CC BY
57
УДК 528.517:681.783.25
А.В. Кошелев, А.К. Дмитриев, И.Д. Миценко, А.К. Синякин СГГ А, Новосибирск
АБСОЛЮТНЫЙИНТЕРФЕРОМЕТР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ДАЛЬНОМЕРА-РЕФРАКТОМЕТРА
A. V. Koshelev, A.K. Dmitriyev, I.D. Mitsenko, A.K. Sinyakin Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
USE OF ABSOLUTE INTERFEROMETER WITH PHEMTOSECOND RANGE-FINDER REFRACTOMETER
The authors demonstrate the method of ambiguity resolution and determination of the mean-integral refractive index in laser interferometer using phemtosecond light range-finder refractometer. The joint use of these devices allows to achieve ambiguity resolution without reflector rolling and to increase the efficiency of linear measurements.
Известно, что фемтосекундные лазеры являются весьма перспективными источниками излучения для лазерных дальномерных систем. У фемтосекундных лазеров, генерирующих периодическую последовательность импульсов в режиме синхронизации мод, наиболее важными являются следующие характеристики. Спектр излучения такого лазера составляет набор равноотстоящих частотных компонент (мод), заполняющих всю ширину спектра от радио- до ультра фиолетового диапазона спектра, а периодическая последовательность равноотстоящих, сверхкоротких импульсов может быть использована в качестве оптической линейки для измерения длины [1].
Высокие точностные возможности фемтосекундных лазерных дальномеров дают возможность создавать на их основе светодальномеры -рефрактометры для одновременного измерения расстояний и определения среднеинтегрального показателя преломления атмосферы [2].
Несмотря на потенциально высокую точность светодальномеров -рефрактометров с использованием фемтосекундных импульсов инструментальная погрешность их при измерении расстояний порядка сотен метров может составить величину порядка 0.1 мкм. В то время как лазерные интерферометры перемещений позволяют получать инструментальную погрешность на уровне 0.01 мкм. Однако интерферометры перемещений обладают существенным недостатком, поскольку требуют прокатки отражателя вдоль измеряемой линии. Это требует установки вдоль измеряемой линии виброустойчивых столбов с направляющими, что в значительной мере усложняет процесс измерений и делает его очень дорогостоящим.
В настоящей работе обсуждаются возможности использования фемтосекундных дальномеров - рефрактометров для разрешения
неоднозначности в лазерных интерферометрах перемещений и повышения, тем самым, точности измерения расстояний. В этом случае более точно измеренная дробная часть половины длины волны позволяет существенно повысить точность измерения расстояний.
Расстояние, измеренное фемтосекундным дальномером [1] представим уравнением
К
В д ~ + ^ д 5
2 • п
где I) , - измеряемое расстояние; Лф - длина волны, соответствующая частоте следования фемтосекундных импульсов; кд - целое число полуволн Лф/2 ; с/д- показания дальномера по отсчетной шкале о<ад<лф/2; п -
среднеинтегральный показатель преломления атмосферы.
Определение среднеинтегрального показателя преломления атмосферы п , обеспечивающего учет воздействия неоднородной в пространстве и времени атмосферы, на результаты измерений может быть выполнен с помощью фемтосекундного рефрактометра. Принцип работы такого рефрактометра описан в работе [2] и в настоящей работе, в связи с повышенной точностью, схема дополнена индикатором нуля в виде разрезного (двухплощадного) фотоприемника.
Для пояснения работы рефрактометра воспользуемся схемой, представленной на рис.1. Основная задача рефрактометра заключается в точном измерении разности хода фемтосекундных импульсов с различными частотами сог и в атмосфере при прохождении измеряемой дистанции туда и обратно, с текущей регистрацией метеоэлементов на конечных пунктах измеряемой линии.
-индикатор
Рис. 1. Функциональная схема фемтосекундного рефрактометра
Фемтосекундный лазер с синхронизацией мод (ФЛСМ) излучает периодическую последовательность импульсов С оптической частотой 0)х . Часть излучения с частотой сох в нелинейном кристалле НК преобразуется в
излучение второй гармоники с частотой о>2. Излучения с частотами и передающей оптической системой (ПОС) направляются на отражатель (ОТР), установленный на другом конце измеряемой линии. Отраженное излучение с помощью приемной оптической системы (ПРОС) направляется на дихроичное зеркало (ДЗ) и разделяется на два пучка с частотами и ®2 и они направляются в кювету с красителем навстречу друг другу. В месте встречи импульсов за счет двухфотонной люминесценции возникает световое пятно, ширина, которого для импульса в 1 фс составит 0.3 мкм. Вращая микрометренный винт подвижного отражателя (ПО) с отсчетным устройством ОУ, путем перемещения светового пятна устанавливаем стрелку нуль-индикатора двухплощадного фотоприемника в нуль. Отсчет по ОУ дает возможность точно измерить разность хода фемтосекундных импульсов с погрешностью не хуже 0.1мкм. Это, в свою очередь, позволяет вычислить значение среднеинтегрального показателя преломления п или исправленное за него расстояние.
Конкретной задачей дальномера - рефрактометра сводится к определению целого числа фазовых циклов N и среднеинтегрального показателя преломления п , которые входят в уравнении расстояния б измеряемого интерферометром:
, -Г . Т
(1)
I) = + d
2 п
где &ВАК - длина волны лазера интерферометра в вакууме, N -целое число длин полуволн, d - показания интерферометра.
Известно, что для уверенного получения правильного значения числа N необходимо выполнять измерения с погрешностью порядка я / 4 , что для А « 1 мкм составит 0.25 мкм. Следует отметить, что контроль за правильностью определения N из результатов измерений, искаженных погрешностями измерений, может осуществляться автоматически за счет округления вычисленных значений числа N до целого числа. Тогда искомое значение N определяется по формуле как округленное до ближайшего целого число
N = enter
2 n
При необходимости уточнение среднеинтегрального показателя преломления n может быть выполнено двухчастотным интерферометрическим методом [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. High Precision Pulsing Laser Ranger. A.V. Koshelev, I.V. Lesnykh, V.A. Seredovich, A.K. Sinjakin, A.P. Karpik. PRECEEDINGS OF SPIE. Seventh International Metrology Aplied to Science, Industry, Everyday Life. Novosibirsk. 2002. s. 534-538.
2. Рефрактометр. А. с. СССР, Кл. 01 21/46, 01 1/100, Кошелев А.В., №655199, заявл, 31.01.78.
3. Голубев А.Н., Ханов В.А. Лазерная интеферометрия больших расстояний. - М., «Недра». 1991, с. 133.
© А.В. Кошелев, А.К. Дмитриев, И.Д. Миценко, А.К. Синякин, 2008
