ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН И КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к оптоэлектронике и приборостроению и предназначено для регистрации и измерения величин угловых отклонений объекта или его части от исходного положения, а также для измерения амплитуды угловых колебаний поверхности, волн на поверхности жидкости, изгибных волн в лентах и пластинах, регистрации и измерения характеристик поверхностных акустических волн Рэлея.
Наиболее близким аналогом полезной модели является устройство, (Физическая акустика, том 7, глава 4, с.281, под ред. У.Мэзона и Р.Терстона. Изд-во «Мир», Москва, 1974 г.), содержащее лазер, ножевую диафрагму, фотодетектор, расположенный за ножевой диафрагмой, усилитель сигнала, имеющий частоту, равную частоте детектируемых колебаний или волн. Основным недостатком аналога является повышенный уровень шумов, причиной которых являются неоднородности лазерного пучка и нестабильность мощности излучения лазера во времени. Все неоднородности пространственного распределения мощности пучка воспроизводятся в выходном сигнале в качестве помех, поскольку выходной сигнал пропорционален приращению (дифференциалу) мощности пучка при угловом отклонении объекта.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение уровня флуктуации выходного сигнала, вызванных флуктуациями мощности лазера.
Технический результат достигается тем, что в оптоэлектронном устройстве для регистрации поверхностных волн и колебаний, содержащем лазер, элемент, рассекающий оптический пучок, фотодетектор, усилитель сигнала, расположенный за фотодетектором, элемент, рассекающий оптический пучок, выполнен на поверхности прозрачной пластины в виде ступенчатой структуры с амплитудой фазового скачка на 180 градусов, которая установлена в фокусе линзы, посередине фокального пятна, а за фокальной плоскостью линзы, по разные стороны от оптической оси установлены две диафрагмы и два фотодетектора за ними, выходы которых соединены с входами усилителя сигнала, при этом в качестве усилителя сигнала устройство содержит дифференциальный усилитель.
ф
Технический результат достигается за счет того, что ножевая диафрагма заменена комбинацией линзы и прозрачной пластины, на поверхности которой сформирована ступенька, образующая ступенчатую фазовую структуру, (СФС), по разные стороны границы которой световая волна от лазера получает фазовые сдвиги, отличающиеся на 180 градусов т.е. скачок фазы на 180°. Ступенчатая фазовая структура расположена в фокусе линзы, рассекая лазерный пучок на две части. В области за СФС, в дальней зоне, то есть на расстоянии , где d - размер фокального пятна линзы, λ - длина волны лазерного излучения, расположены два фотодетектора с диафрагмами, установленными в областях двух максимумов, сформированных в области рассеченного оптического пучка излучения по разные стороны от оптической оси. Выходы фотодетекторов соединены с входами дифференциального усилителя, а на выходе дифференциального усилителя формируется сигнал, пропорциональный угловому отклонению оптического пучка, отраженного от исследуемой поверхности.
При применении новой схемы устройства устраняются или существенно снижаются флуктуации сигнала, вызванные флуктуациями мощности лазера, поскольку выходной сигнал формируется как разность мощностей двух долей рассеченного с помощью фазовой ступеньки оптического пучка.
Наряду с этим, уменьшаются габаритные размеры устройства. Фактически размер устройства соизмерим с фокальной длиной линзы. В устройстве -аналоге крутизна преобразования углового отклонения в амплитуду выходного сигнала пропорциональна расстоянию от исследуемой поверхности до ножевой диафрагмы и это расстояние может составлять несколько десятков сантиметров. При увеличении расстояния возрастает роль механических нестабильностей схемы, что приводит к увеличению флуктуации. В предлагаемой новой схеме размер устройства вдоль оси Oz существенно меньше размера устройства - прототипа.
Устройство изображено на фиг.1 и содержит одномодовый лазер -источник когерентного излучения 1, линзу 2, оптический элемент 3, представляющий собой ступенчатую фазовую структуру с амплитудой фазового скачка 180°, сформированную на поверхности прозрачной пластины, расположенную в фокусе линзы, посередине фокального пятна. За фокальной плоскостью линзы, в областях двух максимумов рассеченного лазерного пучка излучения, в дальней зоне дифракции лазерного пучка расположены две диафрагмы 4. За диафрагмами расположены два фотодетектора 5. Выходы фотодетекторов 5 соединены с входами дифференциального усилителя 6, а полезный сигнал с амплитудой, пропорциональной амплитуде угловых колебаний исследуемого объекта 7, снимается с выхода дифференциального усилителя.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения от лазера 1, направленный на исследуемый объект 7, зеркально отражается от него, проходит через линзу 2 ив фокальной плоскости линзы пересекает ступенчатую фазовую структуру 3, которая расположена посередине фокального пятна. В результате рассечения лазерного пучка в области за фокальной плоскостью линзы 2, на расстоянии, равном, или превышающем дистанцию до дальней зоны (зоны Фраунгофера), формируется структура распределения мощности оптического пучка в виде двух пиков с глубоким провалом между ними. Диафрагмы 4 выделяют сформированные пики мощности. Фотодетекторы 5, расположенные за диафрагмами, выдают на выходах сигналы, амплитуды которых равны при условии, что ступенчатая фазовая структура с глубиной фазового скачка 180° расположена посередине фокального пятна. При угловом отклонении исследуемого объекта на угол δα, отраженный луч отклоняется на угол, равный 2δα. При этом фокальное пятно смещается относительно ступенчатой фазовой структуры. Вследствие этого интенсивность одного из пиков излучения в области фотодетектора возрастает, а интенсивность второго пика снижается, и в результате на выходе дифференциального усилителя появляется сигнал, пропорциональный угловому отклонению поверхности исследуемого объекта. В случае перемены направления углового отклонения поверхности исследуемого объекта (при отклонении на угол - δα) интенсивности пиков изменяются в противоположных направлениях. В результате на выходе дифференциального усилителя появляется сигнал, пропорциональный угловому отклонению поверхности исследуемого объекта с противоположным знаком. Таким образом, на выходе устройства формируется электрический сигнал, пропорциональный амплитуде углового отклонения поверхности исследуемого объекта 7.
Ступенчатая фазовая структура (СФС), расположенная в фокальной области, создает скачок фазы оптической волны на 180° на границе ступеньки и деформирует исходный гауссов пучок. В результате на небольшом расстоянии, порядка , формируется пучок с двумя максимумами.
Соотношение амплитуд этих максимумов зависит от взаимного расположения СФС и середины фокального пятна. При малом смещении середины фокального пятна относительно СФС происходит перераспределение мощности между максимумами. Фотодетекторы, установленные в максимумах пучка за фокальной плоскостью, подключены к входам дифференциального усилителя. В результате на выходе дифференциального усилителя получаем сигнал с амплитудой, пропорциональной амплитуде колебаний поверхности. При этом флуктуации мощности лазера создают синфазный сигнал на обоих фотодетекторах, который ослабляется при прохождении через дифференциальный усилитель. Типичное значение подавления синфазного сигналя в дифференциальном усилителе составляет более 60 децибел.
В данном устройстве крутизна преобразования величины наклона поверхности объекта в величину выходного сигнала возрастает при уменьшении фокального расстояния линзы, а следовательно с уменьшением габаритов установки, в то время, как в схеме прототипа для увеличения аналогичного параметра необходимо увеличивать расстояние между поверхностью и ножевой диафрагмой.