Устройство для измерения флуктуации фаз в оптическом диапазоне
Патент 334536
Классы МПК
Устройство для измерения флуктуации фаз в оптическом диапазоне
Иллюстрации
Реферат
334536
ОП ИСАНИ Е
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
Зависимое от авт. свидетельства М—
Заявлено 19.11.1970 (Ф 1406209/26-25) с присоединением заявки M—
Приоритет—
Опубликовано 30.111.1972. Бюллетень Хр 12
Дата опубликования описания ЗО.IV.1972
М. Кл. G 02Ь 27/00
Комитет ло делам изобретений и открытий при Совете Министров
СССР
УДК 535.854(088.8) Авторы изобретения
А. В. Шабельников и Ю. И. Бехтии
Институт радиотехники и электроники АН СССР
Заявитель
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ ФАЗ
В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ
Изобретение относится к технике измерения флуктуаций фаз когерентного света, прошедшего через турбулентную среду. Устройство может найти применение во всех тех случаях, когда требуется измерить величину изменения оптической длины пути, пройденного пучком когерентного света.
Для измерения флуктуаций фаз световых волн обычно используют устройства, основанные на методе интерференции. Необходимую информацию получают путем анализа дрожания полос интерференционной картины, предварительно записанной на фотопленке.
Иначе говоря, на выходе таких устройств регистрируются данные о структуре интерференционной картины, Для получения информации о флуктуациях разности фаз наложенных пучков (или о флуктуациях фазы одного из них при условии постоянства фазы другого пучка) предполагается последующий анализ изменений (флуктуаций) структуры интерференционной картины.
Устройства, основанные на методе интерференции, чувствительны к фоновым засветкам, снижающим контрастность интерференционной картины, из-за чего затрудняется последующий процесс обработки записей.
Флуктуации интенсивности интерферирующих пучков также приводят к снижению контрастности интерференционной картины.
Кроме того, метод интерференции в принципе является интегральным по пространству.
Он предполагает интегрирование разности фаз по плоскости поперечного сечения пучка, так как для обработки интерферограмм необходима одновременная запись нескольких максимумов интенсивности (трех как минимум).
Цель изобретения — повышение чувстви10 тельности, расширение динамического и частотного диапазонов, обеспечение помехозащищенности устройства от фоновых шумов, непрерывности записи сигнала путем разработки устройства, основанного на известном
15 методе гетеродинирования оптических волн.
Это достигается тем, что используют днфракционно-доплеровский модулятор, позволяющий получить два световых пучка, разнесенных в пространстве и по частоте.
20 Сигнал записывают с помощью шлеифового осциллографа двухканальньв| квадратурньнм методом. Примененная форма записи сигнала позволяет однозначно определить величину фазы световой волны, на иная с
25 за а д нного момента времени. В начальный момент времени фаза волны принимает< я равной нулю.
H3ф.1 а фиг. 1 показана олок-схема устройства; на фиг. 2 — дифракционно-доплеровский
30 модулятор в двух проекциях.
334536
siIl х„: — а — —, (1) 45 где и= 1; +2... — номер пучка; — длина волны света л — период дифракционной решетки
В данном случае точку пересечения падающего луча с решеткой можно рассматривать как двигающийся с линейной скоростью v генератор вторичных лучей. В результате эффекта Доплера вторичные пучки испытывают частотный сдвиг ® определяемый по формуле:
Qf=--- а
Л (2) Для работы были выбраны пучки под номером +1 и — 1. Разность частот между ними составляла 10 кги.
Фаза сигнала ПЧ равна разности фаз исходных смешиваемых пучков. При изменении коэффициента преломления среды, г которой
Излучаемый гелий-неоновым лазером 1 пучок 2 когерентного света проходит через дифракционно-доплеровский модулятор 8, который позволяет получить два пучка 4 и 5, разнесенные в пространстве и по частоте. 5
После коллимирующей линзы б пучки 4 и 5 направляются по параллельным путям через полупрозрачные зеркала 7 вдоль трассы, длиной L, с исследуемой средой. В конце этой трассы лучи с помощью отражающего зерка- 10 ла 8 совмещаются на полупрозрачном зеркале 9 и поступают на фотоумножитель 10, на котором выделяется информационный сигнал промежуточной частоты (ПЧ), равный разности частот исходных пучков. 15
Опорный сигнал формируется в начале трассы на полупрозрачном зеркале 11 и выделяется на фотоумножителе 12. Информационный сигнал с выхода фотоумножителя
10 через селективный усилитель 18 и ограни- 20 читель 14 амплитуд поступает на два синхронных детектора 15 и lб, выходы которых подключены к шлейфовому осциллографу 17.
Опорный сигнал, управляющий работой ключей синхронных детекторов, усиливается селективным усилителем 18.
Дифракционно-доплеровский модулятор выполнен в виде диска 19 с дифракционной решеткой 20, вращаемого электромотором 21.
Пучок 2 когерентного света, пройдя через дифракционную решетку, расслаивается на множество вторичных пучков (дифракционных максимумов) . Центральный вторичный пучок является продолжением падающего пучка. Остальные пучки в простейшем случае (когда штрихи одномерной дифракционной решетки расположены вертикально, а направление распространения падающего пучка совпадает с нормалью к плоскости днфрак ционной решетки), составляют в горизонталь- 4о ной плоскости с центральным (нулевым) пучком угол а, определяемый из выражения: распространяется один из пучков, меняется фаза последнего. При постоянстве фазы второго пучка изменение фазы сигнала ПЧ равно изменению фазы первого пучка.
Работа устройства основана на сравнении фазы сигнала ПЧ () в конце трассы с фазой опорного сигнала, величина которой может быть принята равной нулю (),Д = 0).
Известно, что напряжение на выходе синхронного детектора (Ui) пропорционально синусу фазы (при постоянной амплитуде) входного сигнала (). Аналитически это может быть записано в виде выражения:
U = k.sin ), (З) где Й вЂ” коэффициент пропорциональности.
Поскольку напряжение на выходе синхронного детектора (Л, а требуется информация об изменениях (флуктуациях) фазы, то обработка записей сводится к определению фазы по записи выходного напряжения
Ui. Но функция
4 ==-- arcsin
lг (4) есть функция неоднозначная.
Для устранения неоднозначности используется квадратурный метод записи сигнала, сущность которого заключается в том, что одновременно с записью основного сигнала согласно формуле (3) записывается дополнительный сигнал, фаза которого отличается на
90 от основного (сигналы находятся в квадратуре). В этом случае напряжение на выходе второго синхронного детектора записывается в виде (5) U =- k. соз р
По записи сигнала квадратурным методом фаза определяется как функция двух аргументов
U . U
У 1 7 2 и - и по формулам ф —. atcsinX, =- агссоз" ., (6)
Флуктуации фазы по формулам (6) определяется однозначно.
Предмет изобретения
1. Устройство для измерения флуктуаций фаз в оптическом диапазоне, содержащее лазер, измерительный и опорный каналы; при этом в измерительном канале установлены двухлучевая оптическая система с исследуемой средой, фотоэлектронный умножитель, усилитель, ограничитель, а в опорном канале установлены двухлучевая оптическая система, фотоэлектронный умножитель и усилитель; схему сравнения, к входам которой подключены выходы указанных каналов, и записывающее устройство, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности, расширения динамического и частотного диачазонсв, увеличения помехозащищенности
334536
Составитель В. Зверев
Техред Т, Ускова
Корректор Е. Михеева
Редактор И. Грузова
Заказ 77/791 Изд. № 459 Тираж 448 Подписно
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Москва, K-35, Раушскан наб., д. 4/5
Тип. Харьк. фил. пред. «Патент:> устройства от фоновых шумов и обеспечения непрерывности записи сигнала, между лазером и оптическими системами включен дифракционно-доплеровский модулятор и коллимирующая линза.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифракционно-доплеровский модулятор выполнен в виде вращаемого электромотором диска, на краю которого размещена дифракционная решетка.