Устройство для измерения фазовых сдвигов излучения ик- диапазона

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ (») 506755

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51) М. Кл G01B 9/02 (22) Заявлено 15.11.74 (21) 2075592/26-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 15.03.76. Бюллетень № 10

Дата опубликования описания 22.12.76

Гасударственный кантат

Саввта Министров СССР аа долам изобретений и открытий (53) УДК 535.854 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ж. Желкобаев, В. В. Календин, В. И. Кухтевич, В. И. и В. А. Федосеев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ

ИЗЛУЧЕНИЯ И К-ДИАПАЗОНА

Изобретение относится к области измерительных приборов инфракрасного диапазона

3 — 12 мкм и предназначено для измерения фазовых сдвигов когерентного излучения лазеров, вносимых какими-либо фазовыми объектами.

Известны устройства для осуществления измерений в различных диапазонах длин волн, например, методом одногенераторного супергетеродинного измерения ослабления и фазового сдвига в миллиметровом и субмиллиметтрювам диапазоне длоон,волн. В TBKOIM IHBмерителе информация об изменении амплитуды и фазы,в т1ра кте СВЧ переносится на сигнал промежуточной частоты, такой перенос осуществляется благодаря использованию сдвоенного непрерывного поляризационного фазовращателя. С помощью измерителя можно одновременно измерять ослабления в диапаз0не до 70 дб и фазовый сдвиг с ототтрешностью не более 0,1 и 0,2 соответственно.

Для измерений фазовых сдвигов в

ИК вЂ” диапазоне используется устройство на основе интерферометра Майкельсона для изучения электрооптических коэффициентов полупроводниковых кристаллов. Основным недостатком этого устройства является низкая точность измерений (10 фазы), обусловленная зависимостью величины сигнала постоянного тока фотодетектора, несущей ин2 формацию об измеряемом фазовом сдвиге, от интенсивности излучения лазера.

Повышение точности измерений может быть достигнуто компенсационным методом

5 измерений и фазовой модуляцией в одном из плеч интерферометра, которые используются в измерителе фазовых сдвигов в диапазоне

9 — 11 мкм на основе двухлучевого интерферометра. В этом устройстве информация об

10 измеряемом фазовом сдвиге заключена в амплитуде переменного тока первой гармоники частоты модуляции. Измерение фазовых сдвигов, вносимых исследуемым объектом, производится методом сравнения с калиброванным пьезокерамическим фазовым компенсатором. Критерием компенсации является минимум амплитуды первой гармоники частоты модуляции.

Такое устройство также имеет ряд сущею ственных недостатков, к числу которых следует отнести: невысокую точность измерений (4 фазы), обусловленную отсутствием образцовых средств для проведения калибровки фазовых компенсаторов; зависимость та25 кой калибровки от параметров ИК вЂ” излучения; малый динамический диапазон измеряемой величины (Π— 180 фазы).

Целью изобретения является повышение чувствительности измерений.

30 Эта цель достигается путем переноса ин506755

50

3 формации об измеряемых фазовых сдвигах когерентного излучения лазера ИК-диапазона в широком диапазоне плотностей мощности, вносимых фазовыми объектами в измерительном канале двухлучевого интерферометра, на сигнал промежуточной частоты.

Для этого в предлагаемом устройстве в каждый канал интерферометра введены однополосный акустооптический модулятор и система формирования светового потока, выполненная в виде двух фокусирующих элементов, фокусы которых совмещены в плоскости однополосного модулятора, причем световой пучок направляется на модулятор под углом Брэгга так, что sinO = n -, где

2Л

i. — длина волны ИК-излучения, Л вЂ” длина волны ультразвука, и-коэффициент преломления акустооптического материала.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство, состоящее из оптической и электронной частей. Оптическая часть представляет собой двухлучевой интерферометр, элементы которого размещаются на основании 1, расположенном внутри термостатированного герметичного кожуха 2.

Кожух служит для снижения акустических помех и температурных градиентов (в 10 раз). В кожухе есть входное окно 3 для поступления излучения лазера 4 на углекислом газе (i = 10,6 мкм) на интерферометр и выходное окно 5 для вывода неиспользуемой части этого излучения за пределы кожуха. Основание интерферометра представляет собой массивную плиту из ситалла, низкий коэффициент теплового расширения которого обеспечивает достаточную стабильность разности фаз при флуктуациях и дрейфе температуры.

Для уменьшения сейсмических помех устройство располагается на воздушных подушках.

Двухлучевой интерферометр состоит из измерительного и опорного каналов. Измерительный канал составлен из общего для обоих каналов первого светоделительного устройства 6 и второго светоделительного устройства 7. Опорный канал включает в себя отражающий элемент 8, а также общий для обоих каналов элемент 9 совмещения пучков, за которым установлен фотодетектор 10, преобразующий оптические сигналы в электрические. Световой поток в измерительном канале обозначен сплошной линией, а в опорном — пунктирной. B измерительном канале интерферометра установлен исследуемый фазовый объект 11. В опорном канале расположено фазосдвигающее устройство 12, при помощи которого можно изменять фазовую задержку светового потока в этом канале. В обоих каналах интерферометра симметрично размещены акустооптические однополосные модуляторы 13 и 14 с системами формирования световых потоков, выполненными в виде двух фокусирующих элементов: 15 и 16 в из10

l5

Зо

4 мерительном канале и 17 и 18 канале.

Электронная часть включает в себя следующие блэки. Полосовой фильтр спрэмежуточной частоты 19, па который поступает электрический сигнал с фотодетектора; генераторы питания однополосных модуляторов измерительного 20 и опорного 21 каналов, предназначенные для подачи питающих напряжений на эти модуляторы, а также радиочастотный сместитель частоты генераторов питания 22; высокоточный цифровой радиочастотный фазометр 23 подключен к выходам полосового фильтра промежуточной частоты и радиочастотного смесителя частот генераторов питания однополосных модуля. торов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 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 исследуемый прозрачный фазовый объект 11, второе светоделительное устройство 7 и выходное окно 5 устройства. Светоделительное устройство 7 направляет на фокусирующий элемент 15 измерительного канала световой поток, примерно равный потоку в опорном канале. Сфокусированные с помощью элементов 15 и 17 пучки измерительного и опорного ка налэв попадают на д ва щнополoGHbIx модулятора 13 и 14. Питание (возбуждение) однополосных модуляторов осуществляется на двух близких рад иочастотах F и F около 75 МГц, расстроенных друг относительно друга на частоту, равную 100 кГц. После однополосных модуляторов излучение лазера направляется под углами Брэгга

Î = arcsin и, 0> — — arcsin n

Л . Л

2Л, 2 (., (где Л и Л вЂ” длины волн ультразвука, возникающего в результате возбуждения модуляторэв 13 и !4 соответственно) на фокусирующие элементы 16 и 18, формирующие параллельные пучки, и далее на элемент 9.

На элементе 9 происходит совмещение пучков измерительного и опорного каналов, В опорном канале предварительно до элемента совмещения пучков излучение отражается элементом 8 и проходит через прозрачное фазосдвигающее устройство 12. Суммарный световой поток поступает на фотодетектор 10, на котором производится смещение частот двух оптических сигналов, поступающих на него из измерительного и опорного каналов и преобразование их в электрический сигнал. Эти частоты получаются в результате сдвигов одной и той же частоты

ИК-излучения лазера с помощью однополос506755

5 ных модуляторов в измерительном и опорном каналах интерферометра.

Электрический сигнал с фотодетектора поступает на полосой фильтр 19, выделяющии из спектра этого сигнала составляющую с разпостной частотой. Фаза синусоидального сигнала промежуточной частоты зависит от фазовых сдвигов, вносимых фазовым объектом 11, в оптическом тракте измерительного канала интерферометра, На радиочастотном смесителе осуществляется смещение рабочих частот генераторов питания однополосных модуляторов и выделение из разностной частоты 100 кГц с постоянной фазой. Радиочастотный цифровой фазометр 23 измеряет разность фаз сигналов, поступающих на его входы с полосового фильтра и смесителя, которая пропорциональна фазовым сдвигам в измерительном канале интерферометра.

Таким образом, применение в данном устройстве акустооптических однополосных модуляторов и гомодинного преобразования частоты когерентного излучения лазера с помощью двухлучевого интерферометра позволяет осуществить перенос информации об измеряемом фазовом сдвиге ИК-излучения, вносимом прозрачными фазовыми объектами, на сигнал промежуточной радиочастоты, на которой возможны измерения фазовых сдвигов с помощью высокоточных радиочастотных фазометров.

Применение в предлагаемом устройстве двух однополосных модуляторов позволяет получить достаточно низкую промежуточную частоту 100 кГц, на которой можнодостипнуть более высокой точности измерения разности фаз, чем на частоте около 75 МГц. Кроме того, при работе на частоте 100 кГц снижается влияние высокочастотных когерентных помех. Такое устройство позволяет измерять фазовые сдвиги когерентного излучения лазера (10,6 мкм) в пределах от 0 до 360 с з погрешностью не более 0 1 при мощности излуч ен и я до 50 вт.

Формула изобретения

lO

Устройство для измерения фазовых сдвигов излучения ИК-диапазона на основе двухлучевого интерферометра, в измерительном канале которого расположены последователь15 но по ходу излучения исследуемый фазовый объект и светоделительное устройство, а опорный канал содержит отражающий элемент, фазосдвигающее устройство, а также общие для обоих каналов элемент совмеще20 ния пучков и фотодетектор, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений путем переноса информации о фазовых сдвигах когерентного излучения

ИК-диапазона на сигнал промежуточной ча25 стоты, в каждый канал интерферометра введены акустооптический модулятор и система формирования светового потока, выполненная в виде двух фокусирующих элементов, фокусы которых совмещены в плоскости модуля30 тора, причем модулятор установлен по отношению к падающему световому пучку под углом О так, что

Sin8 = и —" где i. — длина волны ИК-излучения, Л— длина волны ультразвука; и — коэффициент преломления акустооптического материала.

506755 у 2

Составитель Н, Решетников

Техред О. Кудинова Корректор Л. Котова

Редактор Н, Шубина

МОТ, Загорский филиал

Заказ 4907 Изд. Мз 1192 Тираж 864

ЦНИИП ираж Подписное

ПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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