Лазерный кольцевой интерферометр

(51)5 6 01 В 9/02 ТЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) РЕТЕН К АВТОРСКО ВИДЕТЕЛЬ ТВ ый универси- З,Г,Мурзаханыи гироскоп, . 18-20, 268 -электронные и связь, 1982,Оптико :Радио к иэмерительользовано дляной гравитацин и о для измерения угжащее активную езонатор, оптичения лазерных пучлы для анализа ины,тва для измерения тся то, что в своемне пригодно для гравитационного угловых существ измере поля Зе ПИСАНИЕ(56) Бычков О.И. и др. ЛазерМ., Советское радио, 1975.273,Пакомов И,И. идрквантовые приборы, М.с. 389,(54) ЛАЗЕРНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР(57) Использование: изобретение относитсяк лазерной интерферометрии и может бытьиспользовано для измерения величины первой производной гравитационного потенциИзобретение относитсятехнике и может быть исерения первой производого потенциала Земли. Известно устройство овых скоростей, содер реду (АС), кольцевой р кие элементы совмеще ов и электронные уз нтерференционной карт Недостатком устройс скоростей являе ующем виде оно ния параметров мли,,Ж 1827538 А 1 ала Земли, Сущность: лазерный кольцевой интерферометр содержит оптически связанную АС, первый, второй, третий полупрозрачные отражатели и отражатель, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор и схему совмещения световых пучков с подключенным к выходу регистратору(фотодетектору). Два взаимно-ортогональных оптических рециркулятора имеют в своем составе оптической вентиль, отражатели, Сдвиг фаз оптического излучения, рециркулирующего в ориентированном по линии отвеса рециркуляторе в неоднородном гравитационном поле Земли, когерентно накопленный и преобразованный регистратором в электрический сигнал, содержит информацию об изменении первой производной гравитационного потенциала Земли, 1 ил. Известны также устройства для измерения первой производной гравитационного потенциала Земли. Они подразделяются на два основных типа: относительные и абсолютные,К относительным относятся кварцевые астазированные гравиметры, построенные по принципу вертикального сейсмографа Голицына и применяются для детальных гравиметрических работ; Лучшие модели этих гравиметров имеют общую точность измерения 1-.3 мкГал, (например, гравиметр "1 а Созса- йоеЬегда" О"). К этому же классу относятся маятниковые приборы, использующие явление свободного колебания маятника, отклоненного от положения равновесия на угол дЪ, и применяющиесядля более высокоточных гравиметрическихработ, Точность этих приборов можетдостигать единицы микрогал.К абсолютным гравиметрам относятсябаллистические приборы, построенные по 5принципу регистрации отрезков пути падающего тела при помощи двуплечего интерферометра Майкельсона с газовымоптическим квантовым генератором (ОКГ).Точность таких приборов может достигать 10до 0,5 мкГал,. Наиболее близкими по техническойсущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа лазерный измеритель угловых скоростей, 15содержащий АС. три полупрозрачных отражателя и отражатель, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевойоптический резонатор, схему совмещения всоставе двух вспомогательных отражателей 20и вспомогательного полупрозрачного отражателя, а также регистратор интерференционной картины,В замкнутом контуре (резонаторе) лазерного кольцевого интерферометра (ЛКИ) 25возбуждаются право- и леводвижущиесявстречные волны, обегающие контур во взаимна-встречных направлениях, Величинадифференциального фазового сдвигавстречных волн, приобретаемая ими при 30вращении резонатора, равна:Ьр = й - р 1 = 8 Я Б ОЛ.С, (1)где р 2 и р - величины фазового набегавстречных оптических излучений;Я и- площадь и периметр контура 35(резонатора);Й- угловая скорость вращения резонатора;0 - добротность резонатора:С - скорость света,40Использование высокодобротного резонатора позволяет добиться высокой чувствительности, повышение которойобъясняется когерентным накоплением фазового сдвига при многократном обходе 45контура каждой из встречных волн.Часть энергии встречных волн выводится из резонатора ЛКИ через одно из полупрозрачных зеркал и поступает на схемупространственного совмещения (СПС), На 50выходе СПС при р 2 - р 1: 0 Формируетсяинтерференционнов, поле. которое фиксируется регистратором,По своим характеристикам ЛКИ относятся к прецизионным измерителям, однако в силу симметрии его конструкции и приЙ = 0 невозможно выделить (обусловленныйнеоднородностью потенциала гравитационного поля Земли) сдвиг фаз взаимно-встречно распространяющихся в резонаторе ЛКИ световых потоков, Причем этот сдвиг фаэ. содержащий информацию о первой производной гравитационного потенциала Земли (его изменении), невозможно выделить при любой ориентировке ЛКИ относительно поверхности уровня. Это и является существенным недостатком известного устройства (прототипа).Целью изобретения является расширение функциональных возможностей ЛКИ по измерению первой производной гравитационного потенциала Земли.Это достигается тем, что ЛКИ, содержащий оптически связанные АС, первый, второй, третий полупрозрачные (ПП) отражатели, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор (АСКОР), схему совмещения в составе двух вспомогательных отражателей, и вспомогательного полупрозрачного отражателя, а также регистратора. ЛКИ снабжен дополнительными первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым отражателями; (ДО) первым и вторым оптическими вентилями (ОВ), причем оптически связанные первый ДО, первый ОВ, второй и третий ДО совместно с первым ПП отражателем по ходу праводвижущегося светового потока образуют первый, ориентированный по линии отвеса удлиненный рециркулятор, Оптически связанные четвертый ДО, второй ОВ, шестой и седьмой ДО, совместно с третьим ПП отражателем по ходу леводвижущегося светового потока образуют второй удлиненный рециркулятор, ортогональный первому,Для пространственно-симметричных схем, использующихся в традиционных ЛКИ. для каждого из световых потоков, распространяющихся влево и вправо от АС, суммарная по периметру оптической системы фазовая модуляция оптического излучения в гравитационном поле Земли при .горизонтальной ориентации ЛКИ относительно поверхности уровня близка к нулю; чтобы гарантировать наличие ненулевой разности Фазовых модуляций для световых потоков, распространяющихся во взаимно перпендикулярных направлениях, необходима их пространственная, поляриэационная или частотная развязка. В заявляемом обьекте такая развязка осуществлена с помощью двух удлиненных взаимно ортогональных рециркуляторов с оптическими вентилями в них. Причем рециркуляторы должны быть строго ориентированы: один - по линии отвеса, ось второго - сонаправлена с осью уровня.Сопоставительный анализ с прототипомпоказывает,что предлагаемое устройство отличаетсяналичием новых, двух удлиненных, сОВ в контурах рециркуляторов,взаимно ортогонально включенных в контур замкнутого АСКОР прототипа в качестве нагрузкисоответственно для право- и левораспространяющихся световых потоков,Изобретение поясняется чертежом, где1, 3, 4; 11, 17, 18 - первый, второй, третий, 10четвертый, пятый и шестой дополнительныеотражатели соответственно;2, 14 - оптические вентили (невзаимныеэлементы);6 - активная среда; 157 - отражатель;5, 9, 10 - первый, второй, третийпол 1 гпрозрачные отражатели соответственно; 8,13 - вспомогательные отражатели;12 - вспомогательный полупрозрачный 20отражатель;15 - интерференционное поле:16 - регистратор (дифференциальныйфотодетектор);И, Ы з - периметры основного контура и контуров взаимно ортогональных, удлиненных рециркуляторов (контург,контур Ь, контур з),-- т право- и-леводвижущиеся световыепотоки; 3007 - перпендикуляр к оси уровня (линияотвеса).Как следует из схемы, левый и правыйвыходы АС 6 через ПП отражатели 5, 9, 10 иотражатель 7 оптически связаны между собой и образуют основной контур (резонатор)с периметром Ы, ПП отражатель 5 своимвыходом через отражатели 4 и 1, оптическийвентиль 2 и отражатель 3, образуя контуррециркулятора с периметром Ь, оптически 40связан со своим входом. ПП отражатель 10своим выходом через отражатели 17 и 18;оптический вентиль 14 и отражатель 11, образуя контур рециркулятора с периметромО, оптически связан со своим входом, Вза-,45имно ортогональные выходы ПП отражателя 9 параллельно через отражатели 8 и 13оптически связаны ПП отражателем 12, навыходе которого включен регистратор 16,Рециркулятор с периметром О (первый) 50ориентирован по линии отвеса, рециркулятор с периметром О (второй) размещен ортогонально первому.Работа заявляемого объекта заключается в следующем, Возбуждаемое в основном 55резонаторег правораспространяющеесяизлучение является излучением накачки длярециркулятора1 (ориентированного вдольоси ОД,так как часть излучения основногорезонатора Ег через ПП отражатель 5 ответвляется в рециркулятор Ь. Это оптическое излучение,пройдя путь "выход ПП отражателя 5 - отражатель 4 - отражатель 1 - оптический вентиль 2 - отражатель 3 - вход ПП отражателя 5", возвращается в основной контур. Часть излучения рециркулирует в контуре О,когерентно суммируясь с поступающим сюда излучением из основного контура 1.г. в результате чего происходит компенсация энергетических потерь излучения на отражателях 1, 3, 4, и ОВ 2 контура 11, Часть рециркулирующего в контуре Ь излучения, возвращаясь в основной контур .г (в активную среду б),также восстанавливает сбои энергетические потери на отражателях 1,3,4,5 и ОВ 2, ноужесучетомсдвига фаз, накопленного при рециркуляции этого излучения в контуре Ь в неоднородном гравитационном поле Земли. Таким образом, излучение накачки (правораспространяющееся излучение) в основном контурег генерируется с учетом его сдвига фаэ и Энергетических потерь в контуре ОАналогично левораспространяющееся оптическое излучение основного резонатора 1.г является излучением накачки для рециркулятора Ь, ориентированного вдоль оси ОУ. Поскольку вдоль оси ОУ отсутствует производная гравитационного потенциала Земли, то в рециркуляторе О будет отсутствовать сдвиг фазы. Поэтому интерференционное поле на выходе схемы совмещения, содержащем информацию о первой производной потенциала, будет формироваться между и равораспространя ющимся световым излучением, имеющим сдвиг фазы, и левораспространяющимся световым излучением без сдвига фазы. поэтому оно является опорным.Электромагнитное поле в рециркуляторе определяется четыре-вектором потенциалаА = (Ао. Ах, Ау,.Аг), (2) удовлетворяющим уравнениям Максвеллад Г - ь (дАл "Ащ) Ок 9д дх дх дх(3)и требуемым граничным условиям. Метрика пространства-времени:да (д = беща), - с учетом существующих модельных представлений о гравитационном поле Земли, мОжет быть задана в виде- (1 - 2 Ф /с )(бх + бу,+ ба ), (4) где Ф (1, х, у, г) - ньютоновский потенциал (Ф /с1). Для точек,близких к земнойг.поверхности,и для времен наблюдения т, несоизмеримо меньших периода вращения5 10 Земли, потенциал Ф можно аппроксимировать линейной функциейФ Фо+ д 2 (5) где д - ускорение свободного падения, (первая производная потенциала), ФЬ - потенциал на поверхности, ось 02 направлена вдоль нормали к поверхности уровня. В этом приближении для рециркулятора 11, . удлиненного вдоль оси 02, потенциал плоской линейно-поляризованной (А Аг Ао " 0; Ах О) электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси 02, который удовлетворяет граничным условиям:Ах(1, а) Ах (1, а .)-0 (6) где- линейный размер рециркулятора, имеет видАх(т, )- - Х Азп(в +ъ)Ип+ (7) и =.0. и-ой гармоники соответственно,шо = с(1+2 Фо/с +д Ос), (8)Аналогичное решение для рециркулятора,удлиненного по оси ОУ, вдоль которой отсутствует производная потенциала, можнопредставить в видеАхй, у)=В,ЗП(94+Р,)91 П -19)о =О. где вй - (1+2 Фос ). (10) Разность фаз Лр, полученная с помощью световых потоков в ортогональных рециркуляторах, помимо прогнозируемой постоянной начальной разности фаз уЪ - ф, будет содержать разность фаз, обусловленную влиянием на световые потоки гравитационного поля ЗемлиАя(т) = - т . (11) которая линейно возрастает со временем.Если основная мода оптического излучения имеет частотулйс . (2) а время наблюдения равно х, то рабочая форма для величины фазового искажения оптического излучения за счет действия однородного поля силы тяжести Земли на оптическое излучение приобретает окончательный видЬрц (т) =ше тд й.lс (13) 20 30 35 40 45 50 55 ПривЕ 10 Гц хс д 9,8 м/с,. 1 мЬрц"0,1 радПри использовании методов цифрового ко. герентного накопления, эффективно удлиняющих время наблюдения х, величина Ьрц может быть повышена не менее чем на три порядка (т,ффф При потенциальной чувствительности оптической системы ЬЪ 10 рад измерения параметров гравитационного поля Земли могут быть проведены с точностью. д ( Лунь с- 102Я шетэфф д(дц - О,1 мк Гал), (14) Таким образом, из анализа формул (7- 11) следует, что можно измерять первые производные гравитационного потенциала Земли (вертикальную и горизонтальную составляющие градиента гравитационного потенциала). Кроме того, интерферометр имеет повышенную чувствительность (не хуже, чем на порядок) по измерению первой производной по сравнению с существующими измерителями,Формула изобретения Лазерный кольцевой интерферометр, содержащий оптически связанные активную среду, первый, второй и третий полупрозрачные отражатели и глухой отражатель, составляющие замкнутый активный симметричный кольцевой оптический резонатор, схему совмещения, включающую два вспомогательных глухих отражателя и вспомогательный полупрозрачный отражатель, а также регистратор, причем выход второго полупрозрачного отражателя, являющийся выходом активного симметричного кольцевого резонатора, через схему совмещения оптически связан с входом регистратора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью измерения первой производной гравитационного потенциала Земли, он снабжен дополнительными первым - шестым глухими отражателями, первым и вторым оптическими вентилями, причем оптически связанные первый дополнительный отражатель, первый оптический вентиль, второй и третий дополнительные отражатели совместно с первым полупрозрачным отражателем образуют первый ориентированный по линии отвеса, удлиненный рециркулятор, а оптически связанные четвертый дополнительный отражатель, второй оптический вентиль, шестой и пятый дополнительные отражатели совместно.с третьим полупрозрачным отражателем образуют второй удлиненный рециркулятор,ортогональный первому, причемакаэ 2352 ВНИИПИ Го оеытиям при ГКНТ СС Тираж Подписрственного комитета по изобретениям и отк 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/ роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 первый оптический вентиль ориентирован на пропускание в направлении от первого к второму глухому дополнительному отражателю, а второй оптический вентиль ориентирован на пропускание в направлении от шестого к четвертому дополнительному глухому отражателю.