Способ определения коэффициента преломления среды

Способ определения коэффициента преломления среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

«i >1 55448 5

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.11.75 (21) 2193332/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 15.04.77. Бюллетень № 14

Дата опубликования описания 24.06.77 (51) М. Кл G 01N 21/46

Государственный комите

Совета Министров СССР со делам изобретений и открытий (53) УДК 535.8(088.8) (72) Авторы изобретения

В. И. Богаткин, Л. В. Другов, Г. Д. Лобов и В. В. Штыков

Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ПРЕЛОМЛЕНИЯ СРЕДЫ

Изобретение относится к области измерения интерферометрическими способами коэффициента преломления, а также других параметров исследуемой среды, тем или иным образом связанных с коэффициентом преломления.

Известны различные интерферометрические способы определения коэффициента преломления среды, основанные на измерении фазового набега электромагнитных волн, проходящих через исследуемую среду.

Известен способ определения коэффициента преломления исследуемой среды, состоящий в. том, что излучение двух длин волн пропускают через исследуемую среду и определяют разность коэффициентов преломления среды для этих длин волн.

Недостатком данного способа является то, что определение абсолютного значения коэффициента преломления этим способом возможно лишь при условии, что известно значение коэффициента преломления среды для одной из длин волн.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения коэффициента преломления, который состоит в том, что излучением, содержащим колебания нескольких частот, зондируют исследуемую среду, измеряют сдвиг фаз волн, прошедших через среду, и по величине изменения фазы определяют коэффициент преломления среды на данной частоте.

Недостатком этого способа является то, что для однозначного определения величины изменения фазы при (h,y) )л радиан необходим счет интерференционных полос. Кроме того, при малых длинах волн для однозначности измерений длина пути излучения в исследуемой среде должна быть тоже мала.

1О Целью изобретения является расширение диапазона исследуемых сред.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу выделяют колебания на разностных частотах зондирующего излучения, прошед15 шего через среду, и опорного излучения, измеряют разность фаз выделенных колебаний с помощью устройства сравнения сигналов оазностной частоты по фазе и определяют коэффициент преломления на заданной частот по

20 формуле, причем частоты излучения илн протяженность среды выбирают таким образом, чтобы разность фаз каждого из выделенных колебаний не превышала пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов

25 разностной частоты по фазе.

На фиг. 1 приведена блок-схема установки, работающей по предлагаемому способу; на фиг. 2 — один из возможных вариантов установки для определения коэффициента преЗО ломления среды с использованием в качестве

554485

15 источника излучения лазера на углекислом газе (СО -лазера).

Источник излучения 1 генерирует одновременно электромагнитные колебания нескольких частот. При помощи делителя 2 луча излучение источника разделяется на два луча, один из которых используется для зондирования исследуемой среды 3. Затем опорный и зондиряющий лучи поступают на преобразователи

4 и 5 соответственно, на выходе которых выделяются колебания промежуточной частоты.

Амплитуды колебаний промежуточной частоты уравниваются при помощи аттенюаторов

6 и 7. Фазовращатель 8 используют для установки начальной нулевой разности фаз колебаний промежуточной частоты в отсутствие исследуемой среды. С выхода аттенюатора 7 и с выхода фазовращателя 8 колебания промежуточной частоты поступают на устройство

9 сравнения колебаний по фазе.

Рассмотрим случай зондирования исследуемой среды протяженностью L тремя волнами с произвольными, но достаточно близкими частотами а,, а;, coi„ причем для определенности предположим, что а;(о;(ад,. Изменение фазы ЛФ;, ЛФ;, ЛФ, каждой из этих волн, обусловленное прохождением их через исследуемую среду, равно % = аг

С л„— и (1)

С дФ ло лв у

С где и;,и;, пк — коэффициенты преломления среды соответственно на частотах о;, а;, ау. Изменения фазы бФ;; = ЛФ,— ЛФ; и бФд; ==ЛФ вЂ” ЛФ, колебаний промежуточных частот ь;;=в; — а; и о „.=в — о;, выделяемых на выходе преобразователя частоты 4

L >gi = (ауР»+ асс "J J)

ОФду {а/г пp + à>пg — а/г п ) — . {2)

С

Поскольку предполагается что а;; и а ; малы по сравнению с каждой из частот co„, со;, а, то коэффициенты преломления и; и п, можно представить в виде дп

@с = п(аs) = п(аj "ii) = пу ( д.»

1 ю,=п,.+ — " (3)

Подстановка выражений (3) в уравнения (2) и решение полученной системы уравнений отдл носительно и; и а, дает д» п =по+ (о٠— "" «оФ., )1, 1,с»У \, »ч <»1; / дл С (Фу; N>q, ) (4)

7 д» ., L >; 1,,-;,„. )

1 где ад;=э — а;.

Таким образом, зоидируя исследуемую среду излучением, содержащим колебания нескольких частот, выбирая произвольные три колебания с частотами ад, а;, а и производя измерения величин изменения фаз, например

6Ф;; и бФ ;, двух колебаний промежуточных частот, можно опеределить коэффициент преломления среды и, на частоте о; и диспердл сию — а, коэффициента преломления на той д же частоте. При заданном значении одной из частот а; две другие частоты а; и ад выбирают таким образом, чтобы изменение фазы M?,; и бФ „колебаний промежуточной частоты оц; и а „не превышало пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов по фазе.

Данный способ определения коэффициента преломления среды применим в радиочастотном, сверхвысокочастотном и оптическом диапазонах волн. В оптическом диапазоне в качестве источника излучения можно использовать, например, СО>-лазер, который может генерировать одновременно на нескольких длинах волн вблизи 10,6 мкм. Выделение разиостных частот можно осуществить при помощи распределенных систем с электрооптическими кристаллами или точечных детекторов со структурой металл — диэлектрик — металл.

Схема установки с использованием в качестве источника излучения СО -лазера и преобразователей на электрооптических кристаллах из арсенида галлия CaAs представлена на фиг. 2.

В установке используют СО>-лазер 10, работающий в режиме одновременной генерации нескольких частот. Этот лазер работает в импульсном режиме, хотя можно использовать и режим непрерывной генерации. Его питание осуществляется от импульсного блока питания 11. Излучение лазера 10 делится на два луча пластинкой 12 из кристалла кремния. Один из лучей используется для зондирования исследуемой среды 13, второй — для формирования опорного сигнала. Излучение в каждом из каналов фокусируется линзами

14 и 15 из бромистого калия КВг на кристаллы 16 и 17 из арсенида галлия GaAs, помещенные в прямоугольные металлические волноводы. Посредством кристаллов GaAs осуществляется преобразование излучения СО>лазера. С выхода преобразователей сигналы разностной частоты миллиметрового диапазона поступают в плечи Е и Н двойного волноводного тройника 18, выполняющего роль сумматора. Результирующий сигнал разностной частоты и излучение от гетеродина 19, в качестве которого используют маломощный клистронный генератор миллиметрового диапазона, подаются на смесительный диод 20.

Напряжение сигнала второй промежуточной частоты 30 МГц, снимаемое с диода, подается на усилитель промежуточной частоты (УПЧ)

21. Индикация видеоимпульсов, снимаемых с

554485 видеодетектора УПЧ, осуществляется визуально на экране осциллографа 22, синхронизация развертки которого производится импульсами от блока питания лазера. Аттенюатор 23 используется для регулировки мощности гетеродина, волномер 24 — для контроля частоты гетеродина. Начальную нулевую разность фаз сигналов разностной частоты в отсутствие исследуемой среды устанавливают перемещением одного из преобразователей 16 в направлении, параллельном лучу лазера, а амплитуду регулируют перемещением волноводов с кристаллами баАз параллельно плоскости

Н. Для обеспечения возможности перемещения преобразователей часть волноводного тракта выполнена на диэлектрических волноводах (ДВ) .

Выбор нужной пары частот а и а; осуществляется путем перестройки частоты гетеродина 19. Перед проведением измерений в обоих каналах необходимо установить одинаковые амплитуды сигналов второй промежуточной частоты 30 МГц путем перемещения одного из преобразователей 16 и 17 в направлении, перпендикулярном лучу лазера (в отсутствие исследуемой среды) . Перемещением «e одного из преобразователей, например, кристалла 16, в направлении, параллельном лучу лазера, добиваются минимальной величины амплитуды суммарного сигнала, после чего перед этим же преобразователем помещается исследуемая среда. Затем вновь выравниваются амплитуды сигналов в обоих каналах и перемещением преобразователя 16 в продольном направлении по отношению к лучу лазера устанавливают минимальное значение амплитуды суммарного сигнала. По величине перемещения AZi преобразователя 16 в продольном направлении можно определить изменение фазы оФд;= (cokjAZg) jC.

Операции, аналогичные указанным, производятся для другой пары частот а, и а;, определяется изменение фазы 6Ф,; и по выражению (4) вычисляют коэффициент преломления среды.

Данным способом были определены коэффициенты преломления пластин, изготовленных из кристаллов хлористого натрия NaCl, бромистого калия КВг, хлористого серебра

AgCl, толщиной до нескольких миллиметров.

Небольшое усложнение схемы (фиг. 2) позволяет вести автоматическую регистрацию изменения фазы и осуществлять непрерывный контроль параметров исследуемой среды.

При диагностике плазмы, когда закон изменения коэффициента преломления от частоты электромагнитных колебаний известен, этим способом можно определить концентрацию электронов в плазме и частоту соударений электронов. В бесстолкновительной плазм, где частота соударений электронов практически равна нулю, для определения концентрации электронов достаточно измерить изменение фазы колебания одной из промежуточных частот, Использование этого способа позволяет определять параметры исследуемых сред в случаях, когда коэффициент преломления изменяется во времени от величины ио до,не«оторого значения и, либо когда протяженность

L среды изменяется от нуля до заданного значения, а также определять коэффициент преломления сред, параметры и протяженность которых не изменяются во времени, либо изменяются в ограниченных пределах.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента преломления среды путем зондирования среды электромагнитным излучением нескольких частот и измерения сдвига фаз волн, прошедших через среду, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых сред, выделяют колебания на разностных частотах зондирующего излучения, прошедшего через среду, и опорного излучения, измеряют разность фаз выделенных колебаний с помощью устройства сравнения сигналов разностной частоты по фазе и определяют коэффициент преломления на заданной частоте из соотноше

35 ниягде и, — коэффициент преломления сред"

40 на заданной частоте; и — коэффициент преломления воздух:

С вЂ” скорость света в вакууме;

L — протяженность заданной среды в направлении распространения зон45 дирующего излучения; ж; — заданная частота; а;а — частоты двух других колебаний; ам <м <0г а .=u> — а. и а. =а.— а — разностные

kj — k j ji — i

50 частоты;

6Ф ; — разность фаз колебаний разностных частот а ;, бФ,; — разность фаз колебаний разностных частот ан, 55 причем частоты излучения или протяженность среды выбирают таким образом, чтобы разность фаз каждого из выделенных колебаний не превын;ала пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов разностной

60 частоты по фазе.

554485 фиг. 2

Составитель Н. Гусева

Техред М. Семенов Корректор А Степанова

Редактор И. Шубина

Типография, Ilp. Сапунова, 2

Заказ 162415 Изд. № 355 Тираж 1106 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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