Способ определения коэффициента преломления среды

Союз Советских Социалистических Реслублик) Приорите сударственныи камитеавета Иинистрав СССРаа делам нзабретенийи аткрытий(71) Заявитель сковский ордена Лени е гетическии институт ТА 4) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭфф ПРЕЛОМЛЕНИЯ СРЕДЫ 2 Наиболе к изобрете коэффицие в том, что ния нескол мую среду, ших через Изобретение относится к области измерения интерферометрическими способами коэффициента преломления, а также других параметров исследуемой среды, тем или иным образом связанных с коэффициентом преломления.Известны различные интерферометрические способы определения коэффициента преломления среды, основанные на измерении фазового набега электромагнитных волн, проходящих через исследуемую среду.Известен способ определения коэффициента преломления исследуемой среды, состоящий в. том, что излучение двух длин волн пропускают через исследуемую среду и определяют разность коэффициентов преломления среды для этих длин волн.Недостатком данного способа является то, что определение абсолютного значения коэффициента преломления этим способом возможно лишь при условии, что известно значение коэффициента преломления среды для одной из длин волн,близким по технической сущности ию является способ определения та преломления, который состоит излучением, содержащим колебаьких частот, зондируют исследуеизмеряют сдвиг фаз волн, прошедреду, и по величине изменения фазы определяют коэффициент преломления среды на данной частоте.Недостатком этого способа является то, чтодля однозначного определения величины из менения фазы при (Лр) )д радиан необходим счет интерференционных полос. Кроме того, при малых длинах волн для однозначности измерений длина пути излучения в исследуемой среде должна быть тоже мала.10 Целью изобретения является расширениедиапазона исследуемых сред.Это достигается тем, что по предлагаемомуспособу выделяют колебания на разностных частотах зондирующего излучения, прошед щего через среду, и опорного излучения, измеряют разность фаз выделенных колебаний с помощью устройства сравнения сигналов оазностной частоты по фазе и определяют коэффициент преломления на заданной частоте по 20 формуле, причем частоты излучения илн протяженность среды выбирают таким образом, чтобы разность фаз каждого из выделенных колебаний не превышала пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов 25 разностной частоты по фазе.На фиг. 1 приведена блок-схема установки,работающей по предлагаемому способу; на фиг. 2 - один из возможных вариантов установки для определения коэффициента пре- ЗО ломления среды с использованием в качествеисточника излучения лазера на углекисломгазе (СО,-лазера).Источник излучения 1 генерирует одновременно электромагнитные колебания нескольких частот. При помощи делителя 2 луча излучение источника разделяется на два луча, одиниз которых используется для зондированияисследуемой среды 3, Затем опорный и зондиряющий лучи поступают на преобразователи4 и 5 соответственно, на выходе которых выделяются колебания промежуточной частоты.Амплитуды колебаний промежуточной частоты уравниваются при помощи аттенюаторов6 и 7. Фазовращатель 8 используют для установки начальной нулевой разности фаз колебаний промежуточной частоты в отсутствиеисследуемой среды. С выхода аттенюатора 7и с выхода фазовращателя 8 колебания промежуточной частоты поступают на устройство9 сравнения колебаний по фазе.Рассмотрим случай зондирования исследуемой среды протяженностью Е тремя волнамис произвольными, но достаточно близкими частотами аа;, агг, причем для определенностипредположим, что а;(о;агг. Изменение фазы ЛФ;, ЛФ;, ЛФг, каждой из этих волн, обусловленное прохождением их через исследуемую среду, равноЛФ - а,УСпо - пг у (1)СЛФ = аСгде и,;,и;, пгг - коэффициенты преломления среды соответственно на частотах а;, а;, м. Изменения фазы бФ;г = ЛФ, - ЛФ; и бФц ==ЛФгг - ЛФ, колебаний промежуточных частот а=в; - а; и аггг=вгг - о;, выделяемыхна выходе преобразователя частоты 4Г.Фю = КРо+ агфа - аР;)ЛггФггу - (агггбо + ай у - ауг юз ) - . (2)СПоскольку предполагается что а и ац малы по сравнению с каждой из частот аа;,агг, то коэффициенты преломления л; и пггможно представить в видедп щ 1;фС = ф (ад = ц К - аС) = давд.о1,=,.+ - " (3) Подстановка выражений (3) в уравнения (2) и решение полученной системы уравнений отдпносительно и; и а, даетдгоп -- ао+ (оЩ - гг оФ. 1,Агойоп го; /дп С гг ф(г фгг)дго ш. Лгогггоггг гоггггде аи=аа - о);. 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Таким образом, зоидируя исследуемую среду излучением, содержащим колебания нескольких частот, выбирая произвольные три колебания с частотами ад, а;, оо и производя измерения величин изменения фаз, например бФ и бФц, двух колебаний промежуточных частот, можно опеределить коэффициент преломления среды и, на частоте а; и диспердпсию - а, коэффициента преломления на тойд;оже частоте. При заданном значении одной из частот а; две другие частоты а; и агг выбирают таким образом, чтобы изменение фазы бФ и бФгколебаний промежуточной частоты оц; и агг, не превышало пределов однозначного отсчета устройства сравнения сигналов по фазе. Данный способ определения коэффициента преломления среды применим в радиочастот. ном, сверхвысокочастотном и оптическом диапазонах волн. В оптическом диапазоне в качестве источника излучения можно использовать, например, СО,-лазер, который может генерировать одновременно на нескольких длинах волн вблизи 10,6 мкм. Выделение разиостных частот можно осуществить при помощи распределенных систем с электрооптическими кристаллами или точечных детекторов со структурой металл - диэлектрик - металл.Схема установки с использованием в качестве источника излучения СО-лазера и преобразователей на электрооптических кристаллах из арсенида галлия СаАз представлена на фиг, 2,В установке используют СО,-лазер 10, работающий в режиме одновременной генерации нескольких частот. Этот лазер работает в импульсном режиме, хотя можно использовать и режим непрерывной генерации. Его питание осуществляется от импульсного блока питания 11. Излучение лазера 10 делится на два луча пластинкой 12 из кристалла кремния. Один из лучей используется для зондирования исследуемой среды 13, второй - для формирования опорного сигнала. Излучение в каждом из каналов фокусируется линзами 14 и 15 из бромистого калия КВг на кристаллы 16 и 17 из арсенида галлия баАз, помещенные в прямоугольные металлические волноводы, Посредством кристаллов баАз осуществляется преобразование излучения СОолазера. С выхода преобразователей сигналы разностной частоты миллиметрового диапазона поступают в плечи Е и Н двойного волноводного тройника 18, выполняющего роль сумматора. Результирующий сигнал разностной частоты и излучение от гетеродина 19, в качестве которого используют маломощный клистронный генератор миллиметрового диапазона, подаются на смесительный диод 20. Напрягжение сигнала второй промежуточной частоты 30 МГц, снимаемое с диода, подается на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 21. Индикация видеоимпульсов, снимаемых свидеодетектора УПЧ, осуществляется визуально на экране осциллографа 22, синхронизация развертки которого производится импульсами от блока питания лазера. Аттенюатор 23 используется для регулировки мощности гете- родина, волномер 24 - для контроля частоты гетеродина. Начальную нулевую разность фаз сигналов разностной частоты в отсутствие исследуемой среды устанавливают перемещением одного из преобразователей 16 в направлении, параллельном лучу лазера, а амплитуду регулируют перемещением волноводов с кристаллами баАз параллельно плоскости Н. Для обеспечения возможности перемещения преобразователей часть волноводного тракта выполнена на диэлектрических волноводах (ДВ).Выбор нужной пары частот а и ы; осуществляется путем перестройки частоты гете- родина 19. Перед проведением измерений в обоих каналах необходимо установить одинаковые амплитуды сигналов второй промежуточной частоты 30 МГц путем перемещения одного из преобразователей 16 и 17 в направлении, перпендикулярном лучу лазера (в отсутствие исследуемой среды). Перемещением же одного из преобразователей, например, кристалла 16, в направлении, параллельном лучу лазера, добиваются минимальной величины амплитуды суммарного сигнала, после чего перед этим же преобразователем помещается исследуемая среда. Затем вновь выравниваются амплитуды сигналов в обоих каналах и перемещением преобразователя 16 в продольном направлении по отношению к лучу лазера устанавливают минимальное значение амплитуды суммарного сигнала. По величине перемещения ЛЛ, преобразователя 16 в продольном направлении можно определить изменение фазы 6 Фц= (а;ЛА)/С.Операции, аналогичные указанным, производятся для другой пары частот о, и а;, определяется изменение фазы 6 Ф,; и по выражению (4) вычисляют коэффициент преломления среды.Данным способом были определены коэффициенты преломления пластин, изготовленных из кристаллов хлористого натрия МаС 1, бромистого калия КВг, хлористого серебра АдС 1, толщиной до нескольких миллиметров.Небольшое усложнение схемы (фиг. 2) позволяет вести автоматическую регистрацию изменения фазы и осуществлять непрерывный контроль параметров исследуемой среды.При диагностике плазмы, когда закон изменения коэффициента преломления от частоты электромагнитных колебаний известен, этим способом можно определить концентрацию электронов в плазме и частоту соударений электронов. В бесстолкновительной плаз,",с, где частота соударений электронов практически равна нулю, для определения концентрации электронов достаточно измерить изменение фазы колебания одной из промежуточных частот,Использование этого способа позволяетопределять параметры исследуемых сред в случаях, когда коэффициент преломления изменяется во времени от величины по до,некоторого значения п, либо когда протяженность 1 среды изменяется от нуля до заданного значения, а также определять коэффициент преломления сред, параметры и протяженность которых не изменяются во времени, либо изменяются в ограниченных пределах.Формула изобретенияСпособ определения коэффициента преломления среды путем зондирования среды электромагнитным излучением нескольких частот и 25 измерения сдвига фаз волн, прошедцих черезсреду, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых сред, выделяют колебания на разностных частотах зондирующего излучения, прошедшего через среЗ 0 ду, ц опорного излучения, измеряют разностьфаз выделенных колебаний с помощью устройства сравнения сигналов разностной частоты по фазе и определяют коэффициент преломления на заданной частоте из соотноше 35 ния.и ио+ (Ы -оФ,я й) (где и, - коэффициент преломления сред" 40 на заданной частоте;по - коэффициент преломления воздухС - скорость света в вакууме;Е - протяженность заданной среды внаправлении распространения зон дирующего излучения;ж; - заданная частота;ж;а - частоты двух других колебаний;фМ - М .га .=ю - а. и а. =ш. - о - разностныец - а у и -ю 50 частоты;6 Ф; - разность фаз колебаний разностных частот од;,бФ - разность фаз колебаний разностных частот й.г55 причем частоты излучения или протяженностьсреды выбирают таким образом, чтобы разность фаз каждого из выделенных колебанийне превыи:ала пределов однозначного отсчетаустройства сравнения сигналов разностцой 60 частоты по фазе.554485 Составитель Н, ГусеваРедактор Н. Шубина Техред М. Семенов Корректор А. Степанова ПодписноСР Типографи апунова, 2 аказ 1624/5 Изд, Мз 355 ЦНИИПИ Государственного по делам изо 113035, Москва, Ж Т комитета Со ретений и от 5, Раушская