RU2329524C2

RU2329524C2 - Laser seismometer

Info

Publication number: RU2329524C2
Application number: RU2006104811/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Воронов (RU); Виктор Иванович Воронов; Данил Владимирович Бухаров (RU); Данил Владимирович Бухаров
Original assignee: Казанский Государственный Технический Университет имени А.Н. Туполева
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2008-07-20
Also published as: RU2006104811A

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: instrument is comprised of basic plate and active laser material fixed between polarised separating prism and partially transmitting mirror. Mirror is mounted onto basic plate so that one part of radiation is reflected by mirror in auto collimation manner and the other is transmitted to photo sensor installed behind mirror when optical radiation comes out of active laser material. Differential frequency measuring unit is connected to photo sensor outputs. Two mirrors are fixed fast to basic plate at equal distance from beam separation point in polarised prism. Two-sided mirror is fixed to piezo-element, which is connected with modular oscillation generator output. Piezo-element is mounted on independent base. When optical radiation from polarised prism hits mirrors, reflected from mirrors beams are directed towards each other and along common direct line, and two-sided mirror is installed perpendicular to the above line and at equal distance from mirrors with the use of piezo-element and independent base.

EFFECT: improvement of seismic distortions measurement sensitivity.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению деформаций оптическими методами. Может применяться в сейсмологии, геофизике и метрологии для прецизионного измерения сейсмических деформаций от источников как естественного, так и искусственного происхождения.The invention relates to measuring technique, namely to measuring strains by optical methods. It can be used in seismology, geophysics and metrology for precision measurement of seismic deformations from sources of both natural and artificial origin.

Известны интерферометрические измерители перемещений и деформаций, построенные на основе двух интерферометров Фабри-Перо, выполненных в виде системы из двух корпусов, вложенных один в другой и связанных общей стенкой, причем у одного интерферометра зеркала закреплены на противоположных стенках внешнего корпуса, а у другого - зеркала закреплены на противоположных стенках внутреннего корпуса (а.с. №2060457, кл. G01В 11/16, 1996, а.с. №2089848, кл. G01В 11/16, 1997). Указанный тип датчиков отличается сложностью из-за применения частотно-стабилизированного лазера и низкой чувствительностью для малых измерительных баз.Interferometric displacement and deformation meters are known, built on the basis of two Fabry-Perot interferometers, made in the form of a system of two cases enclosed one into the other and connected by a common wall, moreover, one interferometer has mirrors mounted on opposite walls of the external case, and the other has mirrors fixed on opposite walls of the inner case (A.S. No. 2060457, class G01B 11/16, 1996, A.S. No. 2089848, class G01B 11/16, 1997). The indicated type of sensors is complex due to the use of a frequency-stabilized laser and low sensitivity for small measuring bases.

Известен также лазерный стрейн-сейсмограф (Veen H.Van, A laser strain seismometer. Natuurkunde cerste. Reecks-Deel. XXVI, N 1, 1970, p.25), в котором используются два нестабилизированных по частоте газоразрядных лазера, расположенных ортогонально друг другу, с резонаторами, закрепленными на Земле. Регистрируется частота биений смешанных оптических частот лазеров. Недостатком данного устройства является нестабильность выходного сигнала, т.е. частоты биений, обусловленная изменениями окружающей температуры, магнитного поля, разрядного тока, конвекционных потоков за счет неидентичности воздействия указанных факторов на активные элементы и резонаторы лазеров. К нестабильности приводят также разная скорость старения и изменения газовой среды активных элементов.A laser strain-seismograph (Veen H. Van, A laser strain seismometer. Natuurkunde cerste. Reecks-Deel. XXVI, N 1, 1970, p.25) is also known, in which two discharge-unstabilized frequency discharge laser located orthogonal to each other are used , with resonators mounted on the Earth. The beat frequency of mixed optical laser frequencies is recorded. The disadvantage of this device is the instability of the output signal, i.e. beat frequency due to changes in ambient temperature, magnetic field, discharge current, convection flows due to the non-identical effect of these factors on active elements and laser resonators. Different instabilities of aging and changes in the gaseous environment of active elements also lead to instability.

Известен лазерно-интерферометрический измеритель конечной разности потенциалов гравитационного поля Земли и ускорения свободного падения (С.Н.Андрианов, А.Б.Балакин, Р.А.Даишев, З.Г.Мурзаханов и др. «Мониторинг геологической среды и скважинные лазерно-интерферометрические измерители конечной разности потенциалов гравитационного поля Земли и ускорения свободного падения». Материалы Первой Всероссийской конференции (10-15 ноября 1997 г.) под ред. Ф.М.Хайретдинова, Г.Е.Кузнецова. - Казань, Изд-во Казанского ун-та, 2000), который может быть использован как сейсмометр и является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту и поэтому выбран в качестве прототипа.A known laser interferometric meter of the finite potential difference of the Earth's gravitational field and acceleration of gravity (S.N. Andrianov, A.B.Balakin, R.A.Daishev, Z.G. Murzakhanov and others. "Monitoring of the geological environment and downhole laser interferometric meters of the finite potential difference of the gravitational field of the Earth and the acceleration of free fall. "Materials of the First All-Russian Conference (November 10-15, 1997) edited by F.M. Khairetdinov, G.E. Kuznetsov. - Kazan, Kazan University Publishing House -ta, 2000), which can be used en as a seismometer and is the closest to the proposed technical essence and attainable effect and therefore chosen as the prototype.

Прототип содержит корпус-основание и закрепленную в нем лазерную активную среду, заключенную между поляризационной разделительной призмой и частично пропускающим зеркалом, за которым установлен поляризатор, а за ним - фотоприемник, к выходам которого подключен блок обработки сигналов. Система зеркал содержит три пары одинаковых отражательных элементов. Первая пара зеркал установлена на равном расстоянии от точки разделения лучевых трасс в поляризационной призме так, что при попадании на зеркала оптических излучений из призмы отраженные от соответствующих зеркал лучи направлены на соответствующие зеркала второй пары. Каждое из зеркал второй пары установлено так, чтобы направить лучи от зеркал первой пары к зеркалам третьей пары, отражающие поверхности которых строго перпендикулярны лучевым трассам и обеспечивают автоколлимационное отражение лучей от соответствующих зеркал второй пары. Для стабилизации частоты оптического излучения перед одним из зеркал третьей пары вдоль лучевой трассы установлена поглощающая ячейка. Длины лучевых трасс между зеркалами одинаковы.The prototype contains a base body and a laser active medium fixed in it, enclosed between a polarizing dividing prism and a partially transmitting mirror, behind which a polarizer is installed, and behind it - a photodetector, to the outputs of which a signal processing unit is connected. The mirror system contains three pairs of identical reflective elements. The first pair of mirrors is installed at an equal distance from the point of separation of the ray paths in the polarizing prism so that when optical radiation hits the mirrors from the prism, the rays reflected from the corresponding mirrors are directed to the corresponding mirrors of the second pair. Each of the mirrors of the second pair is set so as to direct the rays from the mirrors of the first pair to the mirrors of the third pair, the reflecting surfaces of which are strictly perpendicular to the ray paths and provide autocollimation reflection of the rays from the corresponding mirrors of the second pair. To stabilize the frequency of optical radiation, an absorbing cell is installed in front of one of the mirrors of the third pair along the ray path. The lengths of the ray paths between the mirrors are the same.

Устройство работает следующим образом. Под воздействием лазерной активной среды в резонаторах, образованных системой из полностью отражающих зеркал и частично пропускающим зеркалом, формируются оптические излучения с ортогональными линейными поляризациями ТЕ и ТМ типа, частота у одного из которых стабилизирована и потому постоянна, а у другого - зависит от эффективной длины его резонатора. В результате преобразования излучений фотоприемником на его выходе возникает электрический сигнал, по частоте которого можно судить как о геометрической разности хода лучей, так и о потенциале гравитационного поля Земли.The device operates as follows. Under the influence of a laser active medium, optical radiation with orthogonal linear polarizations of the TE and TM type is formed in the resonators formed by a system of fully reflecting mirrors and partially transmitting mirrors, the frequency of one of which is stabilized and therefore constant, and the other depends on its effective length resonator. As a result of the conversion of radiation by the photodetector, an electric signal arises at its output, the frequency of which can be used to judge both the geometric difference in the path of the rays and the potential of the Earth's gravitational field.

Недостатками данного устройства являются низкая чувствительность при измерении линейных перемещений и отсутствие надежных средств снижения конкуренции между генерируемыми излучениями, усиление которой может нарушить работоспособность измерителя.The disadvantages of this device are the low sensitivity when measuring linear displacements and the lack of reliable means of reducing competition between the generated radiation, the amplification of which can disrupt the meter.

Решаемая техническая задача - повышение чувствительности измерения сейсмических деформаций.The technical problem to be solved is an increase in the sensitivity of seismic strain measurements.

Решаемая техническая задача в лазерном сейсмометре, содержащем плиту-основание и лазерную активную среду, закрепленную на нем между поляризационной разделительной призмой и частично пропускающим зеркалом, установленным на плите-основании так, что при попадании на него оптического излучения из лазерной активной среды одну часть излучения зеркало отражает автоколлимационно, а другую пропускает к установленному за зеркалом фотоприемнику, к выходам которого подключен блок измерения разностной частоты, достигается тем, что в его конструкцию введены два зеркала, неподвижно закрепленных на плите-основании на равном расстоянии от точки разделения лучевых трасс в поляризационной призме, и двухстороннее зеркало, закрепленное на пъезоэлементе, подключенном к выходу генератора модуляционных колебаний, пъезоэлемент с установленным на нем двухсторонним зеркалом закреплен на независимом основании так, что при попадании на установленные на плите-основании зеркала оптических излучений из поляризационной призмы отраженные от соответствующих зеркал лучи направлены навстречу друг другу вдоль общей прямой линии, перпендикулярно которой на равном расстоянии от зеркал с использованием пъезоэлемента и независимого основания установлено двухстороннее зеркало.The technical problem to be solved in a laser seismometer containing a base plate and a laser active medium mounted on it between a polarizing dividing prism and a partially transmitting mirror mounted on the base plate so that when optical radiation comes from a laser active medium, one part of the radiation is a mirror reflects autocollimation, and passes the other to a photodetector installed behind the mirror, to the outputs of which a differential frequency measuring unit is connected, is achieved by the fact that in its design two mirrors are mounted fixedly on the base plate at an equal distance from the point of separation of the ray paths in the polarizing prism, and a two-sided mirror mounted on a piezoelectric element connected to the output of the modulation oscillator, a piezoelectric element with a double-sided mirror mounted on it is fixed on an independent base so that when optical mirrors are mounted on the base plate of the mirror from a polarizing prism, the rays reflected from the corresponding mirrors are directed towards to each other along a common straight line, perpendicular to which at an equal distance from the mirrors using a piezoelectric element and an independent base, a double-sided mirror is installed.

На чертеже представлена схема лазерного сейсмометра.The drawing shows a diagram of a laser seismometer.

Лазерный сейсмометр содержит плиту-основание 1, выполненную, например, из ситалла, и закрепленную в ее вырезах лазерную активную среду 2, предназначенную для генерации лазерного излучения. Лазерная активная среда 2, например гелий-неоновая газоразрядная трубка, установлена между поляризационной разделительной призмой (типа призмы Волластона) 3 и частично пропускающим зеркалом 4, установленным в вырезах плиты-основания 1 перпендикулярно направлению распространения оптического излучения из лазерной активной среды 2, перед фотоприемником 5, к выходам которого подключен блок измерения разностной частоты 6.A laser seismometer contains a base plate 1, made of, for example, ceramic, and a laser active medium 2 fixed in its cuts, designed to generate laser radiation. A laser active medium 2, for example, a helium-neon gas discharge tube, is installed between a polarizing dividing prism (such as a Wollaston prism) 3 and a partially transmitting mirror 4 installed in the cutouts of the base plate 1 perpendicular to the direction of propagation of optical radiation from the laser active medium 2, in front of the photodetector 5 , to the outputs of which a differential frequency measuring unit 6 is connected.

Первое зеркало 7 и второе зеркало 8 неподвижно закреплены в вырезах плиты-основания 1 на равном расстоянии от точки разделения лучевых трасс, расположенной внутри поляризационной призмы 3. Двухстороннее зеркало 9 закреплено на пъезоэлементе 10, который подключен к выходу генератора модуляционных колебаний 11. Пъезоэлемент 10 с установленным на нем двухсторонним зеркалом 9 закреплен на независимом основании 12 так, что при попадании на первое зеркало 7 и второе зеркало 8 оптических излучений из поляризационной призмы 3 отраженные лучи направлены навстречу друг другу вдоль общей прямой линии, перпендикулярно которой на равном расстоянии от первого зеркала 7 и второго зеркала 8 с использованием пьезоэлемента 10 и независимого основания 12 установлено двухстороннее зеркало 9.The first mirror 7 and the second mirror 8 are fixedly fixed in the cutouts of the base plate 1 at an equal distance from the point of separation of the ray paths located inside the polarizing prism 3. A two-sided mirror 9 is mounted on the piezoelectric element 10, which is connected to the output of the modulation oscillator 11. The piezoelectric element 10 s the double-sided mirror 9 mounted on it is fixed on an independent base 12 so that when optical radiation from the polarizing prism 3 hits the first mirror 7 and the second mirror 8, the reflected rays are directed We meet each other along a common straight line, perpendicular to which at an equal distance from the first mirror 7 and the second mirror 8 using a piezoelectric element 10 and an independent base 12, a two-way mirror 9 is installed.

На чертеже также изображены грунтовое основание 13 и предполагаемое направление распространения сейсмических колебаний 14.The drawing also shows the soil base 13 and the estimated direction of propagation of seismic vibrations 14.

Блок измерения разностной частоты 6 представляет собой электронный частотомер, например, модель Ч3-81. В качестве генератора модуляционных колебаний 11 может быть использован генератор низкочастотных колебаний, например, модель Г3-131. Угол между исходящими из поляризационной разделительной призмы 3 лучами может быть равен 60°, в таком случае расстояния между поляризационной разделительной призмой 3, первым зеркалом 7 и вторым зеркалом 8 будут одинаковы, а расстояние между двухсторонним зеркалом 9 и зеркалами 7 и 8 будет в два раза меньше этого значения.The differential frequency measurement unit 6 is an electronic frequency meter, for example, model Ch3-81. As a generator of modulation oscillations 11, a low-frequency oscillation generator, for example, model G3-131, can be used. The angle between the rays emanating from the polarization dividing prism 3 can be equal to 60 °, in which case the distances between the polarization dividing prism 3, the first mirror 7 and the second mirror 8 will be the same, and the distance between the double-sided mirror 9 and the mirrors 7 and 8 will be twice less than this value.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Плиту-основание 1 и независимое основание 12, на котором зафиксирован пьезоэлемент 10 с закрепленным на нем двухсторонним зеркалом 9, устанавливают друг за другом на общем грунтовом основании 13 вдоль предполагаемого направления распространения сейсмических колебаний 14 так, чтобы двухстороннее зеркало 9 находилось на одинаковом расстоянии как от первого зеркала 7, так и от второго зеркала 8, и при этом его поверхность была перпендикулярна общей прямой линии, вдоль которой при помощи первого зеркала 7 и второго зеркала 8 будут направлены оптические излучения из поляризационной разделительной призмы 3.The base plate 1 and the independent base 12, on which the piezoelectric element 10 is fixed with a two-sided mirror 9 mounted on it, are mounted one after the other on a common soil base 13 along the assumed direction of propagation of seismic vibrations 14 so that the two-sided mirror 9 is at the same distance from the first mirror 7, and from the second mirror 8, and at the same time its surface was perpendicular to a common straight line along which the optical lens will be directed using the first mirror 7 and the second mirror 8 skie radiation from the polarization separating prism 3.

Цепи питания блока измерения разностной частоты 6, лазерной активной среды 2 и генератора модуляционных колебаний 11, которые на чертеже условно не показаны, подключают к сети, после чего на выходе блока измерения разностной частоты 6 фиксируют результаты измерений.The power circuit of the differential frequency measurement unit 6, the laser active medium 2 and the modulation oscillation generator 11, which are not shown conventionally in the drawing, are connected to the network, after which the measurement results are recorded at the output of the differential frequency measurement unit 6.

В результате подключения цепей питания лазерной активной среды 2 формируется оптическое излучение с полным набором поляризаций, которое, выходя из лазерной активной среды 2, попадает на поляризационную разделительную призму 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией после преломления в разделительной призме 3 зеркально отражается от первого зеркала 7, автоколлимационно отражается от двухстороннего зеркала 9, после чего зеркально отражается от первого зеркала 7, преломляется в призме 3, усиливается в лазерной активной среде 2 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 3, обеспечивая генерацию лазерного излучения ТЕ-поляризации. Другая часть излучения с ТМ-поляризацией после преломления в призме 3 зеркально отражается от второго зеркала 8, автоколлимационно отражается от двухстороннего зеркала 9, после чего зеркально отражается от второго зеркала 8, преломляется в призме 3, проходит через лазерную активную среду 2 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 4, обеспечивая генерацию излучения ТМ-поляризации. Таким образом, лазерный сейсмометр представляет собой двухрезонаторную лазерную систему с общей лазерной активной средой 2, первый резонатор которой образован частично пропускающим зеркалом 4, поляризационной разделительной призмой 3, первым зеркалом 7 и двухстороннем зеркалом 9, а второй резонатор образован частично пропускающим зеркалом 4, поляризационной разделительной призмой 3, вторым зеркалом 8 и двухсторонним зеркалом 9. В первом резонаторе генерируется оптическое излучение ТЕ-поляризации, а во втором ТМ-поляризации. Самовоспроизводящиеся лучевые трассы первого и второго резонаторов, показанные на схеме соответственно сплошной и пунктирной линиями, с одной стороны от поляризационной разделительной призмы 3 совпадают, а с другой - образуют равнобедренный треугольник, в вершинах которого расположены: поляризационная разделительная призма 3, первое зеркало 7 и второе зеркало 8. При этом двухстороннее зеркало 9 расположено на биссектрисе угла, в вершине которого расположена поляризационная разделительная призма 3. Такое размещение обеспечивает равенство длин первого и второго резонаторов.As a result of connecting the power circuits of the laser active medium 2, optical radiation with a full set of polarizations is formed, which, leaving the laser active medium 2, enters the polarization separation prism 3. Part of the optical radiation with TE polarization after refraction in the separation prism 3 is mirrored from the first mirror 7, is self-collimating reflected from the double-sided mirror 9, after which it is mirrored from the first mirror 7, is refracted in the prism 3, amplified in the laser active medium 2 and llimatsionno reflected from the partially transmissive mirror 3, the laser providing radiation generation TE polarization. The other part of the radiation with TM polarization after refraction in prism 3 is mirrored from the second mirror 8, autocollimation is reflected from the two-sided mirror 9, after which it is mirrored from the second mirror 8, is refracted in the prism 3, passes through the laser active medium 2, and autocollimation is reflected from partially transmitting mirrors 4, providing generation of TM polarization radiation. Thus, the laser seismometer is a two-cavity laser system with a common laser active medium 2, the first resonator of which is formed by a partially transmitting mirror 4, a polarizing dividing prism 3, the first mirror 7 and a two-way mirror 9, and the second resonator is formed by a partially transmitting mirror 4, polarizing dividing prism 3, a second mirror 8, and a two-sided mirror 9. Optical radiation of TE polarization is generated in the first resonator, and TM polarization in the second. The self-reproducing ray paths of the first and second resonators shown in the diagram by solid and dashed lines, respectively, coincide on one side of the polarization dividing prism 3 and form an isosceles triangle on the other side, at the vertices of which are: polarization dividing prism 3, first mirror 7 and second mirror 8. In this case, a two-sided mirror 9 is located on the bisector of the angle at the top of which there is a polarizing dividing prism 3. This arrangement ensures equalities about the lengths of the first and second resonators.

Угол между исходящими из поляризационной разделительной призмы 3 лучами может быть равен 60°, и в этом случае расстояния между вершинами треугольника и соответственно между поляризационной разделительной призмой 3, первым зеркалом 7 и вторым зеркалом 8 будут одинаковы, а расстояние между двухсторонним зеркалом 9 и зеркалами 7 и 8 будет, соответственно меньше него ровно в два раза.The angle between the rays emanating from the polarizing dividing prism 3 can be equal to 60 °, in which case the distances between the vertices of the triangle and, respectively, between the polarizing dividing prism 3, the first mirror 7 and the second mirror 8 will be the same, and the distance between the double-sided mirror 9 and the mirrors 7 and 8 will be, respectively, twice less than it.

Исходя из особенностей равнобедренного треугольника, как геометрической фигуры, следует, что угол между исходящими из призмы лучами должен быть не более 180°, а углы падения лучей на поверхности зеркал 7 и 8 должны быть одинаковыми. В таком случае обе отражающие поверхности двухстороннего зеркала 9, расположенного на середине той стороны равнобедренного треугольника, которая заключена между первым зеркалом 7 и вторым зеркалом 8, будут перпендикулярны направлению распространения излучений, направленных на двухстороннее зеркало 9 зеркалами 7 и 8.Based on the features of an isosceles triangle as a geometric figure, it follows that the angle between the rays emanating from the prism should be no more than 180 °, and the angles of incidence of the rays on the surface of the mirrors 7 and 8 should be the same. In this case, both reflective surfaces of the double-sided mirror 9 located on the middle of that side of the isosceles triangle, which is enclosed between the first mirror 7 and the second mirror 8, will be perpendicular to the direction of propagation of radiation directed to the double-sided mirror 9 by the mirrors 7 and 8.

Оптические длины первого l₁ и второго l₂ резонаторов одинаковы: l₁=l₂=L, поэтому в отсутствии перемещений двухстороннего зеркала 9 частоты генерации излучений первого ω₁ и второго ω₂ резонаторов совпадают ω₁=ω₂=ω₀, соответственно совпадают и длины излучаемых волн первого λ₁ и второго λ₂ резонаторов λ₁=λ₂=λ. Перемещение двухстороннего зеркала 9 на величину Δl под воздействием сейсмических деформаций приводит к изменению геометрических длин как первого, так и второго резонатора. Причем если для одного из них длина увеличивается на Δl, для другого - длина уменьшается на Δl. Таким образом, перемещение двухстороннего зеркала 9 приводит к возникновению разности между частотами оптических излучений первого и второго резонаторов, величина которой линейно зависит от измеряемого перемещения:

, где ω₁ и ω₂ - собственные частоты первого и второго резонаторов соответственно, с - скорость света, λ - длина излучаемых волн, L - длина резонаторов. Δl - линейное перемещение двухстороннего зеркала 9. Излучения, выходящие через частично пропускающее зеркало 4, создают на входе фотоприемника 5 интерференционное поле, под воздействием которого в фотоприемнике 5 возникает электрический сигнал с разностной частотой Δω. Сигнал с фотоприемника 5 поступает в блок измерения разностной частоты 6, который предназначен для выделения полезного сигнала с частотой Δω из шумов и определения конкретного значения Δω.The optical lengths of the first l ₁ and second l ₂ resonators are the same: l ₁ = l ₂ = L, therefore, in the absence of movement of the two-sided mirror 9, the frequencies of generation of the radiation of the first ω ₁ and second ω ₂ resonators coincide ω ₁ = ω ₂ = ω ₀ , respectively, coincide and the emitted wavelengths of the first λ ₁ and second λ ₂ resonators λ ₁ = λ ₂ = λ. The movement of the two-sided mirror 9 by Δl under the influence of seismic deformations leads to a change in the geometric lengths of both the first and second resonators. Moreover, if for one of them the length increases by Δl, for the other, the length decreases by Δl. Thus, the movement of the two-sided mirror 9 leads to a difference between the frequencies of the optical radiation of the first and second resonators, the magnitude of which linearly depends on the measured displacement:

where ω ₁ and ω ₂ are the natural frequencies of the first and second resonators, respectively, c is the speed of light, λ is the length of the emitted waves, L is the length of the resonators. Δl is the linear movement of the two-sided mirror 9. The radiation emitted through the partially transmitting mirror 4 creates an interference field at the input of the photodetector 5, under the influence of which an electric signal with a difference frequency Δω occurs in the photodetector 5. The signal from the photodetector 5 enters the differential frequency measurement unit 6, which is designed to extract a useful signal with a frequency Δω from noise and determine a specific value of Δω.

В связи с тем, что генерация оптических излучений происходит в общем объеме активного вещества, между ними возникает конкуренция. В рассматриваемой конструкции данное физическое явление проявляется в ослабленной форме, поскольку взаимодействующие излучения обладают ортогональными поляризациями. Вместе с тем, его воздействие может быть усилено рядом неблагоприятных факторов, таких как высокая разность добротностей резонаторов, низкая энергетическая насыщенность лазерной активной среды 2 и т.д.Due to the fact that the generation of optical radiation occurs in the total volume of the active substance, competition arises between them. In the construction under consideration, this physical phenomenon manifests itself in a weakened form, since the interacting radiation has orthogonal polarizations. At the same time, its effect can be enhanced by a number of unfavorable factors, such as a high difference in the Q factors of the resonators, low energy saturation of the laser active medium 2, etc.

Одним из путей для снижения конкуренции между взаимодействующими волнами является использование низкочастотной модуляции, для чего в конструкцию лазерного сейсмометра введен пьезоэлемент 10, механически связанный с двусторонним зеркалом 9. Пьезоэлемент 10 подключен к выходу генератора модуляционных колебаний 11, поэтому, когда гармонический сигнал от генератора модуляционных колебаний 11 поступает на вход пьезоэлемента 10, происходят изменения геометрических длин как первого, так и второго резонатора, причем если для одного из них длина увеличивается, для другого - длина уменьшается. Соответственно изменяются и частоты генерируемых оптических колебаний, что позволяет снизить конкуренцию между взаимодействующими волнами. Подбирая амплитуду и частоту генератора модуляционных колебаний 11, можно понизить конкуренцию между излучениями ортогональных поляризаций до допустимого уровня.One way to reduce competition between interacting waves is to use low-frequency modulation, for which a piezoelectric element 10 mechanically coupled to a two-sided mirror 9 is introduced into the design of the laser seismometer. The piezoelectric element 10 is connected to the output of the modulation oscillation generator 11, therefore, when the harmonic signal from the modulation oscillation generator 11 is fed to the input of the piezoelectric element 10, changes in the geometric lengths of both the first and second resonators occur, and if for one of them the length velichivaetsya, for another - the length is reduced. Correspondingly, the frequencies of the generated optical oscillations also change, which makes it possible to reduce competition between interacting waves. By selecting the amplitude and frequency of the modulation oscillation generator 11, it is possible to reduce the competition between the emissions of orthogonal polarizations to an acceptable level.

Таким образом, повышение чувствительности измерения сейсмических деформаций по сравнению с прототипом обусловлено симметричностью изменений сравниваемых частот генерации оптических резонаторов, приводящей к удвоению фиксируемой разностной частоты, а также использованием низкочастотной модуляции, обеспечивающей снижение конкуренции между взаимодействующими волнами.Thus, the increase in the sensitivity of the measurement of seismic deformations in comparison with the prototype is due to the symmetry of changes in the compared frequencies of the generation of optical resonators, leading to a doubling of the fixed difference frequency, as well as the use of low-frequency modulation, which reduces competition between interacting waves.

Claims

A laser seismometer containing a base plate and a laser active medium mounted on it between a polarizing dividing prism and a partially transmitting mirror mounted on the base plate so that when optical radiation comes into it from the laser active medium, the mirror reflects one part of the radiation autocollimation, and passes another one to a photodetector installed behind the mirror, to the outputs of which a differential frequency measuring unit is connected, characterized in that it contains two mirrors, located on the base plate at an equal distance from the point of separation of the ray paths in the polarizing prism, and a two-sided mirror mounted on a piezoelectric element connected to the output of the modulation oscillator, a piezoelectric element with a double-sided mirror mounted on it is fixed on an independent base so that when it falls on the installed on the base plate of the mirror of optical radiation from a polarizing prism, the rays reflected from the corresponding mirrors are directed towards each other along a common straight line, perpendicular At which, at an equal distance from the mirrors, a double-sided mirror is installed using a piezoelectric element and an independent base.