Устройство для измерения фазовых сдвигов лазерного излучения

 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения фазовьк сдвигов, вносимых прозрачными и полупрозрачными объектами на частоте лазерного излучения в импульсном режиме. Устройство содержит термостатированный герметичньш кожух 2 с входным окном 3 для ввода излучения лазера 4 и вы-f ходным окном 5. Внутри размещены светоделительные устройства 6, 9, оптический затвор 7, отражающий элемент 10, фазосдвигающее устройство 11, элемент 12 совмещения световых пучков, фотодетектор 13, однополюсные акустооптические модуляторы 14, 15, системы формирования световых потоков, выполненные в виде двух фокусирующих элементов 16, 17 и 18, 19 соответственно. Электронная часть включает радиочастотный фазометр 20, полосовой фильтр 21 промежуточной частоты, радиочастотный смеситель 22, генераторы 23, 24 питания, делитель 25 частоты, генератор 26 импульсов, фазовь1й детектор 28, фильтры 27, 29, управляющий элемент 30. Устройство имеет расширенные функциональные возможности за счет измерения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме. 1 ил. с « (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А2 (51) 4 С 01 В 9 02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

° ч, йср;,,„

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

6 ф,) 1 ..

gag 4" 1-:ф (61) 506755 (21) 4046370/24-21 (22) 0 1.04.86 (46) 23.03.88. Бюл. Р 11 (71) Винницкий политехнический институт (72) С.Н. Горбатюк, В,В. Календин и В.Я. Супьян (53) 535,854(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 506755, кл. G 01 В 9/02, 1976.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения фазовых сдвигов, вносимых прозрачными и полупрозрачными объектами на частоте лазерного излучения в импульсном режиме. Устройство содержит термостатированный герметичный кожух 2 с входным окном

3 для ввода излучения лазера 4 и вы

I ходным окном 5. Внутри размещены светоделительные устройства 6, 9, оптический затвор 7, отражающий элемент 10 фазосдвигающее устройство

11, элемент 12 совмещения световых пучков, фотодетектор 13, однополюсные акустооптические модуляторы 14, 15, системы формирования световых потоков, выполненные в виде двух фокусирующих элементов 16, 17 и 18, 19 соответственно, Электронная часть включает радиочастотный фазометр

20, полосовой фильтр 21 промежуточной частоты, радиочастотный смеситель 22, генераторы 23, 24 питания, делитель 25 частоты, генератор 26 импульсов, фазовый детектор 28, фильтры 27, 29, управляющий элемент

30. Устройство имеет расширенные функциональные возможности за счет измерения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме. 1 ил.

1383089

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения фазовых сдвигов, вносимых прозрачными нли полупрозрачными объектами на частоте лазерного излу5 чения в импульсном режиме, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем измерения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Злементы двуплечего интерферометра размещены на основании 1, расположенном внутри термостатированного герметичного кожуха 2, имеющего входное окно 3 для ввода излучения лазера 4 и выходное окно 5 для вывода неиспользованной части лазерного излучения за пределы кожуха. Двухлучевой интерферометр состоит из измерительного и опорного каналов, оптически связанных с соответствую4 щими выходами первого светоделитель- 25 ного устройства 6, оптический вход которого через входное окно 3 связан с лазером 4. Световой поток в измерительном канале обозначен на чертеже сплошной линией, а в опорном — пунктирной. Измерительный канал включает в себя последовательно расположенные оптически связанные оптический затвор 7, исследуемый прозрачный или полупрозрачный объект 8 и второе светоделительное устройство 9. Опорный канал включает в себя отражающий элемент 10, через фазосдвигающее устройство 11 оптически связанный с первым входом элемента 12 совмещения световых пучков. Второй оп40 тический вход элемента 12 связан с первым выходом второго светоделительного устройства 9 измерительного канала двухлучевого интерферометра.

Второй оптический выход второго светоделительного устройства 9 связан с выходным окном 5. Выход элемента

12 совмещения световых пучков оптически связан с входом фотодетектора

13. В обоих каналах интерферометра, 50 измерительном и опорном, симметрично размещены однополосные акустооптические модуляторы 14 и 15 соответственно с системами формирования световых потоков, выполненных в виде двух фокусирующих элементов каждая 16, 17 и 18, 19 соответственно, причем фокусы каждой пары совмещены в плоскости соответствующего однополосного .акустооптического модулятора. Однополосные акустооптические модуляторы 14 и 15 установлены под углом Врэгга к световым пучкам.

Злектронная часть включает в себя радиочастотный фазометр 20, первый вход которого через полосовой фильтр промежуточной частоты 21 соединен с выходом фотодетектора 13, а второй — с выходом радиочастотного смесителя 22, к входам которого подключены выходы генераторов питания однополосных акустооптических модуляторов измерительного 23 и опорного 24 каналов интерферометра. Делитель 25 частоты подключен своим входом к выходу генератора 26 импульсов, питающего оптический затвор 7, а выходом через первый фильтр 27 к первому входу фазового детектора 28, к второму входу которого подключен выход радиочастотного смесителя 22, Выход фазового детектора 28 через второй фильтр 29 соединен с входом управляющего элемента 30, выход которого подключен к частотозадающему входу генератора питания однополосного акустооптического модулятора 24 опорного канала интерферометра.

Устройство работает следующим образом.

Непрерывное излучение лазера 4 через входное окно 3 поступает на двухлучевой интерферометр. Первое светоделительное устройство 6 направляет небольшую часть мощности излучения лазера в опорный канал интерферометра. Основная часть излучения проходит в измерительном канале интерферометра через оптический затвор

7, управляемый импульсным напряжением генератора 26, где непрерывное излучение лазера преобразуется в. импульсно-модулированное, исследуемый объект 8, второе светоделительное устройство 9 и выходное окно 5 устройства. Светоделнтельное устройство

9 направляет на фокусирующий элемент

16 измерительного канала световой импульсно-модулированный поток, примерно равный потоку в опорном канале. Сфокусированные с помощью элементов 16 и 18 пучки измерительного и опорного каналов поступают на два однополосных акустооптических модулятора 14 и 15. Питание (возбуждение) однополосных акустооптических моду1383089 l0

20

à csin п

1 2Л

arcsin n

2 Л ляторов осуществляется напряжением фиксированной частоты, в пределах

5-80 МГц. Частота возбуждения определяется конструктивными размерами кварцевой пластины выбранного вида модулятора. Питающие напряжения генераторов 23 и 24 расстроены на частоте друг относительно друга на

Я. величину f = -=- = 10-100 кГц, опре2й деляющую значение промежуточной частоты.

При прохождении через однополосные акустооптические модуляторы 14 и. 15 излучение лазера получит смещение по частоте на величину

I с/Л, = )) и отклонится на угол

Брегга где с — скорость распространения света в вакууме, — длина волны излучения лазера в акустооптическом материале, Л,,Л вЂ” длины волн ультразвука, возникающего в результате возбуждения соответствующих однополосных акустооптических модуляторов

14 и 15. и — коэффициент преломления акустооптического матери. ала.

Фокусирующие элементы 17 и 19 формируют параллельные пучки. В опорном канале сформированный пучок отражается элементом 10 и проходит через прозрачное фаэосдвигающее устройство 11 на элемент 12, где производится совмещение пучков импульсномодулированного лазерного излучения измерительного канала и непрерывного лазерного излучения опорного канала. Суммарный световой поток поступает на фотодетектор 13, на котором происходит фотосмещение частот двух оптических сигналов и преобразование их в электрический сигнал, 1

Электрический сигнал с фотодетектора поступает на фильтр 21, выделяющий из его спектра составляющую с

55 с - с разностной частотой f = — =(у вЂ,- )

2% Т; V

Так как длительность модулирующих импульсов намного меньше периода раэностной частоты f, то выходной сигнал фотодетектора имеет вид коротких видеоимпульсов с модуляцией по амплитуде, огибающая которого повторяет колебание разностной частоты f. Разность фаз между огибающей видеоимпульсного сигнала фотодетектора и разностной частотой генераторов 23 и 24, сформированной с помощью смесителя 22, соответствует фазовому сдвигу, вносимому измеряемым объектом 8.

Систематическая погрешность измерений, вызванная разностью хода лучей в интерферометре и другими причинами, устраняется с помощью фазосдвигающего устройства 11.

Импульсный сигнал генератора 26 поступает на делитель с коэффициентом деления (m+2), где m — целое положительное число, m > 1 ° Из выходного сигнала делителя 25 в первом фильтре 27 выделеяется первая гармоника основной частоты и подается на первый вход фазового детектора 28.

На второй его вход подается разностная частота f с радиочастотного смесителя 22. Частота F генератора 26 импульсов устанавливается равной

Р=Х(тп+2) . Для устранения действия дестабилизирующих факторов на генераторы 23,24,26, вызывающих уход их частоты, применена цепь автоподстройки промежуточной частоты f по отношению к частоте выходного сигнала делителя 25. Частоты этих сигналов сравниваются по фазе в детекторе

28. Выходной сигнал фазового детектора 28, который является периодической функцией величины их расстройки, через фильтр 29 подается на управляющий элемент 30, реактивность которого изменяется в зависимости от величины выходного напряжения фазово. го детектора. Изменяемая реактивность управляющего элемента 30, подключенная к частотозадающей цепи генератора 24 опорного канала, изменяет его частоту в сторону уменьшения разности частот f и F/(m+2), приложенных к входу фазового детектора. Таким образом. обеспечивается синхронизация по фазе сигналов от генераторов 23, 24 и 26 и выполнение соотношения

1383089 фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме.

Р . с)

{ш+2)

f Q.

Составитель И.Коновалов

Техред Л.Сердюкова

Редактор С.Патрушева

Корректор М.Максимишкнец

Тираж 680 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5.

Заказ 1280/34

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 необходимого для трансформации фазового сдвига, вносимого объектом 8 в импульсное излучение лазера, где

Соотношение получено экспериментально по наименьшему значению фазовой девиации сигнала радиочастотного смесителя 22 частот генераторов

23 и 24 питания.

Фазовый сдвиг, вносимый объектом

8, трансформируется на сигнал промежуточной частоты f и измеряется фазометром 20 относительно опорного сигнала с радиочастотного смесителя 22.

Сигналы, подаваемые на фазометр, представляют собой низкочастотные гармонические процессы. фазовый сдвиг между которыми равен фаэовому сдвигу, вносимому объектом 8 в импульсное лазерное излучение.

Введение в устройство дополнительных элементов и выполнение условия задания частот М и Я обеспечивает масштабно-временное преобразование измеряемого импульсного лазерного излучения в низкочастотный непрерывный сигнал с неизменными фазовыми соотношениями и тем самым измерение

5 Формула из обретения. Устройство для измерения фазовых сдвигов лазерного излучения по авт.св, Ф 506755, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения фазового сдвига лазерного излучения в импульсном режиме, в него введены дополнительно оптический затвор, генератор импульсов, делитель частоты, управляющий элемент, первый и второй фильтры, фазовый детектор, причем генератор импульсов подлючен к входу делителя частоты и электрическому входу оптического затвора, выход делителя частоты через первый фильтр соединен с первым входом фазового детектора, к второму входу которого подключен выход радиочастотного смесителя, выход фазового детектора через второй фильтр соединен с входом управляющего элемента, выход которого подключен к частотозадающему входу генера30 тора питания однополосного акустооптического модулятора опорного канала интерферометра, а оптический затвор расположен в измерительном канале интерферометра между первым светоделительным устройством и исследуемым объектом.