzékelőre, akkor τω a különbségi frekvencia Af = — lesz. 1 dIf the + or - 1 order is projected onto the light sensor 16 by the auxiliary mirror 13 of Figure 1, then τω is the difference frequency Af = -. 1 day

A találmány szerinti eljárás foganatosítására szolgáló berendezés egy kiviteli alakja látható a 3. ábrán. A 31 optikai rendszert használjuk a 10 lézer 1 fényforrás fénye egy részének kivetítésére és egyben a 32 v sebességgel mozgó objektumról visszaszórt fény összegyűjtésére is. A 16 fényérzékelő kimenetén megjelenő elektromos jel különbségi frekvenciája ilyenkor Af = ~ ± ~ lesz, ahol v„ av sebesd λ ségnek a megvilágító fény irányába eső komponense. A Af mérésével lehetőség van a v_n előjelhelyes mérésére.An embodiment of the apparatus for carrying out the process of the invention is shown in Figure 3. The optical system 31 is also used to project a portion of the light 1 from the laser light source 10 and also to collect light bounced from an object moving at a velocity of 32 v. The difference frequency of the electric signal at the output of the light sensor 16 will then be Af = ~ ± ~, where v is the component of the velocity λ in the direction of the illuminating light. By measuring Af, it is possible to measure v _{n with a} sign.

A találmány szerinti eljárás és berendezés előnye- ²it a következőkben lehet összefoglalni. Lehetőséget ad visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására álló, vagy mozgó objektumról történő szórás esetén. A különbségi frekvencia a forgó radiális- vagy hengerrács szögsebességének változtatásával egy- 2 szerűen változtatható. A forgó radiális, vagy hengerrács széles hullámhossz tartományban azonos felépítésű berendezés alkalmazásával teszi lehetővé az optikai heterodyn detektálást. A berendezéssel mozgó objektumok előjelhelyes sebessége mérhető. ΣThe method and apparatus of the invention their advantage ² it can be summarized as follows. Allows you to detect diffused laser light when scattering from a stationary or moving object. The difference frequency can simply be varied by varying the angular velocity of the rotating radial or cylindrical lattice. The rotating radial or cylindrical lattice allows optical heterodynamic detection using a single structure over a wide wavelength range. The device can measure the speed of objects moving around at a sign. Σ

Claims

A method for detecting a backscattered laser light heterodyn, wherein a portion of the light from the laser light source (10) is projected onto the scattering object (18) by the projection optical system (14) and projected onto the light sensor (16) by a sensing optical system (15). characterized in that the other part of the light from the laser light source (10) is projected onto a rotating radial or cylindrical grid (12) and diffracted light therefrom is also coherent with the light projected onto the light sensor (16) by the sensor optical system (15). projecting to the light sensor (16) and detecting an electrical signal at the output of the light sensor (16).

A process according to claim 1, characterized by. said light being diffracted from said rotating radial or cylindrical lattice (12) onto said light sensor (16).

Method according to claim 1, characterized in that the rotating radial or cylindrical lattice (12) is projected onto the light sensor (16) in the most intensively orderly diffracted light corresponding to the profile.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that an optical system (14) projecting part of the light of the laser light source (10) is used to collect the light scattered from the bounce object (18).

5. Equipment according to Figs. A method according to any one of claims 1 to 4 for detecting a heterodynamic laser light having a laser light source (10), an output beam providing a first and second light paths, an optical system in the first light path, and auxiliary dividers for the third and fourth light paths. a light path sensor optical system, and a fourth light path sensor and a signal processing unit connected to an output thereof, wherein the projection optical system and the sensor optical system are in optical communication with a reflector object, characterized in that the beam splitter (11) and the light sensor (16). ) includes a rotating radial or cylindrical lattice (12) positioned in the optical path between the two.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the rotating radial grid (12) consists of metal strips evaporated on glass.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the rotating radial or cylindrical grid (12) consists of lines scratched on metal.

8. Figures 5-7. Apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the projector optical system (14) and the sensor optical system (15) are a mirror telescope.