SU1388721A1 - Способ измерени фазового сдвига световых волн - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  повышение точности и разрешающей способности измерений. Сущность способа заключаетс  в том, что электрический измерительный сигнал с выхода фотопреобразовател  направл ют на питание излучател  светомодул тора, создава  положительную обратную св зь в акус- тооптическом тракте обработки измерительной информации, котора  преобразует фазовый сдвиг световых волн на входе в частотный сдвиг выходного электрического измерительного сигнала , по величине которого суд т о фазовом сдвиге световых волн. 1 ил.

Description

&0

эо

X)

113

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано дл  измерений перемещений объектов.

Цель изобретени  - повышение точности и разрешающей способности измерений путем измерени  в качестве информативного параметра, частоты пери- одической структуры.

На чертеже изображена функциональна  схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит оптически св занные лазер 1 интерферометр Майкельсона, включающий светоделитель 2, измерительный 3 и опорный 4 уголковые отражатели, двойной оптический клапан 5, распо- ложенный в опорном канале интерферометра , модул тор 6 (например, акусто-оптическую  чейку), щелевую диафрагму 7 и фотопреобразователь 8, излучатель 9 ультразвуковой волны, последовательно соединенные резонансный усилитель 10 и коммутатор 11, генератор 12 гармонических колебаний.

Выход генератора 12 гармонических колебаний подключен ко второму входу коммутатора 11. Выход фотопреобразовател  8 подключен ко входу резонансного усилител  10.

Способ осуществл ют следующим образом .

Излучение лазера 1, направл емое на светоделитель 2 интерферометра Майкельсона, делитс  на два световых пучка соответственно измерительного и опорного каналов. Отраженные от измерительного 3 и опорного 4 уголковых- отражателей световые волны EJ, и Ед„ пространственно совмещаютс  на светоделителе 2 под углом об , задаваемым двойным оптическим клином 5 опорной световой волне и направл ютс на модул тор 6, в котором излучателем 9 создана ультразвукова  волна. В результате дифракции световых волн на ультразвуковой волне, щелевой диафрагмой 7 отфильтровывают на фотопреобразователь 8 пространственно совмещенные пор дки дифракционного спектра: нулевой пор док дифракции измерительной световой волны Е„(д и любой из первых пор дков дифракции опорной световой волны ЕОП(О ческое гетеродинирование на плоскости фотоприема двух разночастотных из

Я Е

лучений приводит к по влению на выходе фотопреобразовател  8 электрического измерительного сигнала U..,,

В 01 А

на частоте, равной разности взаимодействующих оптических частот, который поступает на резонансный усилитель 10 и далее на выход измерительного преобразовател , а также по каналу положительной обратной св зи через коммутатор 11 на возбуждение излучател  9. Генератор 12 гармонических колебаний на частоте f и

д

коммутатор 11 служат дл  организации канала положительной обратной св зи. Световые волны Е, и Е о„ на выходе из периодической движущейс  структуры , отфильтрованные на плоскость фотоприема , описываютс  формулами

f . -i 2 ir(;). x.v. Е„1„(а)е ; (1)

Е

on(0

Е

()-i.ta.Ub.2)

Я Е

и(о)

и Е

on (О

o(q)

И I

1(0.)

.

соответственно нулевой пор док дифракции измери- тельной и первый пор док дифракции опорной световых волн;

функции Бессел  первого рода нулевого и первого пор дков ;

частота световых волн;

частота периодической структуры; фаза измерительной и опорной световых волн;

амплитуда фазовой модул ции света на периодической структуре.

fu ч Ч-с

а

В результате оптического гетеро- динировани , описываемого формулами (1) и (2), на выходе фотопреобразовател  8 возникает электрический измерительный сигнал на частоте, равной разности частот взаимодействующих оптических компонент:

и.

BblV

и. sin2 ir(

+ Cf,), (3)

где Ug - амплитудное значение напр жени  выходного сигнала;

Cf - фаза электрического сигнала равна  разности фаз оптических компонент.

Электрический сигнал, определ емый формулой (3), по каналу положительной обратной св зи поступает на возбуждение излучател  9 и образует замкнутый контур преобразовани  измерительной информации в виде накопител  (сумма- тора) доплеровского сдвига частоты. При этом нулевой пор док дифракции измерительной световой волны  вл  сь независимым от частоты периодической структуры, служит кана- лом ввода информации в измерительную систему, а частотнозависимьй первый пор док дифракции опорной световой волны Е. . выполн ет роль оптического гетеродина при фотосмешении све- товых излучений.

Наличие канала положительной обратной св зи с выхода фотопреобразовател  8 на возбуждение излучател  9 при изменении выходного электричес- кого сигнала, определ емого по формуле (3), приводит к изменению частоты периодической движущейс  структуры, котора , облада  конечной скоростью V pраспространени , достигает коор- динаты Y взаимодействи  со световыми волнами Е и Е через врем  Л С . Наличие канала положительной обратной св зи в структуре измерительной системы дает возможность автоматического управлени  частотой оптического гетеродина Egj,, посредством управлени  частотой периодической структуры и тем самьп осуществл ет операцию суммировани , возникающего в световой измерительной волне доплеровского сдвига частоты с дискретностью времени задержки, равной дсГ , характеризующей процесс распространени  периодической структуры от излучател  до координаты Уд взаимодействи  со световыми волнами.

Таким образом, электрический измерительный сигнал в конце измерени 

описываетс  выражением

-tu

75

UpSin2 Tr

fco- И

x(t-mi E-) t+cp, UoSin2 Trr f + + f CuCfjJt +(f,},

где n- число дискрет, сумвани ;

с 5 0

5 О 0

35

0

5

t - врем  измерени , равное времени воздействи  доплеровского сдвига частоты;

Af(t) - доплеровский сдвиг частоты измерительной световой волны.

Суммарный частотный сдвиг f. (лд..) п .

(t - mu c) в выражении (4)  вhl O

л етс  дискретным аналогом интеграла и характеризует линейность переноса информации из фазового в частотный спектр электрического измерительного сигнала, причем врем  лС задержки определ ет масштабность преобразовани  фазового сдвига световых волн в пропорциональное изменение частоты выходного сигнала и может регулироватьс  изменением координаты взаимодействи  периодической структуры со световыми волнами, функци  изменени  частоты апроксимирует функцию изменени  фазыь(с), перенос  численное значение фазового сдвига световых волн в частотный спектр выходного электрического измерительного сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ измерени  фазового сдвига световых волн, основанный на организации положительной обратной св зи по фазе с выхода фотопреобразовател  на вход излучател  (в отличие от известных) преобразует измер емый фазовый сдвиг световых волн в пропорциональное изменение частоты электрического сигнала и обеспечивает повьшение точности и разрешающей способности интерференционных измерений за счет повьппе- ни  точности измерени  информативного параметра - частоты, применение в качестве цифровых отсчетных устройств стандартных электронных приборов, например частотомеров, серийно выпускаемых отечественной промьшленностью, что устран ет расходы на разработку и производство специальных блоков индикации , а следовательно дает экономию в народном хоз йстве, а также оптимизирует процесс дальнейшей обработки измерительной информации с применением микропроцессорной техники .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ измерени  фазового сдвига световых волн, заключающийс  в том, что формируют движущуюс  с посто н5138872

   ной скоростью периодическую структуру , направл ют на нее монохроматические когерентные световые потоки опорного и измерительного каналов интерферометра так, что они пересекаютс  в плоскости периодической структуры под углом, обеспечивающим пространственное совмещение пор дков дифракции световых потоков опорного и измери- о тельного каналов интерферометра, разность оптических частот которых равна частоте периодической структуры, регистрируют результат интерференции двух дифрагированных световых пото-

   ков опорного и измерительного каналов интерферометра, преобразуют его в электрический сигнал, определ ют разность фаз интерферирующих световых потоков, отличающийс  тем, что, с целью повышени  -точности и разрешающей способности измерений, измен ют частоту возбуждени  движущейс  периодической структуры путем воздействи  на ее формирование выходным электрическим сигналом, а разность фаз интерферирующих световых потоков определ ют по изменению частоты выходного электрического сигнала.

   Л1

   ,