RU2116659C1 - Лазерно-интерферометрический детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим детекторам гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации и может быть использовано для измерения первой производной потенциала гравитационного поля Земли, например напряженности гравитационного поля, или, что то же, ускорения свободного падения. Сущность изобретения заключается в том, что в лазерно-интерферометрическом детекторе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации введены элементы: первой и второй дифракционных решеток, поляризационной призмы и поляризатора, а также используется только один активный элемент, содержащий рабочую среду и обеспечивающий генерацию линейно поляризованного света с ортогональными плоскостями поляризации в двух разных линейных резонаторах, имеющих общее выходное зеркало. 1 ил.

Description

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим детекторам гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации и может быть использовано для измерения первой производной потенциала гравитационного поля Земли, например напряженности гравитационного поля или, что то же, ускорения свободного падения.

Известны методы измерения напряженности гравитационного поля [1]: динамический, в котором мерой напряженности гравитационного поля являются параметры движения в нем; статический, в котором мерой напряженности гравитационного поля служит изменение положения статического равновесия тела, подвергающегося действию силы тяжести и силы, принятой за эталон; потенциальный, в котором определяется изменение потенциала гравитационного поля между двумя точками по изменению частоты электромагнитных волн. Измерения силы тяжести делятся на абсолютные, при которых определяется полное значение модуля напряженности поля силы тяжести, и относительные, особенностью которых является то, что определяется разность модулей напряженности поля силы тяжести отдельных пунктов.

Известны устройства [1, 2] для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения - так называемые "баллистические гравиметры", состоящие из вакуумной трубы, уголкового отражателя, который может свободно падать в этой вакуумной трубе, стабилизированного газового лазера, фоторегистрирующего устройства и счетного блока. В устройствах этого типа об ускорении свободного падения судят по измерениям времени прохождения свободно падающим уголковым отражателем известного расстояния. Однако баллистические гравиметры весят несколько сотен килограммов, требуют поддержания в течение длительного времени высокого вакуума ≈ 6•10^-2 Па, а для достижения высокой точности ≈ 0,01 мГал время наблюдения должно составлять несколько суток. (Здесь использована традиционная практически используемая внесистемная единица "миллигал": 1Гал=1см/с^-2, 1мГал=1•10^-3).

Известны [1] устройства для проведения относительных измерений напряженности гравитационного поля, при которых определяется приращение модулей напряженности поля силы тяжести отдельных пунктов. Для относительных измерений применяют и динамический, и статический методы.

Относительные измерения напряженности гравитационного поля динамическим методом осуществляются маятниковым прибором ("Агат") [1]. Он представляет собой двухмаятниковый термостатированный вакуумированный прибор, в котором колебания двух маятников, колеблющихся в противофазе, регистрируют с использованием электронных счетных устройств. По изменению периода колебаний маятников судят об изменении напряженности гравитационного поля. За счет большого числа измерений среднюю квадратичную погрешность измерения таким устройством можно довести до величин порядка 0,02 мГал.

Относительные измерения напряженности гравитационного поля статическим способом осуществляют главным образом пружинными гравиметрами [1]. В них сила тяжести сравнивается с эталонной силой, в качестве которой чаще всего выступает сила деформации твердого тела (пружины). В применяемых в настоящее время гравиметрах, как правило, имеются чувствительный элемент, индикатор малых перемещений, устройство для измерения изменения напряженности поля, устройства для компенсации внешних помех. Однако точность даже лучших гравиметрических устройств такого типа достигает величин всего порядка 10 мкГал.

Кроме пружинных гравиметров для относительных измерений используют струнные гравиметры [1]. В них о напряженности гравитационного поля судят по частоте поперечных колебаний струны, один конец которой закреплен, а на другом подвешен груз.

Основным недостатком перечисленных приборов является их слабая устойчивость к влиянию внешних помех таких, как влияние ускорений и вибраций, влияние температуры, влажности, атмосферного давления и т.д. К числу недостатков относятся также ограниченный диапазон измерений, большое время, необходимое для проведения точных наблюдений, а для пружинных гравиметров также и смещение нуль-пункта прибора. Это смещение вызывается деформацией чувствительных пружин гравиметра.

Известно устройство для измерения первой производной потенциала гравитационного поля Земли, основанное на потенциальном методе измерений, представляющее собой лазерно-интерферометрический детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации [3]. Это устройство является наиболее близким к заявляемому и потому выбрано в качестве прототипа. Оно включает два активных элемента, содержащих рабочие среды для обеспечения генерации оптического излучения, первое глухое и первое частично-пропускающее зеркала, образующие вместе с первым активным элементом, содержащим рабочую среду, первый резонатор, второе глухое зеркало и второе частично-пропускающее зеркало, образующие вместе со вторым активным элементом, содержащим рабочую среду, второй резонатор, расположенный параллельно первому, третье глухое зеркало и полупрозрачную диэлектрическую пластину, служащие для совмещения лазерных пучков на фотоприемном устройстве. Глухие и частично-пропускающие зеркала обоих резонаторов и активные элементы, содержащие рабочие среды, жестко закреплены на едином основании для того, чтобы обеспечить синхронность колебаний зеркал обоих лазеров, вызванных внешними возмущениями (акустическими, вибрационными, температурными и др.). Принцип действия такого устройства основан на явлении гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации лазера [3]. Сущность этого явления заключается в том, что частота генерации лазера зависит от величины гравитационного потенциала и меняется в зависимости от изменения этого потенциала. Если два идентичных лазера поместить в точках с одинаковыми значениями гравитационного потенциала, то их частоты будут совпадать и, следовательно, интерференционная картина от лучей обоих лазеров, образующаяся на входе в фотоприемное устройство будет неподвижной. Если повернуть основание с закрепленными на нем лазерами так, чтобы лазеры, оставаясь горизонтальными, оказались в точках с разными значениями гравитационного потенциала, то частоты генерации лазеров будут различными, и интерференционные полосы на входе фотоприемного устройства станут двигаться в одну сторону с постоянной скоростью.

Однако в известном лазерном детекторе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации наличие некоррелированных шумов в двух разных рабочих средах активных элементов, обусловленных флуктуациями частоты генерации из-за спонтанных излучений, приводит к нестабильности интерференционной картины и, следовательно, как к заметному снижению чувствительности прибора, так и уменьшению его точности. Кроме того, известное техническое решение не обладает достаточной устойчивостью к внешним воздействиям вследствие того, что рабочие среды обоих активных элементов не могут одновременно находиться в строго идентичных внешних условиях. Известное решение обладает тем конструктивным недостатком, что имеет два активных элемента, содержащих две рабочие среды.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении следующего технического результата - повышение точности измерения и чувствительности устройства, устойчивость его к внешним воздействиям, при этом достигается решение дополнительной задачи - упрощение устройства и уменьшение его стоимости.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный лазерно-интерферометрический детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации, содержащий основание, активный элемент, содержащий рабочую среду, первое, второе и третье глухие зеркала, полупрозрачное зеркало, а также фотоприемник, для решения поставленной эадачи введены первая и вторая дифракционные решетки, поляризационная призма и поляризатор, причем по осевой линии основания размещены первое глухое зеркало, поляризационная призма, активный элемент, содержащий рабочую среду и полупрозрачное зеркало, при этом в плоскости первого глухого зеркала размещены первая и вторая дифракционные решетки, в плоскости полупрозрачного зеркала размещены второе и третье глухие зеркала, а один из выходов активного элемента с рабочей средой через поляризационную призму, первое и второе глухие зеркала оптически связан с первой дифракционной решеткой, тот же выход активного элемента - с рабочей средой через поляризационную призму, первое и третье глухие зеркала оптически связан со второй дифракционной решеткой, при этом второй выход активного элемента с рабочей средой через полупрозрачное зеркало и поляризатор оптически связан с входом фотоприемника, причем активный элемент, содержащий рабочую среду, зеркала, дифракционные решетки и поляризационная призма жестко закреплены на основании, а нормали к зеркалам и дифракционным решеткам, проходящие через их центры, параллельны осевой линии основания и лежат в одной плоскости.

В отличие от известного технического решения в заявленном устройстве оптическое излучение, выходящее из одного конца активного элемента, содержащего рабочую среду, проходит через поляризационную призму и разделяется на два луча (обыкновенный и необыкновенный), имеющие взаимно ортогональные плоскости поляризации. Оптическое излучение, соответствующее обыкновенному лучу, генерируется в первом резонаторе, который содержит полупрозрачное зеркало, активный элемент, содержащий рабочую среду, поляризационную призму, первое глухое зеркало, второе глухое зеркало и первую дифракционную решетку. Оптическое излучение, соответствующее необыкновенному лучу, генерируется во втором резонаторе, который содержит полупрозрачное зеркало, активный элемент, содержащий рабочую среду, поляризационную призму, первое глухое зеркало, третье глухое зеркало и вторую дифракционную решетку. Часть оптического излучения, выходящего из второго конца активного элемента, содержащего рабочую среду, проходит через полупрозрачное зеркало и попадает на поляризатор, который совмещает плоскости поляризации обоих лучей (ось пропускания поляризатора составляет равные углы с плоскостями поляризации лучей). На выходе поляризатора образуется интерференционное поле, которое регистрируется фотоприемником. Таким образом, в заявленном устройстве используется только один активный элемент, содержащий рабочую среду и обеспечивающий генерацию линейно поляризованного света с ортогональными плоскостями поляризации в двух разных линейных резонаторах, имеющих общее выходное зеркало. Шумы, которые возникают в рабочей среде активного элемента, скоррелированно присутствуют в обоих резонаторах и компенсируются при образовании интерференционной картины.

На чертеже представлено заявленное устройство. На осевой линии АБ основания 1 между выходным полупрозрачным зеркалом 9 и поляризационной призмой 3 расположен активный элемент с рабочей средой 2. При этом поляризационная призма 3 оптически связана с одним из выходов активного элемента с рабочей средой 2, а второй выход активного элемента с рабочей средой 2 оптически связан с выходным полупрозрачным зеркалом 9. Первое глухое зеркало 4 также расположено на осевой линии АБ. В плоскости зеркала 4 размещены первая 6 и вторая 8 дифракционные решетки, работающие в режиме автоколлимации. В плоскости полупрозрачного зеркала 9 расположены глухие зеркала 5 и 7. Поляризатор 10 оптически связан с полупрозрачным зеркалом 9 и входом фотоприемника 11. При этом активный элемент, содержащий рабочую среду 2, зеркала 4, 5, 7, 9, дифракционные решетки 6 и 8, поляризационная призма 3, жестко закреплены на едином основании 1. Все нормали к зеркалам и дифракционным решеткам, проходящие через их центры, параллельны осевой линии АБ основания 1 и лежат в одной плоскости.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение, выходящее из рабочей среды активного элемента 2 с полным набором поляризаций, проходит через поляризационную призму 3, которая разделяет оптическое излучение на обыкновенный и необыкновенный лучи, обладающие взаимно ортогональными поляризациями. Обыкновенный луч направляется в первый линейный резонатор, образованный из полупрозрачного зеркала 9, глухих зеркал 4, 5 и дифракционной решетки 6. Необыкновенный луч направляется во второй линейный резонатор, образованный из полупрозрачного зеркала 9, глухих зеркал 4, 7 и дифракционной решетки 8. При этом дифракционные решетки 6 и 8 работают в режиме автоколлимации, т.е. отраженные решетками лучи точно совпадают по направлению с падающими на них лучами, что необходимо для формирования резонаторов. Выходящие из резонаторов обыкновенный и необыкновенный лучи проходят через поляризатор 10, который совмещает их плоскости поляризаций (ось пропускания поляризатора 10 составляет равные углы с плоскостями поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей), образуя интерференционное поле, которое регистрируется фотоприемником 11. Интерференционное поле характеризуется последовательностью интерференционных полос, число и скорость передвижения которых определяется разностью частот световых волн. С помощью фотоприемника II измеряют скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о величине первой производной потенциала гравитационного поля Земли. Если идентичные резонаторы поместить в точках с одинаковыми значениями гравитационного потенциала, то частоты генерации этих резонаторов будут совпадать и, следовательно, интерференционная картина на входе фотоприемника 11 будет неподвижной. Если повернуть основание 1 вокруг осевой линии АБ так, чтобы резонаторы оказались в точках с различными значениями гравитационного потенциала, то частоты, генерируемые этими резонаторами, будут различными, и интерференционные полосы на входе фотоприемника 11 станут двигаться в одну сторону с постоянной скоростью. Жесткая связь элементов, образующих оба резонатора, с основанием 1 обеспечивает синхронность колебания всех зеркал и дифракционных решеток, вызванных внешними возмущениями. Таким образом, в заявленном устройстве, за счет использования единственного активного элемента с рабочей средой, удается заметно снизить уровень шумов и повысить устойчивость работы лазерного детектора гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации. Это позволит с большой точностью и в течение длительного времени измерять абсолютные значения первой производной (вертикальной, т.е. ускорения свободного падения, и горизонтальной) потенциала гравитационного поля Земли, проводить относительные измерения этой производной, а также проводить измерения временных вариаций первой производной.

Литература
1. Гравиразведка: Справочник геофизика./Под ред. Мудрецовой Е.А., Веселова К.Е., М.: Недра, 1990, 607 с.(ил).

2. Арнаутов Г.П., Калит Е.Н., Смирнов М.Г., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г. -Автометрия, 1994, N 3, с.3-11.

3. Балакин А.Б., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф. Оптика и спектроскопия, 1994, т. 76, N 4, c. 671-676. (прототип).

Claims (1)

1. Лазерно-интерферометрический детектор гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации, содержащий основание, активный элемент, содержащий рабочую среду, первое, второе и третье глухие зеркала, полупрозрачное зеркало, а также фотоприемник, отличающийся тем, что в него введены первая и вторая дифракционные решетки, поляризационная призма и поляризатор, причем по осевой линии основания размещены первое глухое зеркало, поляризационная призма, активный элемент, содержащий рабочую среду и полупрозрачное зеркало, при этом в плоскости первого глухого зеркала размещены первая и вторая дифракционные решетки, в плоскости полупрозрачного зеркала - второе и третье глухие зеркала, а один из выходов активного элемента с рабочей средой через поляризационную призму, первое и второе глухие зеркала оптически связан с первой дифракционной решеткой, тот же выход активного элемента с рабочей средой через поляризационную призму, первое и третье глухие зеркала оптически связан с второй дифракционной решеткой, при этом второй выход активного элемента с рабочей средой через прозрачное зеркало и поляризатор оптически связан с входом фотоприемника, причем нормали к зеркалам и дифракционным решеткам, проходящие через их центры, параллельны осевой линии основания и лежат в одной плоскости.