RU2498214C1

RU2498214C1 - Device to measure electromagnetic radiation speed space anisotropy

Info

Publication number: RU2498214C1
Application number: RU2012110844/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Олегович Гладышев; Павел Сергеевич Тиунов; Андрей Дмитриевич Леонтьев; Евгений Анатольевич Шарандин
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-11-10
Also published as: RU2012110844A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: device is an optical interferometer made according to the ring circuit and comprises a laser, an optical system, beam splitters, mirrors, photodetectors and a rotating optical disk made in the form of a wedge operating as a transmission-mode photocathode. The flat surfaces of the disk are fitted with reflecting coatings made as ring sections; the outer radius of the reflecting rings is less than the outer radius of the disk by the value of light beam diameter in order to provide for the lead-in and lead-out of the beam from the disk. The photodetector is made as a set of photocells located in the plane of the interference fringe pattern localisation along the straight line parallel to the interference fringe.

EFFECT: invention provides for the interference immunity of a device.

2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к устройствам для ориентации объектов в пространстве на основе измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения в движущейся среде.The invention relates to devices for orienting objects in space based on measuring the anisotropy of the space of velocities of electromagnetic radiation in a moving medium.

Уровень техникиState of the art

Известны устройства для регистрации и измерения анизотропии пространства. Эти устройства имеют оптическую схему интерферометра, в котором суммируется амплитуда электромагнитных волн, прошедших оптический путь в разных направлениях. Суть этих методов заключается в том, что если анизотропия пространства распространения электромагнитного излучения по-разному влияет на лучи в разных направлениях, то это должно проявляться при повороте интерферометра относительно оси анизотропии.Known devices for recording and measuring the anisotropy of space. These devices have an optical interferometer circuit in which the amplitude of electromagnetic waves that have passed the optical path in different directions is summed. The essence of these methods is that if the anisotropy of the propagation space of electromagnetic radiation affects the rays in different directions in different ways, then this should occur when the interferometer is rotated about the anisotropy axis.

Известно устройство для измерения анизотропии [1], представляющее собой интерферометр, который размещается на поворотном основании. В нем использованы два лазера, причем излучение одного из них распространяется по трем пространственным координатам. При повороте интерферометра анизотропия пространства приводит к влиянию на распространение излучения вдоль избранного направления. Поэтому наблюдается вариация оптического сигнала, пропорциональная углу наклона оси чувствительности установки к выделенному направлению, которая регистрируется детектором. Такое устройство имеет недостаточные чувствительность и помехозащищенность.A device for measuring anisotropy [1], which is an interferometer, which is located on a rotary base. Two lasers are used in it, and the radiation of one of them propagates along three spatial coordinates. When the interferometer is rotated, the anisotropy of space leads to an influence on the propagation of radiation along the chosen direction. Therefore, there is a variation in the optical signal proportional to the angle of inclination of the axis of the sensitivity of the setup to the selected direction, which is recorded by the detector. Such a device has insufficient sensitivity and noise immunity.

Известно устройство для измерения анизотропии [2], представляющее собой интерферометр, содержащий два мазерных источника когерентного электромагнитного излучения. Выходной сигнал с интерферометра образуется суперпозицией амплитуд электромагнитных волн и зависит от биения частот двух мазеров, расположенных перпендикулярно друг к другу. Интерферометр располагается на поворотном основании. При повороте интерферометра в горизонтальной плоскости при изменении ориентации плеч интерферометра по отношению к направлению анизотропии пространства будут наблюдаться вариации сигнала - периодические биения частот. Данное устройство также имеет недостаточные чувствительность и помехозащищенность.A device for measuring anisotropy [2] is known, which is an interferometer containing two maser sources of coherent electromagnetic radiation. The output signal from the interferometer is formed by a superposition of the amplitudes of the electromagnetic waves and depends on the beat of the frequencies of two masers located perpendicular to each other. The interferometer is located on a swivel base. When the interferometer is rotated in a horizontal plane with a change in the orientation of the arms of the interferometer with respect to the direction of space anisotropy, signal variations — periodic beats of frequencies — will be observed. This device also has insufficient sensitivity and noise immunity.

Известно устройство для измерения анизотропии [3], представляющее собой оптический интерферометр, который располагается на поворотном основании и состоит из когерентного источника излучения, оптической системы, светоделителей, зеркал и фоторегистратора. Луч когерентного светового источника излучения делится на светоделителе на два луча, которые распространяются в перпендикулярных направлениях, отражаются от концевых зеркал и создают интерференционную картину в плоскости ее локализации, т.е. на экране. Изменение ориентации интерферометра в анизотропном пространстве приводит к смещению интерференционных полос, что может быть зарегистрировано фоторегистрирующим детектором. Данное устройство также имеет низкие чувствительность и помехозащищенность.A device for measuring anisotropy [3] is known, which is an optical interferometer, which is located on a rotary base and consists of a coherent radiation source, an optical system, beam splitters, mirrors and a photo recorder. The beam of a coherent light source of radiation is divided on a beam splitter into two beams that propagate in perpendicular directions, are reflected from the end mirrors and create an interference pattern in the plane of its localization, i.e. on the screen. A change in the orientation of the interferometer in the anisotropic space leads to a shift in the interference bands, which can be detected by a photo-recording detector. This device also has low sensitivity and noise immunity.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения анизотропии [4], которое представляет собой оптический интерферометр, расположенный на поворотном основании и помещенный в термостабилизированный кожух. Устройство состоит из лазера, оптической системы, светоделителей, зеркал, фотодетекторов, причем интерферометр выполнен по кольцевой схеме, а в плечо интерферометра введен вращающийся оптический диск. Изменение ориентации интерферометра в пространстве приводит к смещению интерференционных полос, что может быть зарегистрировано фоторегистрирующим детектором.Closest to the claimed is a device for measuring anisotropy [4], which is an optical interferometer located on a rotary base and placed in a thermostabilized casing. The device consists of a laser, an optical system, beam splitters, mirrors, photodetectors, and the interferometer is made in a circular pattern, and a rotating optical disk is introduced into the arm of the interferometer. A change in the orientation of the interferometer in space leads to a shift in the interference bands, which can be detected by a photo-recording detector.

В интерферометре луч от лазера делится светоделителем на два луча, которые распространяются через вращающийся оптический диск (ОД) в противоположных направлениях. Каждый из лучей преломляется на первой плоской поверхности ОД, отражается на второй поверхности, затем преломляется на первой и выходит из диска. Вследствие вращения ОД, один из лучей получает положительный сдвиг фазы, другой -отрицательный. После того как лучи снова встретятся, они регистрируются фотодетектором.In the interferometer, the beam from the laser is divided by a beam splitter into two beams, which propagate through the rotating optical disk (OD) in opposite directions. Each of the rays is refracted on the first flat surface of the OD, reflected on the second surface, then is refracted on the first and leaves the disk. Due to the rotation of the OD, one of the rays receives a positive phase shift, the other a negative one. After the rays meet again, they are recorded by a photo detector.

Чувствительность устройства к изменению ориентации в анизотропном пространстве линейно зависит от частоты вращения диска, поэтому частота вращения должна быть достаточно высокой. Также чувствительность зависит от длины оптического пути в материале диска, что накладывает определенные требования к минимальным размерам диска и его показателю преломления.The sensitivity of the device to a change in orientation in anisotropic space linearly depends on the speed of the disk, so the rotation frequency should be quite high. Also, the sensitivity depends on the length of the optical path in the material of the disk, which imposes certain requirements on the minimum size of the disk and its refractive index.

В случае существования пространственно-временной оптической анизотропии должны наблюдаться вариации в положении интерференционной картины при повороте интерферометра в пространстве, что регистрируется фотодетектором.In the case of the existence of spatio-temporal optical anisotropy, variations should be observed in the position of the interference pattern when the interferometer is rotated in space, which is detected by a photodetector.

Данное устройство имеет недостаточную помехозащищенность, т.к. интерферометр чувствителен к отклонению оси симметрии ОД от оси вращения ОД. Также для достижения высокой чувствительности устройства необходимо увеличивать размеры ОД, что приводит к снижению помехозащищенности.This device has insufficient noise immunity, as the interferometer is sensitive to a deviation of the axis of symmetry of the OD from the axis of rotation of the OD. Also, to achieve high sensitivity of the device, it is necessary to increase the size of the OD, which leads to a decrease in noise immunity.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является повышение помехозащищенности устройства.The objective of the invention is to increase the noise immunity of the device.

Задача решается за счет того, что ОД выполнен в виде клина, работающего на просвет, а не на отражение, что устраняет влияние отклонения оси симметрии ОД от оси вращения ОД, на плоских поверхностях ОД выполнены отражающие покрытия в виде кольцевых участков, причем внешний радиус отражающих колец меньше внешнего радиуса ОД на величину диаметра светового луча, для того чтобы можно было обеспечить ввод и вывод луча из диска. Диск изготовлен в виде клина определенной угловой величины (в диапазоне 0,5…1,5 угловой секунды для того, чтобы перейти от амплитудных измерений положения интерференционной картины к временным, что приведет к повышению помехозащищенности метода. Устройство снабжено набором фотодетекторов, расположенных в плоскости локализации интерференционной картины таким образом, чтобы увеличить отношение сигнал/шум (фотоэлементы расположены вдоль прямой линии параллельно интерференционной полосе).The problem is solved due to the fact that the OD is made in the form of a wedge operating in clearance, and not on reflection, which eliminates the influence of the deviation of the axis of symmetry of the OD from the axis of rotation of the OD, on the flat surfaces of the OD made reflective coatings in the form of annular sections, and the outer radius of the reflective the rings are smaller than the outer radius of the OD by the value of the diameter of the light beam, in order to be able to provide input and output of the beam from the disk. The disk is made in the form of a wedge of a certain angular value (in the range of 0.5 ... 1.5 angular seconds in order to switch from amplitude measurements of the position of the interference pattern to temporary, which will increase the noise immunity of the method. The device is equipped with a set of photodetectors located in the localization plane interference pattern in such a way as to increase the signal-to-noise ratio (photocells are located along a straight line parallel to the interference band).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения.Figure 1 shows a diagram of the proposed device for measuring the anisotropy of the velocity space of electromagnetic radiation.

На фиг.2 изображены оптический диск и схема прохождения лучаFigure 2 shows the optical disk and the beam path

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Работает устройство следующим образом (фиг.1).The device operates as follows (figure 1).

Луч от стабилизированного лазера 1 проходит оптическую систему 2, делится светоделительной пластинкой 3 на два луча, которые, отразившись от зеркал 4 и 5, распространяются через вращающийся ОД 6. Вследствие вращения, один из лучей получает положительный сдвиг фазы, другой - отрицательный. После того как лучи снова встретятся на 3 и отразятся зеркалом 7, они проходят оптическую систему 8 и регистрируются фотодетектором 9. Светоделительная пластинка 10 и фотодетектор 11 нужны для контроля мощности лазера.The beam from a stabilized laser 1 passes through the optical system 2, is divided by a beam splitter plate 3 into two beams, which, reflected from mirrors 4 and 5, propagate through a rotating OD 6. Due to rotation, one of the rays receives a positive phase shift, the other a negative one. After the rays meet again at 3 and are reflected by the mirror 7, they pass through the optical system 8 and are registered by the photodetector 9. A beam splitter 10 and photodetector 11 are needed to control the laser power.

Свет переотражается на плоских поверхностях оптического диска (фиг.2), выполненного в виде оптического клина с углом клиновидности около 1 угловой секунды, на плоских поверхностях ОД нанесены отражающие покрытия в виде кольцевых участков. Внешний радиус отражающих кольцевых участков должен быть меньше внешнего радиуса ОД на величину диаметра светового луча, для того чтобы можно было вводить и выводить лучи из диска. Интерференционное отражающее покрытие плоских зеркальных поверхностей диска и просветляющие покрытия диска должны быть рассчитаны на длину волны лазера.Light is reflected on the flat surfaces of the optical disk (Fig. 2), made in the form of an optical wedge with a wedge angle of about 1 arc second, reflective coatings in the form of annular sections are applied on the flat surfaces of the OD. The outer radius of the reflecting annular sections should be less than the outer radius of the OD by the value of the diameter of the light beam in order to be able to enter and output the rays from the disk. The interference reflective coating of the flat mirror surfaces of the disk and the antireflection coatings of the disk must be designed for the laser wavelength.

Электромагнитная волна с волновым вектором

падает на плоскую поверхность вращающегося с угловой скоростью ω оптического диска радиуса R₀ под углом ϑ₀ в плоскости YAP. Верхняя и нижняя поверхности ОД имеют отражающие покрытия радиуса R₁. Вследствие нарушения закона Снеллиуса (т.к. преломление происходит на тангенциальном разрыве скорости) угол преломления ϑ₂ луча с волновым вектором

становится равным

для указанного направления вращения, а точка В выхода луча из диска смещается в точку В'. В результате этого волновой вектор прошедшей волны

выходит параллельно

, но со сдвигом. Луч, идущий в противоположную сторону, смещается аналогично в ту же сторону, т.е. по направлению движения среды.Electromagnetic wave with wave vector

falls on a flat surface of an optical disk of radius R ₀ rotating at an angular speed ω at an angle ϑ ₀ in the YAP plane. The upper and lower surfaces of the OD have reflective coatings of radius R ₁ . Due to the violation of Snell's law (since refraction occurs at a tangential discontinuity of velocity), the refraction angle is ϑ _{2 of the} beam with the wave vector

becomes equal

for the indicated direction of rotation, and the point B of the beam exit from the disk is shifted to point B '. As a result, the wave vector of the transmitted wave

comes out in parallel

but with a shift. A ray going in the opposite direction is similarly shifted in the same direction, i.e. in the direction of movement of the medium.

Разность радиусов R₀ и R₁ приблизительно равна диаметру светового луча и не должна быть меньше этой величины. Дальнейшее уменьшение радиуса R₁ нежелательно, т.к. при этом будет уменьшаться возможное число переотражений на плоских поверхностях ОД и, как следствие, увеличиваться угол падения луча, что приведет к уменьшению амплитуды преломленного луча и, следовательно, к снижению отношения сигнал/шум.The difference between the radii R ₀ and R _{1 is} approximately equal to the diameter of the light beam and should not be less than this value. A further decrease in the radius R _{1 is} undesirable since in this case, the possible number of reflections on the flat surfaces of the OD will decrease and, as a result, the angle of incidence of the beam will increase, which will lead to a decrease in the amplitude of the refracted beam and, therefore, to a decrease in the signal-to-noise ratio.

Смещение интерференционной картины определяется по изменению времени следования интерференционных полос по апертуре фотодетектора. Так как в течение всех измерений интерферометр настроен в одной и той же рабочей точке фазовой кривой, смещение интерференционной картины будет пропорционально времени следования полос. Поэтому необходимо обеспечение достаточно высокой частоты вращения ОД.The displacement of the interference pattern is determined by the change in the travel time of the interference bands along the aperture of the photodetector. Since during all measurements the interferometer is tuned at the same working point of the phase curve, the shift in the interference pattern will be proportional to the time the bands follow. Therefore, it is necessary to ensure a sufficiently high OD speed.

Так как чувствительность зависит от оптического пути светового луча в материале диска, необходимо обеспечить высокое значение показателя преломления материала диска.Since the sensitivity depends on the optical path of the light beam in the disk material, it is necessary to ensure a high value of the refractive index of the disk material.

Перед началом измерений интерферометр юстируется таким образом, чтобы за один оборот ОД по апертуре ФД проходили в горизонтальном направлении одна, две или три интерференционные полосы: в первую половину периода в одном направлении, во вторую - в другом. Количество интерференционных полос, которые будут перемещаться по апертуре ФД, зависит в основном от клина ОД, а также от юстировки интерферометра. Измеряемой величиной является интервал времени между моментами прохождения выбранной интерференционной полосой апертуры ФД. Так как эта величина прямо зависит от периода вращения ОД, ее нормируют на период Т.Before starting the measurement, the interferometer is adjusted so that in one revolution of the OD along the PD aperture, one, two or three interference fringes pass in the horizontal direction: in the first half of the period in one direction, in the second in the other. The number of interference bands that will move along the PD aperture depends mainly on the OD wedge, as well as on the alignment of the interferometer. The measured value is the time interval between the moments of passage of the selected interference band of the PD aperture. Since this value directly depends on the period of OD rotation, it is normalized to period T.

Пространственно-временная оптическая анизотропия приводит к вариациям в положении интерференционной картины при повороте интерферометра в пространстве. Эти вариации выделяются из временного сигнала следования интерференционных полос по апертуре фотодетектора.The spatio-temporal optical anisotropy leads to variations in the position of the interference pattern when the interferometer is rotated in space. These variations are distinguished from the time signal of the sequence of interference fringes along the aperture of the photodetector.

В результате многократных изменений ориентации интерферометра в трехмерном пространстве восстанавливается трехмерная пространственная картина анизотропии скорости электромагнитного излучения в движущейся среде, которая может быть записана в память бортового компьютера. Эта карта может иметь привязку к карте звездного неба. Точность привязки зависит от точности калибровки устройства измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения. Калибровка устройства осуществляется по сравнению результатов измерений с результатами измерений трехмерной карты анизотропии реликтового электромагнитного излучения.As a result of repeated changes in the orientation of the interferometer in three-dimensional space, a three-dimensional spatial picture of the anisotropy of the speed of electromagnetic radiation in a moving medium is restored, which can be recorded in the memory of the on-board computer. This map may be linked to a starry sky map. The accuracy of the binding depends on the accuracy of the calibration of the device for measuring the anisotropy of the velocity space of electromagnetic radiation. Calibration of the device is carried out by comparing the results of measurements with the results of measurements of a three-dimensional map of the anisotropy of relic electromagnetic radiation.

Предлагаемое устройство может быть интегрировано в систему измерения ориентации, точного позиционирования и управления движением.The proposed device can be integrated into a system for measuring orientation, accurate positioning and motion control.

Интерферометр должен быть сконструирован на двух оптических платформах, оснащенных системой вибростабилизации. На одной из платформ должен находиться электродвигатель с ОД, на другой - остальная часть интерферометра. Обе платформы располагаются на вращающемся основании. Для определения зависимости сигнала от пространственной ориентации интерферометра положение интерференционной картины измеряется при повороте интерферометра на 360 градусов в прямом и обратном направлениях. Поворот может осуществляться шаговым двигателем.The interferometer should be designed on two optical platforms equipped with a vibration stabilization system. On one of the platforms there should be an electric motor with OD, on the other - the rest of the interferometer. Both platforms are located on a rotating base. To determine the dependence of the signal on the spatial orientation of the interferometer, the position of the interference pattern is measured when the interferometer is rotated 360 degrees in the forward and reverse directions. Turning can be done with a stepper motor.

Интерферометр должен быть помещен в кожух с активной системой термостабилизации. Угол поворота регистрируется фотоэлектронной системой и затем проходит обработку на ПК.The interferometer should be placed in a casing with an active thermal stabilization system. The rotation angle is recorded by the photoelectronic system and then goes through processing on a PC.

Источники информацииInformation sources

[1]. Brillet A., Hall J.L. Improved laser test of the isotropy of space. // Phys. Rev. Lett. 1979. V.42. N9, pp.549-552.[one]. Brillet A., Hall J.L. Improved laser test of the isotropy of space. // Phys. Rev. Lett. 1979. V. 42. N9, pp. 549-552.

[2]. Jaseja T.S., Javan A., Murray J., Townes C.H. Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers. Phys. Phys. Rev. 1964. V.133, N5A. pp.1221-1225.[2]. Jaseja T.S., Javan A., Murray J., Townes C.H. Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers. Phys. Phys. Rev. 1964. V.133, N5A. pp. 1221-1225.

[3]. Michelson A.A., Pease F.G., Pearson F. Repetition of the Michelson-Morley Experiment // Nature, 1929. V.123, p.88.[3]. Michelson A.A., Pease F.G., Pearson F. Repetition of the Michelson-Morley Experiment // Nature, 1929. V.123, p. 88.

[4]. Гладышев В.О., Гладышева Т.М., Дашко М., Трофимов Н., Шарандин Е.А. Анизотропия пространства скоростей электромагнитного излучения в движущихся средах // Гиперкомплексные числа в геометрии и физике. 2006, Т.3, №2(6), с.173-187.[four]. Gladyshev V.O., Gladysheva T.M., Dashko M., Trofimov N., Sharandin E.A. Anisotropy of the space of velocities of electromagnetic radiation in moving media // Hypercomplex numbers in geometry and physics. 2006, Vol. 3, No. 2 (6), pp. 173-187.

Claims

A device for measuring the anisotropy of the space of velocity of electromagnetic radiation, which is an optical interferometer made in a circular pattern, located on a rotary base and placed in a thermally stabilized casing, consisting of a laser, an optical system, beam splitters, mirrors, a photo detector, a rotating optical disk, characterized in that the optical the disk is made in the form of a wedge operating in clearance, identical reflective coatings are applied to the flat surfaces of the disk, the outer radius being reflective coatings are less than the outer radius of the optical disk by an amount not less than the diameter of the beam, and the photodetector is made in the form of a set of photocells located in the plane of localization of the interference pattern along a straight line parallel to the interference strip.