RU2085841C1

RU2085841C1 - Two-frequency interferometric system for measurement of linear movements

Info

Publication number: RU2085841C1
Application number: RU94038352A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Багаев; В.А. Орлов; А.Ю. Рыбушкин; В.М. Семибаламут; Ю.Н. Фомин
Original assignee: Институт лазерной физики СО РАН
Priority date: 1994-10-11
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 1997-07-27
Also published as: RU94038352A

Abstract

FIELD: laser measurement technology. SUBSTANCE: two-frequency interferometric system incorporates laser sources, corner reflector coupled to object, two optical mixers, two photodetectors, electron unit for frequency-phase automatic adjustment which first and second inputs are linked to outputs of second photodetector and generator and which output is connected to piezoelement of second laser source and reversible counter which two inputs are coupled to outputs of first and second photodetectors. System is provided with second corner reflector, third optical mixer, third photodetector, additional piezoelement, high-voltage amplifier and phase detector which two inputs are connected to outputs of second and third photodetectors and which output is coupled to input of high-voltage amplifier which output is connected to additional piezoelement coupled to first laser source. First corner reflector and optical mixer optically couple first outputs of laser sources to first photodetector and form measuring optical arm of interferometer. Second optical mixer optically couples second outputs of laser sources with second photodetector and forms reference optical channel of frequency-phase referencing. Third optical mixer and second corner reflector couple second outputs of laser sources to third photodetector and form compensating optical arm of interferometer. EFFECT: generation of direct signal of movement with simultaneous simplification of registration system, increase of its reliability and reduced cost. 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной измерительной технике, а именно к интерферометрическим устройствам измерения линейных перемещений и может быть использовано в геофизике для регистрации деформационных смещений земной коры, точном машиностроении для контроля размеров и формы различных деталей, метрологии для аттестации существующих квантово-оптических измерительных средств и пр. The invention relates to laser measuring equipment, namely to interferometric devices for measuring linear displacements and can be used in geophysics to register deformation displacements of the earth's crust, precision engineering for controlling the size and shape of various parts, metrology for certification of existing quantum-optical measuring instruments, etc.

Известно устройство для измерения линейных перемещений, включающее первый и второй лазерные источники света, концевой уголковый отражатель, первый и второй фотоприемники, реверсивный счетчик, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым фотоприемниками соответственно, при этом система снабжена электронным блоком, частотно-фазовой автоматической подстройки, пьезоэлементом, связанным со вторым лазерным источником света, стабильным радиогенератором так, что первый и второй входы электронного блока частотно-фазовой автоматической подстройки соединены с выходами второго фотоприемника и стабильного радиогенератора соответственно, а выход с пьезоэлементом (авт. св. N 1362923, кл. G 01 B 21/00 Б.И. N 48, 1987). A device for measuring linear displacements is known, including a first and second laser light sources, an end angle reflector, a first and second photodetectors, a reverse counter, the first and second inputs of which are connected to the first and second photodetectors, respectively, while the system is equipped with an electronic unit, frequency-phase automatic adjustment, a piezoelectric element associated with a second laser light source, a stable radio generator so that the first and second inputs of the electronic unit of the frequency-phase automaton The adjustments are connected to the outputs of the second photodetector and a stable radio generator, respectively, and the output with a piezoelectric element (ed. St. N 1362923, class G 01 B 21/00 B.I. N 48, 1987).

Вследствие влияния воздушной среды в измерительном плече известной интерферометрической системы и частотной нестабильности лазерного излучения, чувствительность системы снижается на порядки, особенно при удалении объекта на большие расстояния. Due to the influence of the air in the measuring arm of the known interferometric system and the frequency instability of laser radiation, the sensitivity of the system decreases by orders of magnitude, especially when moving an object over long distances.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является известная двухчастотная интерферометрическая система для изменения линейных перемещений. The closest in technical essence and the achieved effect to the invention is the well-known two-frequency interferometric system for changing linear displacements.

Техническим результатом является получение прямого сигнала перемещений при одновременном упрощении систем регистрации, повышении ее надежности и уменьшения ее стоимости. The technical result is to obtain a direct movement signal while simplifying registration systems, increasing its reliability and reducing its cost.

В основу изобретения поставлена задача такого изменения конструкции системы, которая позволяет с помощью сигнала обратной связи в аналоговом виде управлять частотой одного из лазеров и, следовательно, компенсировать фазовый набег, обусловленный вариациями показателя преломления воздуха в измерительном плече системы. The basis of the invention is the task of such a change in the design of the system, which allows using the feedback signal in analog form to control the frequency of one of the lasers and, therefore, compensate for the phase shift due to variations in the refractive index of air in the measuring arm of the system.

Результат достигается за счет того, что двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений, содержащая первый и второй лазерные источники света6 уголковый отражатель связываемый с объектом, первый 4,5 и второй 6 и 7 оптические смесители, два фотоприемника 8 и 9, радиогенератор 13, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки 11, первый и второй входы которого связаны с выходами второго фотоприемника 9 и генератора 13, а выход с пьезоэлементом 1 второго лазерного источника света 2, и реверсивный счетчик 10, два входа которого связаны с выходами первого 8 и второго 9 фотоприемников, снабжена вторым уголковым отражателем 14, третьим оптическим смесителем 15 и 16, третьим фотоприемником 17, дополнительным пьезоэлементом 20, высоковольтным усилителем 19 и фазовым детектором 18, два входа которого соединены соответственно с выходами второго 9 и третьего 17 фотоприемников, а выход со входом высоковольтного усилителя 19, выход которого соединен с дополнительным пьезоэлементом 20, связанным с первым лазерным источником 1, при этом, первый уголковый отражатель 3 и оптический смеситель 4 и 5 оптически связывают первые выходы лазерных источников 1 и 2 с первым фотоприемником 8 и образуют измерительное оптическое плечо интерферометра, второй оптический смеситель 6 и 7 оптически связывает вторые выходы лазерных источников света 1 и 2 с вторым фотоприемником 9 и образуют опорный оптический канал частотно-фазовый привязки, а третий оптический смеситель 15 и 16 и второй уголковый отражатель 14 связывают вторые выходы лазерных источников 1 и 2 с третьим фотоприемником 17 и образуют компенсационное оптическое плечо интерферометра. The result is achieved due to the fact that the two-frequency interferometric system for measuring linear displacements, containing the first and second laser light sources, 6 an angular reflector associated with the object, the first 4,5 and second 6 and 7 optical mixers, two photodetectors 8 and 9, a radio generator 13, electronic frequency-phase automatic adjustment unit 11, the first and second inputs of which are connected to the outputs of the second photodetector 9 and generator 13, and the output with the piezoelectric element 1 of the second laser light source 2, and a reversible counter 1 0, the two inputs of which are connected with the outputs of the first 8 and second 9 photodetectors, is equipped with a second corner reflector 14, a third optical mixer 15 and 16, a third photodetector 17, an additional piezoelectric element 20, a high-voltage amplifier 19 and a phase detector 18, the two inputs of which are connected respectively to the outputs of the second 9 and third 17 photodetectors, and the output with the input of the high-voltage amplifier 19, the output of which is connected to an additional piezoelectric element 20 associated with the first laser source 1, while the first corner reflector l 3 and an optical mixer 4 and 5 optically couple the first outputs of the laser sources 1 and 2 with the first photodetector 8 and form the measuring optical arm of the interferometer, the second optical mixer 6 and 7 optically connects the second outputs of the laser light sources 1 and 2 with the second photodetector 9 and form the reference optical channel is a frequency-phase reference, and the third optical mixer 15 and 16 and the second corner reflector 14 connect the second outputs of the laser sources 1 and 2 with the third photodetector 17 and form a compensation optical the shoulder of the interferometer.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема двухчастотной интерферометрической системы для измерения линейных перемещений; на фиг. 2 показан пример записи деформационного сигнала. In FIG. 1 is a schematic diagram of a two-frequency interferometric system for measuring linear displacements; in FIG. 2 shows an example of recording a deformation signal.

Интерферометрическая система содержит первый 1 и второй 2 лазерные источники света, уголковый отражатель 3, предназначенный для связи с объектом, первый оптический смеситель 4 и 5 в виде двух светоделительных зеркал и 6 и 7 дополнительный оптический смеситель из двух зеркал, фотоприемники 8 и 9, установленные соответственно на выходах первого 4 и 5 и дополнительного 6 и 7 оптических смесителей, реверсивный счетчик 10, электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки 11, пьезоэлемент 12 и радиогенератор 13. Пьезоэлемент 12 связан со вторым лазерным источником света 2, первый и второй входы электронного блока частотно-фазовой автоматической подстройки 11 соединены с выходами фотоприемника 9 и радиогенератора 13, а выход с пьезоэлементом 12, второй уголковый отражатель 14 и второй оптический смеситель 15 и 16, выполненный в виде двух светоделительных зеркал, установленных, соответственно, в первом и втором световых потоках, фотоприемник 17 и фазовый детектор 18; высоковольтный усилитель 19 и дополнительный пьезоэлемент 20, при этом вход высоковольтного усилителя 19 подключен к выходу фазового детектора 18, а его выход к дополнительному пьезоэлементу 20, который связан с первым лазерным источником света 1. The interferometric system contains the first 1 and second 2 laser light sources, an angle reflector 3, designed to communicate with the object, the first optical mixer 4 and 5 in the form of two beam-splitting mirrors and 6 and 7 an additional optical mixer of two mirrors, photodetectors 8 and 9, installed respectively, at the outputs of the first 4 and 5 and additional 6 and 7 optical mixers, a reversible counter 10, an electronic frequency-phase automatic adjustment unit 11, a piezoelectric element 12 and a radio generator 13. The piezoelectric element 12 is connected to the second laser light source 2, the first and second inputs of the electronic unit of the frequency-phase automatic adjustment 11 are connected to the outputs of the photodetector 9 and the radio generator 13, and the output with the piezoelectric element 12, the second corner reflector 14 and the second optical mixer 15 and 16, made in the form of two beam splitting mirrors installed respectively in the first and second light fluxes, a photodetector 17 and a phase detector 18; a high-voltage amplifier 19 and an additional piezoelectric element 20, while the input of the high-voltage amplifier 19 is connected to the output of the phase detector 18, and its output to an additional piezoelectric element 20, which is connected with the first laser light source 1.

Двухчастотная интерферометрическая система работает следующим образом. Излучение первого лазерного источника 1 частоты 1 посылается через атмосферу на уголковый отражатель 3, жестко связанный с перемещающимся объектом и возвращается назад в систему на первый оптический смеситель. Оптический путь до уголкового отражателя 3 и обратно составляет

где

- среднеинтегральный показатель преломления воздуха на трассе распространения лазерного луча, а L геометрическая длина измерительного плеча. В первом оптическом смесителе, состоящем из светоделительных зеркал 4 и 5, производится пространственное совмещение волновых фронтов, вернувшегося от объекта излучения первого лазера 1 и излучения второго лазера 2, имеющего частоту ν2. Общий световой поток на выходе первого оптического смесителя 4 и 5 детектируется на фотоприемнике 8. Аналогичное фотосмешение световых потоков различной частоты производится на фотоприемнике 9, установленном на выходе дополнительного оптического смесителя, состоящего из светоделительных зеркал 6 и 7. Перемещение уголкового отражателя 3, укрепленного на движущемся объекте приводит к доплеровскому изменению частоты, отраженного от него светового потока. На фотоприемнике 8 выделяется сигнал с частотой, отличающейся от исходной разности частот лазерных источников на величину доплеровского сдвига определяемого скоростью движения объекта. Исходная же разность лазерных частот определяется частотой биений фототока, на выходе фотоприемника 9. Для нормальной работы системы разность частот лазерных источников стабилизируется с высокой точностью с помощью электронного блока 11 частотно-фазовой автоматической подстройки. Для этого на два входа электронного блока 11 подается сигнал со второго фотоприемника 9 на частоте ν1-ν2 где ν1 и ν2 - оптические частоты и сигнал от стабильного радиогенератора на частоте F₀. Электронный блок 11 вырабатывает управляющее напряжение, пропорциональное разности частот F_o-(ν1-ν2) и подает его на первый пьезоэлемент 12, управляющий частотой второго лазера. При этом частота лазерного источника света 2 изменяется таким образом, чтобы разность частот ν1-ν2 была с фазовой точностью равна частоте F₀ радиогенератора 13. Сигналы от фотоприемников 8 и 9 поступают на реверсивный счетчик 10, регистрирующий перемещение в виде набега фазы, путем измерения целого числа и дробной части фазовых циклов. При перемещении уголкового отражателя 3 на величину λ/2 где λ длина волны лазерного излучения, разность фаз сигналов биений двух фотоприемников 8 и 9 совершает один полный цикл, т.е. изменяется на 2П. За время измерения t фазовый набег, регистрируемый реверсивным счетчиком 10 определяется выражением:
Dv_c= 2πΔL(t)/λ_эфф (1)
где

перемещение объекта за время t со скоростью V, а λ_эфф.
эффективная длина волны излучения в воздухе, определяемая соотношением

в котором C скорость света в вакууме, ν частота излучения, а

- среднеинтегральный показатель преломления воздушной среды в измерительном плече системы. Чтобы система имела большую чувствительность к измерению малых перемещений на больших расстояниях необходимо с высокой точностью исключать влияние изменений показателя преломления воздуха и частот лазерного излучения на результат измерений. Эту роль в системе выполняет компенсационное плечо, образованное вторым концевым отражателем 14, установленным в излучение первого лазерного источника света 1 и светоделительными зеркалами второго оптического смесителя 15 и 16. Изменение фазы радиосигнала, выделяемого на фотоприемнике 17 регистрируется путем подачи его наряду с сигналом от фотоприемника 9 на фазовый детектор 18. Благодаря наличию в системе высоковольтного усилителя 19 и дополнительного пьезоэлемента 20 в системе функционирует еще одна петля обратной связи, в которой любое отклонение фазы ΔΦ_o вызванное изменением показателя преломления

воздуха в компенсационном плече длиной 1 автоматически компенсируется за счет подачи напряжения на дополнительный пьезоэлемент 20, управляющий частотой ν1 первого лазера 1 так, что для выражения (2) выполняется условие:

что эквивалентно
λ_эфф.= const (4)
Согласно (4) выражение (1) описывает величину регистрируемого перемещения, свободную от влияния воздушной среды и нестабильности частот лазерных источников.Two-frequency interferometric system operates as follows. The radiation of the first laser source 1 of frequency 1 is sent through the atmosphere to the corner reflector 3, rigidly connected with the moving object and returned back to the system to the first optical mixer. The optical path to the corner reflector 3 and back is

Where

is the average integral refractive index of air on the propagation path of the laser beam, and L is the geometric length of the measuring arm. In the first optical mixer, consisting of beam splitting mirrors 4 and 5, a spatial combination of wave fronts is made, returning from the object the radiation of the first laser 1 and the radiation of the second laser 2, having a frequency ν2. The total luminous flux at the output of the first optical mixer 4 and 5 is detected at the photodetector 8. A similar photo-mixing of the light fluxes of different frequencies is performed at the photodetector 9 installed at the output of the additional optical mixer, consisting of beam splitting mirrors 6 and 7. Moving the corner reflector 3 mounted on a moving the object leads to a Doppler change in the frequency of the light flux reflected from it. A signal with a frequency different from the initial frequency difference of the laser sources by the value of the Doppler shift determined by the speed of the object is isolated at the photodetector 8. The initial laser frequency difference is determined by the beat frequency of the photocurrent at the output of the photodetector 9. For normal operation of the system, the frequency difference of the laser sources is stabilized with high accuracy using the electronic unit 11 of the frequency-phase automatic adjustment. To this end, a signal from the second photodetector 9 at a frequency ν1-ν2 where ν1 and ν2 are optical frequencies and a signal from a stable radio generator at a frequency F ₀ is supplied to the two inputs of the electronic unit 11. The electronic unit 11 generates a control voltage proportional to the frequency difference F _o - (ν1-ν2) and supplies it to the first piezoelectric element 12, which controls the frequency of the second laser. The frequency of the laser light source 2 is changed so that the frequency difference ν1-ν2 with phase accuracy is equal to the frequency F _{0 of the} radio generator 13. The signals from the photodetectors 8 and 9 are fed to a reversible counter 10, recording movement in the form of phase incursion, by measuring the whole numbers and fractional parts of phase cycles. When the corner reflector 3 is moved by λ / 2, where λ is the wavelength of the laser radiation, the phase difference of the beat signals of two photodetectors 8 and 9 completes one complete cycle, i.e. changes to 2P. During the measurement time t, the phase incursion recorded by the reversible counter 10 is determined by the expression:
Dv _c = 2πΔL (t) / λ _eff (1)
Where

moving an object in time t at a speed V, and λ _eff.
effective wavelength of radiation in air, determined by the ratio

in which C is the speed of light in vacuum, ν is the radiation frequency, and

- the average integral refractive index of the air in the measuring arm of the system. In order for the system to be more sensitive to measuring small displacements at large distances, it is necessary to exclude with high accuracy the influence of changes in the refractive index of air and laser radiation frequencies on the measurement result. This role in the system is played by the compensation arm formed by the second end reflector 14 installed in the radiation of the first laser light source 1 and beam-splitting mirrors of the second optical mixer 15 and 16. The phase change of the radio signal emitted at the photodetector 17 is recorded by supplying it along with the signal from the photodetector 9 to the phase detector 18. Due to the presence of a high-voltage amplifier 19 and an additional piezoelectric element 20 in the system, another feedback loop operates in which any phase deviation ΔΦ _o caused by a change in the refractive index

of air in a compensation arm of length 1 is automatically compensated by applying voltage to an additional piezoelectric element 20, which controls the frequency ν1 of the first laser 1 so that the condition is satisfied for expression (2):

which is equivalent
λ _eff. = const (4)
According to (4), expression (1) describes the magnitude of the recorded displacement, free from the influence of the air and the instability of the frequencies of laser sources.

В Институте лазерной физики СО РАН разработан и создан опытный образец двухчастотной интерферометрической системы для геодинамического мониторинга земной коры с целью регистрации деформационных предвестников землетрясений. В настоящее время система с длиной измерительного плеча L=25 эксплуатируется в геофизической штольне на сейсмической станции "Талая" (Иркутская область), где проводятся систематические деформографичиские наблюдения. В качестве источников излучения в ней используется два He-Ne лазера мощностью излучения W= 1 мВт на рабочей длине волны λ0,63 мкм. Роль фотоприемников выполняют фотодиоды ФД-9-Э-111А, а в качестве генератора опорной частоты служит ГЗ-110. Электронный блок частотно-фазовой автоматической подстройки обеспечивает стабильность разностной частоты излучения лазеров в 1 МГц с фазовой точностью 10^**(-3) рад. Фазовый электрический сигнал, пропорциональный перемещению, регистрируется специально разработанным реверсивным счетчиком с чувствительностью (дискретностью отсчета) 2П/1024. Компенсационное оптическое плечо длиной 1,2 м смонтировано на инваровой штанге с температурным коэффициентом линейного расширения 8•10^**(-7) 1/град. и снабженной дополнительным механическим узлом пассивной термокомпенсации. Дополнительный пьезоэлемент, управляющий длиной резонатора первого лазерного источника, обеспечивает перестройку частоты первого светового потока с чувствительностью g1,1 МГц/В.A prototype of a two-frequency interferometric system for geodynamic monitoring of the earth's crust was developed and created at the Institute of Laser Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences in order to register deformation precursors of earthquakes. Currently, a system with a measuring arm length of L = 25 is being operated in a geophysical adit at the Talaya seismic station (Irkutsk Region), where systematic deformographic observations are carried out. It uses two He-Ne lasers as radiation sources with a radiation power of W = 1 mW at a working wavelength of λ0.63 μm. The role of photodetectors is performed by the FD-9-E-111A photodiodes, and the GZ-110 serves as a reference frequency generator. The frequency-phase automatic adjustment electronic unit ensures stability of the difference frequency of laser radiation of 1 MHz with a phase accuracy of 10 ^** (-3) rad. A phase electric signal proportional to the movement is recorded by a specially designed reversible counter with a sensitivity (readability) of 2P / 1024. The compensating optical arm 1.2 m long is mounted on an invar rod with a temperature coefficient of linear expansion of 8 • 10 ^** (-7) 1 / deg. and equipped with an additional mechanical unit for passive thermal compensation. An additional piezoelectric element controlling the length of the resonator of the first laser source provides frequency tuning of the first light flux with a sensitivity of g1.1 MHz / V.

Применяемый нами фазовый детектор имеет коэффициент преобразования K=10 В/рад. что позволило достичь чувствительности на уровне 6•10^**(-4) рад. При этих параметрах системы относительная стабильность длины волны составила величину δλ/λ ≃ 10^**(-4)(λ/21)2,5•10^**(-11). Стабилизация длины волны излучения в компенсационном плече системы с помощью введения кольца обратной связи позволяет автоматически стабилизировать длину волны излучения в измерительном плече и тем самым проводить прямую регистрацию сигнала деформации земной коры, свободного от влияния воздушной среды и нестабильности частот лазерных источников. Пример записи деформационного сигнала в штольне представлен на фиг.2, где показан фрагмент естественного деформационного процесса в земной коре, обусловленного приливным совместным действием Луны и Солнца с периодом колебаний около 12 ч и амплитудой -0,25 мкм.The phase detector used by us has a conversion coefficient K = 10 V / rad. which allowed us to achieve a sensitivity of 6 • 10 ^** (-4) rad. With these system parameters, the relative wavelength stability was δλ / λ ≃ 10 ^** (-4) (λ / 21) 2.5 • 10 ^** (-11). Stabilization of the radiation wavelength in the compensation arm of the system by introducing a feedback ring allows you to automatically stabilize the radiation wavelength in the measuring arm and thereby directly record the deformation signal of the earth's crust, free from the influence of the air and the instability of the frequencies of laser sources. An example of recording a deformation signal in an adit is shown in Fig. 2, which shows a fragment of a natural deformation process in the earth's crust caused by the tidal joint action of the Moon and the Sun with an oscillation period of about 12 hours and an amplitude of -0.25 μm.

Использование изобретения позволяет автоматически исключить влияние протяженной воздушной среды и частотной нестабильности лазерных источников на результат измерения деформационных смещений. Предлагаемая система существенно проще и надежнее6 чем известные, и позволяет вести прямую регистрацию перемещений в реальном масштабе времени. Using the invention allows to automatically exclude the influence of an extended air medium and frequency instability of laser sources on the result of measuring deformation displacements. The proposed system is much simpler and more reliable6 than the known ones, and allows direct registration of movements in real time.

Claims

A two-frequency interferometric system for measuring linear displacements, containing the first and second laser light sources, an angle reflector connected to the object, the first and second optical mixers, two photodetectors, a radio generator, an electronic frequency-phase automatic adjustment unit, the first and second inputs of which are connected to the outputs the second photodetector and generator, and the output with the piezoelectric element of the second laser light source, and a reversible counter, two inputs of which are connected with the outputs of the first and second light detectors, characterized in that it is equipped with a second corner reflector, a third optical mixer, a third photodetector, an additional piezoelectric element, a high voltage amplifier and a phase detector, the two inputs of which are connected respectively to the outputs of the second and third photodetectors, and the output is connected to the input of the high voltage amplifier, the output of which is connected with an additional piezoelectric element connected to the first laser source, while the first corner reflector and the optical mixer optically connect the first outputs The laser sources with the first photodetector form the measuring optical arm of the interferometer, the second optical mixer optically couples the second outputs of the laser light sources with the second photodetector and forms the reference optical channel for frequency-phase reference, and the third optical mixer and the second corner reflector connect the second outputs of the laser sources with the third photodetector and form the compensation optical arm of the interferometer.