МОБИЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

3
Полезная модель относится к области геофизики и может быть использована для измерения микродеформаций земной коры и изучения пространственно-временной структуры сейсмоакустических полей широкого диапазона частот (0-10 Гц).
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 (патент РФ N 2025655, G01B 9/02).
Недостатком данного устройства является то, что из-за использования в опорном плече интерферометра уголкового отражателя, в системе регистрации применяют следящее устройство отслеживания смещения интерференционных полос, что ведет к громоздкости и ненадежности работы интерференционных узлов, снижает чувствительность устройства.
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 (N.R.Goulty, G.C.P. King, A.T.Wallard "Iodine stabilized laser stainmeter". - Geophys J.Roy. Astr. Soc., 1974, v. 39, p.269-282).
Недостатком данного устройства является то, что из-за применение в опорном плече интерферометра в качестве отражающей системы уголкового отражателя (триппель-призмы) и вследствие этого двух фотоприемников приводит к тому, что для отслеживания перемещений, вызывающих фазовые изменения интерференционной картины, в измерительный блок вводят дополнительный оптический узел, состоящий из нескольких линз, дифракционной решетки и гальванометра. Образованная громоздкая система требует высокой стабильности температуры, давления, влажности помещения, где установлен интерферометр, что выполнить крайне сложно при его расположении в труднодоступных естественных полевых условиях.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является интерферометр для измерения перемещений (патент РФ №2146354, 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. Луч от источника излучения попадает на коллиматор, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее пучок направляется на плоскопараллельный светоделитель, где расщепляется на два пучка. Один из них через световод попадает в измерительное плечо на подвижный отражатель, от которого возвращается обратно на светоделитель. Другой пучок, пройдя неподвижный отражатель, попадает на светоделитель в место прихода луча от подвижного отражателя. В данном месте лучи сбиваются, и с помощью котировочных болтов, расположенных на неподвижном отражателе, интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого установлен фотодиод системы регистрации. Неподвижный отражатель представляет собой два плоскопараллельных зеркала, каждый из которых закреплен на пьезокерамическом основании. На одно из оснований подается сигнал раскачки высокой частоты для определения величины и знака смещения, а на другой - сигнал подстройки к пятну-минимуму при смещении интерференции. Сигнал подстройки характеризует величину смещения. Работой интерферометра управляет система регистрации посредством сигналов, подающихся на основания неподвижного отражателя. В качестве подвижного отражателя установлен прибор, отражающий луч параллельно падающему, например уголковый отражатель или так называемый "глаз кошки".
Однако известное устройство из-за использования в качестве подвижного отражателя линзы, а неподвижного отражателя в виде двух параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу, громоздко, имеет большие геометрические размеры, массивно, сложно в юстировке, ненадежно в работе, устанавливается стационарно.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение мобильности устройства при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микросмещений фонового уровня, легко настраиваемого и более надежного в работе и при этом способного работать автономно продолжительное время при малых затратах потребляемой энергии, компактного и дешевого.
-10
Поставленная задача решается устройством для измерения перемещений, содержащим установленную на оптической скамье оптическую систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающую источник монохроматического излучения с долговременной частотной нестабильностью не более 10, неподвижный отражатель в виде плоско-параллельного зеркала, установленного на основании в виде двух не контактирующих друг с другом пьезокерамических элементов, связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути и содержащей блок накопления и хранения информации, и подвижный отражатель, представляющий собой плоскопараллельное зеркало, при этом оптическая скамья и система регистрации расположены в корпусе.
На фиг. приведена блок-схема оптической системы заявляемого устройства, включающая установленные на оптической скамье (на фиг. не показана) источник излучения (1), коллиматор (2), светоделитель (3), неподвижный отражатель (4), состоящий из плоско-параллельного зеркала (5) и пьезокерамических элементов (6) и (7), система регистрации (8), включающая фотодиод (9), блок (10) управления и блок (11) накопления и хранения информации, подвижный отражатель (12).
Оптическая скамья и система регистрации размещены в корпусе (на фиг. не показаны).
Использование в устройстве в качестве источника излучения полупроводниковых лазеров, обладающих высокой долговременной нестабильностью частоты, и предлагаемыми конструкциями подвижного и неподвижного отражателей, позволило обеспечить компактность, мобильность и простоту в настройке и обслуживании заявляемого интерферометра при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микродеформаций на уровне фоновых колебаний.
Устройство работает следующим образом:
Луч от гелий-неонового лазера (1) попадает на коллиматор (2), где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на плоскопараллельный светоделитель (3), где расщепляется на два пучка. Один из них отражается от подвижного отражателя (12), представляющего собой плоско-параллельное зеркало, попадает на светоделитель (3), затем на фотодиод (9) и в место прихода луча от плоско-параллельного зеркала (5) неподвижного отражателя (4) опорного луча. В данном месте лучи совмещаются юстировочными болтами (болты на фиг. не
4 показаны), образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-максимум, в месте расположения которого находится фотодиод (9). Под воздействием вариаций внешнего перемещения земной коры возникают смещения подвижного отражателя (12) относительно его положения равновесия, вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодиода (9). Для измерения изменения оптического пути с блока (10) управления на пьезокерамический элемент (7) подается высокочастотный сигнал раскачки. Блок (10) управления вырабатывает сигнал обратной связи для поддержания интерференционной картины на максимуме, который поступает на пьезокерамический элемент (6), на котором укреплено отражающее зеркало (5) неподвижного отражателя (4) опорного луча, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотодиода (9) поддерживается неизменной за счет обратной связи. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамический элемент (6) неподвижного отражателя (4), пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча, и, соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя (12) относительно положения равновесия.
-10
В качестве источника монохроматического излучения с долговременной частотной нестабильностью не более 10 возможно использование, например, полупроводникового гелий-неонового лазера.
В качестве пьезокерамических элементов основания возможно использование либо двух цилиндров, либо цилиндра, на котором устанавливают плоско-параллельное зеркало, и диска.
В качестве системы регистрации на базе, например, микропроцессора ATMEGA16, применена система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами автоматическим введением расчетных поправок температурной погрешности. Система регистрации выполнена с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи воздействующей на одну из зеркал оптической системы. Кроме того, система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, представляющий собой жесткий диск или флэш-память.
-10
Заявляемое устройство для измерения перемещений с использованием полупроводникового лазера с долговременной нестабильностью не более 10 и предлагаемыми отражателями позволяют измерять вариации микродеформаций
земной коры на базе 50 м с точностью 0,5 нм без подстройки интерференционной картины в течение месяцев, что говорит о надежности системы и невозможности ее разъюстировки.
-10
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного устройства, в том числе использование в качестве источника излучения гелий-неонового лазера с долговременной нестабильностью по частоте не хуже 10 и минимизации конструктивных элементов интерферометра позволяет получить заявленный технический результат: новый мобильный, компактный, автономный и дешевый оптический измеритель, пригодный в том числе и для измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микродеформаций земной коры фонового уровня.