Способ воспроизведения единицы длины в лазерных дальномерах на основе интерферометра майкельсона
Владельцы патента RU 2698699:
Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (РОССТАНДАРТ) (RU)
Изобретение относится к области измерения больших расстояний, в том числе с помощью источников когерентного лазерного излучения, и может быть использовано для точного измерения расстояния в точном машиностроении, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерения. Технический результат состоит в разработке способа воспроизведения единицы длины при разработке эталонов больших длин. Для этого излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом. В качестве источника излучения может быть использован двухмодовый или фемтосекундный лазер. Пространственный период интерференции задается соответственно межмодовой частотой двухмодового лазера, либо частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. В опорном плече интерферометра устанавливается устройство модуляции (модулятор), которое осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра. 2 ил.
Изобретение относится к области измерения больших расстояний, в том числе с помощью источников когерентного лазерного излучения, и может быть использовано для точного измерения расстояния в точном машиностроении, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерения.
Известны способы построения приборов измерения длины, в которых не осуществляется точная настройка на экстремумы интерференции, а производится счет интерференционных полос [1], они имеют высокую разрешающую способность.
К недостаткам этого известного способа следует отнести сложность аппаратуры счета интерференционных полос, ограничение скорости перемещения измерительного отражателя и требование высокоточных линейных направляющих для перемещения измерительного отражателя.
Также известны способы построения устройств измерения длины, которые основаны на измерении разности фаз промодулированных излучаемых и принимаемых колебаний [1], [2]. Эти способы не требуют наличия линейных направляющих, т.к. производится измерение абсолютной дистанции до отдельно стоящего измерительного отражателя. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую точность измерения.
По способу воспроизведению единицы длины с помощью настройки на экстремум интерференции в лазерном дальномере ближайшего аналога (прототипа) не обнаружено, но по способу определения дистанции до отражателя ближайшим аналогом выбран известный способ измерения длины, в котором производится измерение времени пролета фемтосекундного импульса до отражателя, а высокая точность измерения (десятые доли микрона) достигается за счет фазовой синхронизации частоты повторения импульсов с использованием метода оптической кросс-корреляции [3].
К недостаткам этого способа следует отнести сложность аппаратуры измерения временного смещения между опорным и измерительным импульсами. Временное смещение оценивается через оптическую кросс-корреляционную функцию с использованием периодически поляризованного кристалла KTiPO4. Из кристалла генерируются два субимпульса второй гармоники, один распространяется в прямом, а другой в обратном направлении, которые затем преобразуются в электрические сигналы с использованием пары фотодетекторов с последующим электрическим вычитанием. При устранении общего оптического и электрического шума результатом является аналоговый сигнал постоянного тока, обозначающий сбалансированную взаимную корреляцию двух основных импульсов. Этот сигнал показывает почти линейную пропорциональность временному смещению между возвратным и опорным импульсами, становится равным нулю, когда временное смещение равно нулю. К недостаткам данного метода следует отнести недостижимую в условиях открытой атмосферы избыточную точность определения момента совпадения опорного и измерительного импульсов.
Задачей изобретения является разработка способа воспроизведения единицы длины с помощью настройки на экстремум интерференции частотно модулированного излучения лазерного дальномера на основе интерферометра Майкельсона. Настройка на экстремум интерференции позволяет воспроизводить длину между разными экстремумами интерференции, что может быть использовано при разработке эталонов больших длин.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе предусмотрены следующие отличия:
а) используется низкочастотная модуляция длины опорного плеча интерферометра, что позволяет настраиваться на экстремумы интерференции и измерять расстояние между ними;
б) применяется обычный и единственный фотодетектор с усилителем рассчитанный на длину волны несущей;
в) разработана упрощенная оптическая схема.
г) возможно использование в качестве источника фемтосекундный или двухмодовый лазер;
Это избавляет от необходимости применения дорогостоящей и сложной аппаратуры и увеличивает надежность разрабатываемого средства измерения длины.
Изобретение поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена 1 схема лазерерного дальномера с настройкой на экстремумы интерференции с помощью низкочастотной модуляции длины опорного плеча, на фиг. 2 - сигнал настройки на экстремум интерференции импульсного фемтосекундного лазера при помощи модулятора длины опорного плеча.
Сущность предложенного способа заключается в следующем: излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом (фиг. 1), где 1 - лазер; 2 - делительная пластина; 3 - опорный отражатель с модулятором; 4 - измерительный отражатель; 5 - устройство приема интерференционного сигнала.
В качестве источника излучения может быть использован двухмодовый или фемтосекундный [4] лазер 1 (фиг. 1). Пространственный период интерференции задается соответственно межмодовой частотой двухмодового лазера, либо частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. В опорном плече интерферометра устанавливается устройство модуляции (модулятор) 3 (фиг. 1), которое осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра.
Модулятор представляет собой выполненное в едином узле устройство, состоящее из опорного отражателя и устройства, осуществляющего возвратно-поступательное движение этого отражателя с частотой 1÷3 Гц и амплитудой порядка 1 мм. За счет этого движения осуществляется сканирование некоторой области вокруг экстремумов интерференции, а на аппаратуре приема возникает последовательность импульсов (фиг. 2) с частотой, кратной частоте модуляции. Эта последовательность импульсов в дальнейшем используется для настройки на экстремум интерференции. Также в модуляторе предусмотрено устройство, формирующее импульс синхронизации сигнала, которое во время работы модулятора формирует прямоугольный импульс в средней точке хода модулятора.
Так как сканирование области интерференции происходит с амплитудой модуляции порядка 1 мм, то расстояние между экстремумами интерференции должно быть не менее нескольких миллиметров. Это в свою очередь накладывает ограничение на величину межмодовой частоты двухмодового лазера или частоту повторений импульсов лазера. Она не может быть более нескольких гигагерц.
Демодулирование сигналов, пришедших с измерительного плеча и опорного плеча, осуществляется в устройстве приема интерференционного сигнала 5 (фиг. 1). При использовании в качестве источника излучения фемтосекундного или двухмодового лазера критерием настройки на экстремум интерференции служит исчезновение в спектре демодулированного сигнала первой гармоники сигнала модуляции. В спектре этого сигнала остается только вторая гармоника сигнала модуляции.
Расстояние между двумя соседними экстремумами определяет единицу измерительного масштаба, которая соответствует частоте повторения импульсов лазера или межмодовой частоте двухмодового лазера.
Библиография
1. В.Д. Большаков, Ф. Деймлих, А.Н. Голубев, В.П. Васильев «Радиогеодезические и электро-оптические измерения». Москва. «Недра». 1985 г.
2. В.П. Данильченко, А.М. Андрусенко, И.В. Лукин, И.С. Олейник. "Исследования в области метрологического обеспечения лазерных дальномеров". Сборник научных трудов ВНИИМ под ред. К.т.н. В.П.Данильченко. Ленинград. 1981 г. с. 3-32.
3. Young-Jin Kim. Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses. Nature Photonics. August 2010 r.
4. П.Г. Крюков Лазеры ультракоротких импульсов и их применение: Учебное пособие / П.Г. Крюков - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 248 с.
Способ воспроизведения единицы длины в лазерных дальномерах на основе интерферометра Майкельсона, заключающийся в том, что измерение длины (расстояния) основано на регистрации сигнала совпадения импульсов фемтосекундного лазера, и отличающийся тем, что с помощью низкочастотной модуляции длины опорного плеча осуществляют настройку на экстремумы интерференции для измерения расстояния между ними при использовании в качестве источника излучения фемтосекундного или двухмодового лазера, а критерием настройки на экстремум интерференции служит исчезновение в спектре демодулированного сигнала первой гармоники сигнала модуляции.
