Модуляционные методы стабилизации частоты лазерного излучения и регистрации сигнала интерферометров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г 5 од

На правах рукописи

Криницын Юрий Михайлович

МОДУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ

01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 1996

Министерство путей сообщения Российской Федерации Дальневосточная государственная академия путей сообщения

На правах рукописи

Криницын Юрий Михайлович

МОДУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ

01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 1996

Работа выполнена в НПО "Дальстандарт", Институте тектоники и геофизики ДВО РАН и Институте материаловедения ДВО РАН

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук

кандидат физ.-мат. наук

М.В.Прокопович

А.Н.Бондаренко

Официальные оппоненты: доктор техн. наук кандидат физ.-мат. наук

Ю.Б.Дробот Б.Б.Авербух

Ведущая организация:

Дальневосточный государственный технический университет

Защита состоится 27 июня 1996 года в 14 часов на заседании диссертационного совета К 114.12.01 при Дальневосточной государственной академии путей сообщения по адресу: 680056, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 224.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточной государственной академии путей сообщения

Автореферат разослан "2.0" М(Х9{ , 1996 года

Ученый секретарь

диссертационного совета К 114.12.01 кандидат

физико-математичес наук

'.Илларионов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Уникальные свойства лазерного излечения: монохроматичность, когерентность и малая расходимость — обуславливают широкий круг применений лазерной техники, в том числе в устройствах для прецизионных измерений микросмещений объектов лазерными интерферометрами. Однако уже в первых экспериментах с лазерными источниками было отмечено, что эти устройства чувствительны к воз-действ™ разнообразных возмущений как внешних, так и внутренних. При создании лазерных интерферометров разрабатываются специальные методы стабилизации параметров и регистрации сигнала в целях повышения чувствительности и надежности работы измерительных устройств. Разработке и применению модуляционных методов в практике исследовании микросмещений земной коры, показателя преломления жидких и газовых сред и посвящена данная работа.

Цель и задачи работы. Исследование спектральных характеристик модулированного лазерного излучения в целях разработки модуляционных методов управления частотой лазерного излучения и регистрации сигнала интерферометра для создания прецизионных лазерных интерферометров — измерителей показателя преломления сред и микросмещений с повышенной чувствительностью и высокой надежностью прибора в натурных условиях эксплуатации.

Научная новизна работы. В предшествующих разработках лазерных интерферометров факторы воздействия внешней среды учитывались лишь частично. Практически отсутствовали сведения о натурном применении этих установок для прецизионных измерений микросмещений земной коры в акваториях и сейсмически активных зонах. В работе:

• выполнен анализ свойств модулированного лазерного излучения и характеристик сигнала интерферометра с внутренней и внешней модуляцией;

• предложены модуляционные методы стабилизации частоты лазерного излучения, основанные на использовании конкуренции мод многочастотных лазеров;

• предложены модуляционные методы регистрации сигнала лазерного интерферометра;

• разработаны методы измерения показателя преломления для жидких и газообразных сред, основанные на интерференции когерентного излучения, проходящего через исследуемую и референтные среды.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований:

• созданы длиннобазовые лазерные интерферометры для измерения микросмещений в геофизических исследованиях;

• впервые в стране проведены натурные исследования движений земной поверхности в акватории залива Петра Великого и на Авачин-ском геодинамическом полигоне (п-ов Камчатка).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1, 3-6, 9, 10, 12-14] и докладывались на:

Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1981);

Международном симпозиуме КАПГ-88 по изучению современных движений земной коры (Дагомыс, 1988).

Получены 4 авторских свидетельства [2, 7, 8, 11].

Структура н объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложение с актами внедрения. Общий объем работы составляет 156 страниц, включая 31 рисунок, 4 таблицы и библиографию из 115 наименований.

Основные защищаемые положения

На основе анализа свойств модулированного лазерного излучения и характеристик сигнала измерительного интерферометра с внутренней и внешней модуляцией доказывается, что:

• модуляция базы интерферометра Фабри-Перо для разделения конкурирующих мод Не-Ые лазера (/.=0,6328 мкм) позволяет повысить на 2-3 порядка стабильность частоты излучения модифицированных промышленных лазеров;

• модуляция опорного плеча измерительного лазерного интерферометра позволяет довести точность регистрации изменения длины объектного плеча интерферометра до 4 ангстрем;

• сканирование частоты излучения общего источника света для двух интерферометров с исследуемой и референтной средами в установке определения показателя преломления жидких и газовых сред позволяет исключить измерение величины девиации частоты и повысить точность измерения показателя преломления до 1010 отн. единиц;

• введение общего зеркала двух измерительных интерферометров с исследуемой и референтной средами и общим источником излучения в приборе определения показателя преломления жидких и газовых сред позволяет исключить измерение длины кюветы и повысить точность измерения на два порядка.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость работы, формулируется цель диссертации, приводится краткое содержание глав.

В первой главе излагается опыт применения лазерных интерферометров для прецизионных измерений физических величин на основе информационного анализа предшествующих работ.

В разделе 1.1 анализируются типы интерферометров и их параметры.

В разделе 1.2 описываются дестабилизирующие факторы работы интерферометров.

В разделе 1.3 сравниваются основные методы стабилизации частоты лазерного излучения.

В разделе 1.4, на основании проведенного анализа, формулируются основные требования к характеристикам лазерных интерферометров.

1. Необходимость обеспечения стабильности источника излучения по частоте диктует, во-первых, максимально возможную простоту схемы стабилизации, заключающуюся в отсутствии сложных или сильно

зависящих от внешних условий оптических средств дискриминации и, во-вторых, использование достаточно узких резонансных эффектов для получения высоких показателей стабилизации частоты.

2. Методы регистрации должны соответствовать, во-первых, задачам измерения по амплитудному и частотному диапазонам и максимальной чувствительности. Во-вторых, они должны мало зависеть от расстройки оптических элементов.

3. Обслуживание и эксплуатация таких прецизионных установок предъявляет особые требования к выбору места расположения интерферометра. Необходимо также обеспечивать максимальную автономность работы и минимальное время на развертывание и техобслуживание.

Решению этих вопросов и посвящена данная работа.

Во второй главе содержатся результаты анализа и разработки модуляционных методов стабилизации частоты лазерного излучения и регистрации сигнала интерферометров.

В разделе 2.1 проводится анализ явления конкуренции мод Не-Ые лазера, излучающего на переходе ЗБ2-2Р4 с длиной волны Х=0,63 мкм и излагаются разработанные автором методы стабилизации частоты лазерного излучения, основанные на этом эффекте. Рассмотрим физические принципы этого явления.

Доплеровское уширение и наличие двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях, приводят к тому, что на резонансную частоту "работают" два симметричных провала в инверсной заселенности газового лазера. В случае двухмодового симметричного режима генерации перекрытие провалов приводит к сильному взаимодействию этих мод — явлению конкуренции. Характер конкуренции зависит от асимметрии линии, ширины верхнего и нижнего рабочих уровней и от превышения усиления над потерями лазера, что требует при создании системы стабилизации изучения применяемой активной среды и тщательного подбора ее параметров.

Принцип стабилизации частоты излучения лазера заключается в разделении типов колебаний с последующим сравнением их ингснсив-ностей а также, в поддержании постоянного соотношения мелщу ними путем подстройки длины лазерного резонатора. Для Не-Ые лазеров с л=0,63 мкм не удается получить генерации из-за малого коэффициента

усиления активной среды на этом переходе. Поэтому для этих целей используется интерферометр Фабри-Перо (ИФП), устанавливаемый на выходе лазера.

Стабилизация частоты осуществляется автоматической подстройкой длины резонатора лазера при сохранении неизменным отношения ин-тенсивностей между конкурирующими типами колебаний, частоты которых расположены симметрично относительно центра контура усиления лазера. Конкурирующие колебания разделяются при помощи ИФП, установленного на выходе лазера. Для улучшения долговременной стабилизации частоты осуществлена автоматическая подстройка базы ИФП по максимуму пропускания одного из типов колебаний. Этой цели служит система автоподстройки являющаяся экстремальным регулятором.

В результате применения предложенного способа были достигнуты следующие результаты. За 6 ч непрерывной работы относительная нестабильность составила Ду/у=109. Погрешность определения нестабильности частоты описанным способом по оценкам составляет ±25 %. На данный способ стабилизации получено авторское свидетельство.

Во втором методе стабилизации частоты нет прямого сравнения ин-тенсивностей типов колебаний. Сигналы расстроек лазера и ИФП определяются из спектрального анализа электрических сигналов фотоприемника, установленного на выходе сканирующего ИФП.

Как известно, интенсивность прошедшего через ИФП излучения подчиняется следующему соотношению Эйри

/ = /„-~7-> (1)

01 + Fsin 5/2

4 R

где: г =-—; R — коэффициент отражения зеркал интерферо-

О"*)

метра; 5 = —— eos 9, /0 — интенсивность типов колебаний при их симметричной настройке относительно центра контура усиления лазера; 1—

расстояние между зеркалами интерферометра; 8 — угол между направлением распространения лазерного луча и нормалью к поверхности зеркал.

Расстройка ИФП приводит к смещению контура, что проявляется в появлении более высокочастотных спектральных составляющих. Надо отметить, что и в этом случае фазы и величины нечетных гармоник спектральных составляющих будут показывать величину и направление расстроек ИФП и лазера, но более сложным образом. Такое различие потребовало проведения спектрального анализа для разделения причин расстройки системы.

С этой целью резонансная частота у|гр сканируется около частоты у0=(у+у2))/2 с девиацией (у2-у,)/2

^„.^„-»-[(^-^вшПг]/!, (2)

где: (у2-у,)/2=с/21; с—скорость света; Ь—длина лазерного резонатора; V , у2— частоты типов колебаний. На выходе ИФП наблюдаются пульсации интенсивности

/ = /„

1

1 + Т7 БШ2

тс/

2Ь

(1-5т£2г)

■ +

2 Ь

(1 + 8тПг )

(3)

При расстройке лазерного резонатора изменяется соотношение ин-тенсивностей типов колебаний вследствие конкуренции. Если это изменение линейно зависит от расстройки Дуь лазера, то его можно учесть введением в формулу (3) величины аДуь, нормированной к единице (а определяется экспериментально). Расстройку Ду1ГР=(у0-у1[ГР) интерферометра можно учесть введением в (3) фазы /=2л/Д У1рр/с. С учетом расстроек формула (3) примет следующий вид

1

/ = /„

1 -

— О-втО*)-/

• +

1 + 7^ вш

к1_ 2 Ь

(4)

Разложение вьфажения (4) в ряд Фурье дает гармоники с частотами пП (п-целое число), амплитуда и фаза которых зависит от расстроек Дуь и Ау|ГР. Причем при Дуь=Ду1П,=0 в (4) содержатся только четные гармоники, а при или Ду|гр^0 появляются нечетные гармоники. Проведены расчеты значения амплитуд первых четырех нечетных гармоник разложения в ряд Фурье формулы (4) в зависимости от расстроек лазера и ИПФ при следующих параметрах: /^Ю3; 1=20 см; 1=2 см; а=1,310'2 МГц. Фазы всех гармоник изменяются на ж с изменением знака расстроек Д уь и Ду][р. Кроме того, амплитуды гармоник линейно зависят от расстроек центральной частоты ИФП и лазера в достаточно широких для стабилизации пределах (50>Ду1рр>-50; 40>Ду[ >-40) МГц. Эти два условия в принципе позволяют разделить сигналы расстроек ИФП и лазера и осуществить стабилизацию частоты лазера и подстройку резонансной частоты ИФП к частоте V Изменение относительной амплитуды гармоники пО вблизи расстроек Д\'ь=() и Д\'[гр=0 равно

Ка _ д/„п [ д!па

7о 7о ^ 7о

(5)

1ГР

В таблице приведены значения величин

1 д!

ю

1 о/

пС1

70

ДЛЯ

первых четьфех нечетных гармоник.

Таблица относительных производных зависимости интенсивности излучения,прошедшего модулируемый ИФП, от расстроек ИФП и лазера

п 1 3 5 7

1 Э/"п х10\ МГц1 /0 4,92 0,652 -2,71 1,58

1 а/"°х10 \МГц1 'о 5,2 -0,173 0,0475 0,241

Как видно из таблицы, для гармоники 50 первым членом в выражении (5) можно пренебречь по сравнению со вторым, поэтому

= ~к~' (б)

где л —- — величина, постоянная в достаточно широких для

стабилизации пределах. Таким образом, подстройку частоты ИФП к частоте у0 можно осуществлять по амплитуде и фазе пятой гармоники. Анализ выражения (5) применительно к первой гармонике показывает, что ее фаза и амплитуда однозначно определяют величину и знак расстройки лазера. Фазы и амплитуда пятой гармоники определяют расстройку ИФП. Таким образом величина и знак расстройки лазера вычисляются по формуле

А1п, (7)

1 д1а где — = —-

У

Таким образом, проведенный анализ позволяет предложить способ одновременной стабилизации частоты излучения лазера и центральной частоты ИФП. Этим методом стабилизировалась частота лазера типа

ОКГ-13, в котором одно из зеркал прикреплялось к пьезоксрамичсскому цилиндру, а коэффициенты отражения зеркал выбирались такими, чтобы при всех уровнях накачки возбуждалось не более двух аксиальных типов колебаний. Было установлено, что за 8 часов непрерывной работы нестабильность частоты не превосходила величины 10"''.

В разделе 2.2 описываются методы регистрации сигнала лазерного интерферометра.

Для реализации способа привязки к экстремуму интерференционной полосы использовалась оптическая схема модифицированного интерферометра Майкельсона с уголковыми отражателями. Схема регистрирует смещение одного из отражателей относительно другого. Зависимость интенсивности регистрируемой фотоприемником от А! является периодической с периодом АУ2. Такая зависимость позволяет осуществлять привязку к одному из экстремумов интенсивности интерференционной картины для определения изменения разности длин плеч интерферометра, осуществляемую следующим образом.

В экстремальной точке зависимости интенсивности интерференционной картины (при колебании разности плеч интерферометра на модулирующей (опорной) частоте) выходной сигнал интерферометра имеет нулевое значение сигнала опорной частоты. При смещении от точки экстремума амплитуда сигнала опорной частоты пропорциональна смещению от экстремума, а его фаза определена направлением смещения, что позволяет реализовать привязку к экстремуму. При этом ошибка привязки не превышает величины равной Зх 10'3 мкм в диапазоне частот от 0 до 10 Гц. Динамический диапазон измерений акустического сигнала уменьшается линейно от 60 Х/2 (в амплитуде акустического сигнала) на частоте 1 Гц до 6 Х/2 — на частоте 10 Гц. Система позволяет измерять малый акустический сигнал в диапазоне частот от 0 до 2 кГц. Этот метод был использован при разработке длиннобазового лазерного интерферометра.

В методе прямого определения дробной и целой части интерференционной полосы введение оптических элементов для преобразования поляризации излучения лазера и наблюдения двух интерференционных картин сдвинутых по фазе предназначено для определения направления движения отражателя. Прямое измерение величин токов фотодетскто-

ров, их аналого-цифровое преобразование и использование функциональных преобразователей для вычисления отношений сигналов и" арктангенса этого отношения позволяет непосредственно получать значение величины смещения объекта в реальном времени. Для получения требуемой разрешающей способности при А.=0,6328 мкм и заданной разрешающей способности 81=103 мкм разрядность аналого-цифровых преобразователей должна быть >6.

Примем т=8, тогда

Ы =---= 2,2 х КГ4 мкм . (8)

16(2"

Описанный алгоритм обработки сигналов, основанный на делении входных сигналов с последующим вычислением функций агс^ и агс^, обеспечивает более высокую точность измерения дробной части интерференционной полосы, а также при действии помех и наводок на измерительные цепи. Этот способ и устройство защищены авторским свидетельством и внедрены в ряде измерительных устройств.

Глава 3 содержит описание лазерных установок для прецизионных измерений различных физических величин.

В разделе 3.1 описываются два способа измерения показателя преломления жидких и газообразных сред, предложенные автором.

Метод связанных интерферометров предназначен для измерения коэффициента преломления жидкостей и газов. Повышение точности измерений достигается тем, что два интерферометра с исследуемой и референтной средой имеют общее зеркало и, поэтому их интерференционные картины связаны по фазе. Это позволяет исключить определение длины кюветы с исследуемой средой и длины волны источника излучения.

Оценка метода показывает, что если величина перемещения равна

100 см, длина волны лазера Х.=0,63 мкм, кювета содержит воду (^«1,5),

а вне кюветы вакуум (п2=1), то получается Дп = ЗхЮ10 или Дп/п = 2x10' 10

Использование этого способа позволяет увеличить точность измерения на два порядка по сравнению с радиационными методами.

Метод сканирования частоты позволяет проводить измерения аналогичные первому без перемещения зеркала. Он основан на том, что при вменении частоты лазерного излучения проходящего через референтную и исследуемую среды, находящиеся в разных интерферометрах, отношение числа интерференционных полос определяется показателем преломления исследуемой среды и не требует определения девиации частоты и длины кювет со средами.

В разделе 3.2 описывается высокоточное лазерное интерферометри-ческое устройство для измерения малых угловых смещений, которое реализует метод прямого определения дробной и целой части интерференционной полосы. Достигнутая чувствительность устройства равна 4 ангстрема в диапазоне от 4х Ю10 м до 4х 10"4 м.

В разделе 3.3 описываются два длиннобазовых лазерных интерферометра для измерения микросмещений земной поверхности. Первым является изготовленный и испытанный в полевых условиях 100-метровый лазерный интерферометр для геофизических исследований в условиях морских акваторий. Он основан на предложенных методах стабилизации частоты излучения и регистрации сигнала интерферометра. Испытания показали, что данный интерферометр обеспечивает измерение смещений в частотном диапазоне (0-100) Гц и амплитудном диапазоне (10 8-10 2) м с пороговой чувствительностью ЗхЮ'м.

В четвертой главе приводятся результаты применения лазерных интерферометров для физических исследований в акваториях и сейсмоактивных зонах. В результате многолетних натурных исследований движения земной поверхности в акватории залива Петра Великого и на Ава-чинском геодинамическом полигоне (п-ов Камчатка) впервые доказано наличие собственных колебаний ядра Земли в отсутствии сильных землетрясений.

Основные результаты

1. На основании исследований спектральных характеристик модулированного по частоте излучения лазера (в режиме конкуренции мод) разработаны средства стабилизации частоты лазерного излучения. Они осуществляются путем сравнения интснсивностей мод лазера, разделенных модулируемым интерферометром Фабри-Перо, и привязкой к характерным точкам зависимости суммарной интенсивности излучения многочастотного лазера от расстройки по частоте. Нестабильность частоты лазерного излучения для модифицированных промышленных лазеров была снижена до 1010отн. единиц.

2. Разработаны методы измерения показателя преломления для жидких и газообразных сред основанные на интерференции когерентного излучения, проходящего через исследуемую и референтную среды, и изменении частоты когерентного излучения.

3. Предложены методы регистрации изменения длины плеча интерферометра, основанные на свойствах сигнала интерферометров с модулируемым плечом или с использованием частотномодулиро-ванного лазерного излучения.

4. Разработаны и изготовлены длиннобазовыс лазерные интерферометры, характеризующиеся высокой чувствительностью и надежными эксплуатационными параметрами необходимыми для натурных исследований.

5. Впервые в стране проведены натурные исследования движений земной поверхности в акваториях залива Петра Великого (Японское море) и в сейсмически активной зоне Авачинского вулкана (п-ов Камчатка).

6. Средствами разработанных интерферометров впервые выделены волны колебаний ядра Земли в условиях слабой сейсмической активности.

Список основных публикаций

1. Бергер Н.К., Дембовецкий В.В., Костантинов В.А., Криницын Ю.М. и др. Лазерный интерферометр для измерения перемещений // Общетехнические науки: Сб. научн. тр. Хабаровск: ХПИ, 1972. С. 72-77.

2. Бондаренко А.Н., Коновалов Н.В., Криницын Ю.М. Устройство стабилизации частоты лазерного излучения // A.C. № 730087 от 26.12.79 г.

3. Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М. Стабилизация частоты лазера ил 0,63 мкм в режиме типов колебаний // Автометрия. 1978. № 3. С. 115-120.

4. Бондаренко А.Н., Вологдин В.К., Криницын Ю.М. Стабшншгро-ванный двухчастотный лазер на длину волны 0,63 мкм // Приборы и техника эксперимента. 1978. № 4. С. 225-228.

5. Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М. Стабилизация частот ы двух-частотного He-Ne лазера на -0,63 мкм в режиме конкуренции типов колебаний // Труды ВННИИФТРИ. 1978. № 39 (69). С. 34-40.

6. Бондаренко А.Н., Маслов Б.Я., Криницын Ю.М. Система автоматической подстройки частоты двухчастотного газового лазера // Автометрия. 1979. № 2. С. 89-93.

7. Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М., Коновалов Н.В. Способ и устройство для измерения показателя преломления // A.C. № 730087 от 26.12.79.

8. Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М. Способ измерения показателя преломления // A.C. № 819643 от 5.12.80.

9. Копвиллем У.Х., Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М. и др. Регистрация сверхмалых акустических колебаний оптическим дефор-мометром // Материалы Всесоюзной конф. "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле". Хабаровск: 1981. Ч 2. С. 105-106.

10. Копвиллем У.Х., Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М. и др. Регистрация собственных резонансов Земли с помощью лазерного измерителя деформаций // Динамические процессы в океане и атмосфере. Сб. научн. тр. Владивосток: 1981. С. 18-29.

11. Конопелью Г.К., Крнницын Ю.М., Чье Ен Ун. Устройство для измерения дробной части интерференционной полосы // A.C. № 1260682 от 1.06.86 г.

12. Корчагин Ф.Г., Криницын Ю.М. и др. Исследование собственных колебаний Земли с помощью оптического деформографа // Тихоокеанская геология. 1986. №5. С. 110-112.

13. Криницын Ю.М., Палей C.B. Возможности длиннобазовых интерферометров при изучении физических процессов в земной коре // Материалы симпозиума КАПГ по изучению современных движений земной коры. Дагомыс: 1988. С. 159-161.

14. Криницын Ю.М. Оптические измерительные комплексы для изучения распространения сейсмических волн в земной корс//Бюлле-тень Дальневосточной государственной академии путей сообщения. 1996. № 1-2. С. 12-14.