Мобильный лазерный интерферометр

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 (0-1000 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).
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 применения 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.
Известен интерферометр (патент РФ №2146354), состоящий из последовательно расположенных источника излучения, коллиматора и оптического затвора, которые представляют собой единую систему (диафрагма, поляроид, пластина L/4, коллиматор), а также светоделителя, световода, уголкового отражателя, плоскопараллельных зеркал, пьезокерамических цилиндров, фотоприемника и системы регистрации. Плоскопараллельные зеркала крепятся на пьезокерамических цилиндрах, на один из которых подается сигнал раскачки высокой частоты для определения величины и знака смещения, а на другой - сигнал подстройки к пятну-максимум при смещении интерференции. Сигнал подстройки характеризует величину смещения. Работой интерферометра управляет система регистрации посредством сигналов, подающихся на пьезокерамические цилиндры. В качестве отражателя устанавливают прибор, отражающий луч параллельно падающему, типа "кошачий глаз".
Однако известное устройство из-за использования линзы, двух параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90̊ друг к другу, громоздко, имеет большие геометрические размеры, массивно, сложно в юстировке, ненадежно в работе, устанавливается стационарно, обладает высокими требованиями к стабилизации температуры внутри помещения.
Отметим, что все перечисленные выше интерферометры в качестве светоделителя используют плоскопараллельную пластину (зеркало).
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является мобильный лазерный интерферометр (патент РФ №80939 U1), который состоит из установленной на оптической скамье оптической системы на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающей источник монохроматического излучения, коллиматор, светоделитель в виде плоскопараллельного зеркала, неподвижный отражатель, пьезокерамическое основание которого связано с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, подвижный отражатель, при этом система регистрации и оптическая скамья расположены в корпусе.
Однако, использование в качестве светоделителя оптической пластины в виде плоскопараллельного зеркала приводит к фантомным отражениям лучей, вызывая нарушения в настройке интерференции и, соответственно, к снижению точности получаемых данных. Кроме того, проходя через оптическую пластину, почти на 60% падает интенсивность и яркость луча, что усложняет настройку прибора, особенно при работе с увеличенной базой рабочего плеча интерферометра, то есть в конечном итоге к недостаточной чувствительности прибора.
-10
Данная техническая проблема повышения чувствительности интерферометра решена за счет предложенной конструкции интерферометра, обеспечивающей увеличенную измерительную базу, который включает установленную на оптической скамье оптическую систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, состоящую из источника монохроматического излучения с долговременной частотной нестабильностью не более 10, коллиматора, светоделителя в виде оптического делительного куба, состоящего из двух призм, соединенных по большей стороне, неподвижного отражателя, содержащего плоскопараллельное зеркало, установленное на основании из двух, не контактирующих между собой, пьезокерамических элементов, связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути и содержащей фотодиод и блок накопления и хранения информации, и подвижного отражателя, при этомсистема регистрации и оптическая скамья расположены в корпусе.
Неподвижный отражатель выполнен из 2-х пьезокерамических элементов, например, в виде двух цилиндров, или цилиндра и диска.
Подвижный отражатель может быть выполнен, например, как в виде плоскопараллельного зеркала, так и, например, в виде отражателя типа «кошачий глаз».
Установка в качестве светоделителя оптического делительного куба в виде двух оптических призм, соединенных по большой грани, вместо плоскопараллельной пластины, позволила за счет снижения потери интенсивности и яркости луча при прохождении через делительный куб увеличить измерительную базу интерферометра, что в свою очередь обеспечивает более высокую чувствительность заявляемого устройства, а также упрощает настройку и улучшает эксплуатационные характеристики прибора.
На фиг. приведена одна из возможных блок-схем оптической системы заявляемого мобильного лазерного интерферометра, где 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - светоделитель; (оптический делительный куб); 4 - подвижный отражатель; 5 - фотодиод; 6 - плоскопараллельное зеркало; 7 - пьезокерамический цилиндр; 8 - пьезокерамический диск;  9 - неподвижный отражатель; 10 - блок накопления и хранения информации; 11 - блок обратной связи; 12 - система регистрации.
Оптическая система размещена на оптической скамье в корпусе (на фиг. не показаны).
Устройство работает следующим образом.
Луч от монохроматического лазера (1) попадает на коллиматор (2), где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на оптический делительный куб (3), где расщепляется на два пучка. Один из них отражается от подвижного отражателя 4, попадает на оптический делительный куб (3), затем на фотодиод (5) и в место прихода луча от неподвижного отражателя (9) опорного луча. В данном месте лучи совмещаются юстировочными болтами, образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодиод (5). Под воздействием вариаций внешнего перемещения земной коры возникают смещения подвижного отражателя (4) относительно его положения равновесия, вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодиода (5). Для измерения изменения оптического пути с блока обратной связи (11) на пьезокерамический диск (8) подается высокочастотный сигнал раскачки и он же вырабатывает сигнал обратной связи для поддержания интерференционной картины на максимуме, который поступает на пьезокерамический цилиндр (7), на котором укреплено отражающее зеркало (6) неподвижного отражателя (7) опорного луча, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотодиода (5) поддерживается неизменной за счет обратной связи. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамический цилиндр (7) неподвижного отражателя (9), пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча, и соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя (4) относительно положения равновесия.
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 неподвижный (9) отражатель оптической системы.
Кроме того, система регистрации дополнительно может включать блок (10) накопления и хранения информации, в виде, например, жесткого диска или флэш-памяти.
Таким образом, использование в заявляемом устройстве в качестве светоделителя оптического делительного куба, вместо плоскопараллельной делительной пластины, позволяет получить заявленный технический результат, а именно мобильный лазерный интерферометр с увеличенной базой измерительного плеча, обладающий большей чувствительностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микродеформаций земной коры фонового уровня.