маятниковый лазерный интерферометр

Формула изобретения

1. Интерферометр для измерения перемещений однородной среды, содержащий установленную на оптической скамье систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающую источник монохроматического излучения, неподвижный отражатель, пьезокерамическое основание которого связано с системой регистрации, выполненной с возможностью регистрации изменения длины оптического пути, и расположенный на устое, жестко закрепленном на исследуемом объекте, а также подвижный отражатель, отличающийся тем, что подвижный отражатель смонтирован на устое, входящем в состав маятниковой системы, характеристики которой определяются длиной регистрируемой волны, расстоянием между устоями, добротностью и резонансной частотой маятниковой системы.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что неподвижный отражатель выполнен в виде двух плоскопараллельных зеркал, закрепленных с возможностью юстировки на пьезокерамических цилиндрах, установленных на оптической скамье под углом 90° друг к другу.

3. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что подвижный отражатель выполнен в виде уголкового отражателя.

4. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что используют цифровую систему регистрации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для измерения микродеформаций земной коры и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.

Известен интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно установленные одночастотный лазер, телескопическую систему, светоделитель и два уголковых отражателя, один из которых предназначен для связи с объектом, а другой расположен в опорном плече интерферометра, четвертьволновую пластину, размещенную между первым отражателем и светоделителем, и последовательно установленные по ходу излучения два поляризатора, оптически связанные со светоделителем, и фотоэлектрическую систему обработки квадратурных интерференциальных сигналов (п. РФ N 2025655, МПК G01В 9/02).

Известен также интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник излучения, оптически связанные коллиматор и светоделитель, два уголковых отражателя, каждый из которых установлен соответственно в одном из потоков от светоделителя, два фотоприемника, расположенных соответственно в каждом из потоков, отраженных от уголковых отражателей, и блок регистрации, оптические элементы которого расположены на двух устоях, жестко соединенных с исследуемым объектом (Shuzo Takemoto, Akito Araya, Junpei Akamatsu, et al. A 100 m laser strainmeter system installed in a 1 km deep tunnel at Kamioka, Gifu, Japan // Journal of Geodynamics. V.38, 2004, pp 477-488).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интерферометр для измерения перемещений по патенту РФ № 2146354, МПК G01B 9/02. Интерферометр выполнен по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона и включает источник излучения, коллиматор, светоделитель, подвижный отражатель и неподвижный отражатель, связанный с системой регистрации. Неподвижный отражатель представляет собой два плоскопараллельных зеркала, каждое из которых закреплено на пьезокерамическом основании, при этом как подвижный отражатель, так и неподвижный отражатель расположены на двух устоях, жестко соединенных с исследуемым объектом.

Общим недостатком всех указанных устройств является то, что из-за жесткого крепления устоев интерферометров с исследуемым объектом их амплитудно-частотная характеристика в звуковой области спектра испытывает периодические синусоидальные колебания, амплитуда которых изменяется от максимального значения до нуля, из-за чего невозможно проводить объективную интерпретацию измеренных микросмещений в звуковом диапазоне частот. Это связано с тем, что лазерный интерферометр регистрирует изменение своей базы, то есть расстояние между двумя устоями интерферометра, и при этом вместо регистрации амплитуды волны А₀, распространяющейся в исследуемом объекте, на выходе интерферометр регистрирует амплитуду волны, изменяющуюся по следующему закону (I) Á=A₀(e^ikL-1), действительная часть которой меняется согласно выражению Á =A₀(coskL-l), где A₀ - амплитуда волны, к=2 / - волновое число, - длина волны, L - длина рабочего плеча интерферометра. Амплитудно-частотная характеристика известного лазерного интерферометра в соответствии с указанными выражениями приведена на фиг.1.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение амплитудно-частотной характеристики лазерных интерферометров за счет ликвидации ее периодических гармонических колебаний в звуковом диапазоне и регистрации не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона.

Поставленная задача решается интерферометром для измерения перемещений в однородной среде, содержащим установленную на оптической скамье систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающую источник монохроматического излучения, неподвижный отражатель, пьезокерамические элементы которого связаны с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути интерферометра, расположенный на устое, жестко закрепленном на исследуемом объекте, а также подвижный отражатель, смонтированный на устое, входящем в состав маятниковой системы, характеристики которой определяются длиной регистрируемой волны, расстоянием между устоями, добротностью и резонансной частотой маятниковой системы

Принцип работы заявляемого интерферометра основывается на следующем.

Пусть в исследуемой однородной среде распространяется волна, которая вызывает в ней смещение.

При жестком закреплении устоев интерферометра неравноплечего типа с исследуемым объектом вызванное волной смещение описывается следующим выражением: u(х, t)=А₀е^{i(kх- t)},

где х - координата, t -время, А₀ - амплитуда волны, k=2 / - волновое число, -длина волны, =2 v - циклическая частота, v - частота волны.

Смещение одного из жестко закрепленных устоев, на котором расположен один из отражателей, будет равно:

а смещение другого жестко закрепленного устоя:

где x₂=x₁+L.

Величина смещения, которое будет регистрировать известный интерферометр, равна:

где А=A₀(e^ikL - 1) или с учетом только действительной части: А=A₀ (cos kL - 1).

В случае установления подвижного отражателя на устое, входящем в состав маятниковой системы, установленной на исследуемом объекте, смещение устоя, жестко закрепленного на объекте, будет описываться выражением: а смещение устоя, расположенного на маятниковой системе, будет описываться выражением:

где х₂=х₁+L, L - расстояние между устоями (длина рабочего плеча интерферометра),

₀=2 v₀ - циклическая частота маятниковой системы, v₀ - собственная, резонансная частота маятника, - коэффициент затухания, = ₀/2Q.

В этом случае, величина смещения, которое будет регистрировать заявляемый интерферометр, равна:

где:

- регистрируемая заявляемым лазерным интерферометром амплитуда волны.

Или с учетом только действительной части:

Таким образом, заявленный технический результат - ликвидация периодических гармонических колебаний лазерных интерферометров и регистрация не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона - достигается за счет того, что при установке подвижного отражателя на устое, являющемся частью маятниковой системы, интерферометр регистрирует амплитуду волны (ее действительную часть), изменяющуюся по закону (III):

а не по закону (I) прототипа А=А ₀(cos kL-1).

То есть регистрируемая интерферометром амплитуда волны зависит от длины регистрируемой волны , расстояния между устоями (длина рабочего плеча интерферометра) - L, добротности Q и резонансной частоты v₀ маятниковой системы, при этом резонансная частота v₀ и добротность Q выбираются в зависимости от минимальной частоты частотного диапазона периодических гармонических колебаний конкретного лазерного интерферометра, требуемой степени подавления амплитуд данных колебаний, упругими и геометрическими характеристиками маятниковой системы.

На фиг.2. приведена амплитудно-частотная характеристика заявляемого лазерного интерферометра, полученная при регистрации упругих волн в однородной среде (скорость распространения около 2000 м/с) в частотном диапазоне от 0,0001 до 10 Гц, длине L рабочего плеча интерферометра, равной 100 м, резонансная частота v₀ маятниковой системы - 0,3 Гц, добротность Q маятниковой системы -100.

На фиг.3 представлена блок-схема интерферометра. На фиг.4 - вертикальный разрез маятникового лазерного интерферометра.

Интерферометр (фиг.3) содержит 1 - источник монохроматического излучения, 2 - коллиматор и оптический затвор, представляющие собой единую систему (диафрагма, поляроид, пластина L/4, коллиматор), 3 - светоделитель, 4 - световод, 5 - подвижный отражатель, 6 - неподвижный отражатель, 7 - фотоприемник и 8 - систему регистрации.

На фиг.4 приведен вертикальный разрез маятникового лазерного интерферометра, расположенного в приборном боксе, находящемся под землей, где 9 интерференционный узел, включающий источник излучения 1, коллиматор и оптический затвор - 2, светоделитель 3 и неподвижный отражатель 6, 10 - устой, жестко закрепленный в приборном боксе 11; 12 - устой, входящий в состав установленной на исследуемом объекте маятниковой системы и закрепленный на нерастяжимом стержне 13.

В качестве подвижного отражателя используют, например, уголковый отражатель, а в качестве неподвижного, например, два плоскопараллельных зеркала, закрепленных с возможностью юстировки на пьезокерамических цилиндрах, установленных на оптической скамье под углом 90° друг к другу. Для управления работой интерферометра целесообразнее использовать цифровую систему регистрации.

Интерферометр работает следующим образом. Луч от источника излучения 1 попадает на коллиматор 2, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее пучок направляется на плоскопараллельный светоделитель 3, где расщепляется на два пучка. Один из них через световод 4 попадает в измерительное плечо на подвижный отражатель 5, расположенный на устое 12, входящем в состав маятниковой системы, от которого возвращается обратно на светоделитель 3. Другой пучок, пройдя установленный на устое 10 на пьезокерамическом основании неподвижный отражатель 6, попадает на светоделитель 3 в место прихода луча от подвижного отражателя 5. В данном месте лучи сбиваются, и с помощью юстировочных болтов (на фиг.3 не показаны), расположенных на неподвижном отражателе 6, интерференционная картина настраивается на пятноминимум, в месте расположения которого устанавливают фотодиод 7 и систему регистрации 8. Работой интерферометра управляет система регистрации посредством сигналов, подающихся на пьезокерамическое основание.

Как видно из фиг.2, при регистрации волны заявляемым интерферометром исчезают периодические колебания амплитудно-частотной характеристики в звуковом диапазоне, регистрируемые при использовании прототипа (фиг.1), и регистрируемая амплитуда равна по модулю амплитуде волны, распространяющейся в исследуемом объекте.

Сравнение заявляемого лазерного интерферометра, собранного по маятниковому принципу, показывает его колоссальные преимущества перед лазерными интерферометрами классического исполнения. Преимущества касаются как низкочастотных, так и высокочастотных областей исследования. Так в низкочастотной (инфразвуковой) области чувствительность лазерных интерферометров маятникового типа на 2-3 порядка выше лазерных интерферометров классического исполнения. Кроме того, полностью исчезают биения в высокочастотной области (более 10 Гц, фиг.2). В этой области лазерный интерферометр измеряет не относительную, а практически абсолютную амплитуду волн. Конечно, есть точка перегиба, т.е. переход от положительных значений регистрируемой амплитуды к отрицательным, амплитуда которой в этой точке равна 0. Однако в лазерном интерферометре маятникового типа существует только одно значение частоты, при которой регистрируемая амплитуда равна 0, то есть интерферометр ничего не регистрирует, а в лазерном интерферометре классического исполнения таких точек множество (фиг.1).

Таким образом, расположение подвижного отражателя лазерного интерферометра на устое, входящем в состав маятниковой системы, позволяет получить новый оптический измеритель с улучшенными амплитудно-частотными характеристиками, пригодный для измерения вариаций уровня микросмещений в однородной среде на уровне фоновых колебаний в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1000 Гц.