Диссертация (1104104), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Íà÷èíàÿ ñðàññòîÿíèé r0 îêîëî 500600 ìì ïðîôèëü âîëíû äåéñòâèòåëüíî ñòàíîâèòñÿ ïîõîæèì íàN -âîëíó, îäíàêî ïèêîâîå ïîëîæèòåëüíîå äàâëåíèå ïðèìåðíî â 1.2 ðàçà ïðåâûøàåò ìîäóëüïèêîâîãî îòðèöàòåëüíîãî äàâëåíèÿ. Íàïîìíèì, ÷òî âðåìåííîå ðàçðåøåíèå ïîëó÷åííûõâîññòàíîâëåííûõ ïðîôèëåé îãðàíè÷åíî âðåìåíåì ýêñïîçèöèè âûñîêîñêîðîñòíîé êàìåðû èñîñòàâëÿåò 3 ìêñ.28(а)(б)8фотодиодделительпучка5искровойзеркало источникзеркало7пробный пучоклинзасферическийфронтволныискровойисточниклинза6зеркало ипьезокомпенсатор4опорный пучокделительпучкаделительпучкафотодиодделительпучкамикрофонлазерзеркало ипьезокомпенсатор3линзафильтр2лазер 1Ðèñ. 1.12.
(à) Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè íà îñíîâå èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-Öåíäåðà.(á) Ôîòîãðàôèÿ óñòàíîâêè.1.5. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà äëÿ îïòè÷åñêèõèçìåðåíèé ñ ïîìîùüþ èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-ÖåíäåðàÝêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà, ñîçäàííàÿ â ðàáîòå äëÿ èçìåðåíèÿ ðàçðûâíûõ àêóñòè÷åñêèõ âîëí ñ ïîìîùüþ èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-Öåíäåðà, ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 1.12.Èíòåðôåðîìåòð ñìîíòèðîâàí íà âèáðîçàùèòíîì îïòè÷åñêîì ñòîëå ðàçìåðàìè 60 × 60 ñì1,(PBH51505, ThorLabs, Inc.) è ñîñòîèò èç èñòî÷íèêà íåïðåðûâíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ O2 , òð¼õ ëèíç O4 èO5 , äâóõ ïëîñ3 , äâóõ ïîëóïðîçðà÷íûõ äåëèòåëüíûõ ïëàñòèí Oôèëüòðà O6 èO7 ) è ôîòîäèîäà O8 . Äëèíà âîëíû ãåëèé-íåîíîâîãî ëàçåðà ñîñòàâëÿëàêèõ çåðêàë (Oλ = 632 íì, à ìîùíîñòü ëàçåðíîãî ëó÷à ðàâíÿëàñü 10 ìÂò.
Ñåíñîð ôîòîäèîäà áûë àäàïòèðîâàí ê èçìåðåíèþ ìåíüøèõ ìîùíîñòåé, ïîýòîìó ñðàçó çà ëàçåðîì óñòàíàâëèâàëñÿ íåéòðàëüíûé ôèëüòð, óìåíüøàþùèé ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ äî 1.3 ìÂò. Âñå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû (äåëèòåëè ïó÷êà, çåðêàëà, ôèëüòð è ëèíçû) èìåëè äèàìåòð ðàâíûé 25 ìì.4 ðàçäåëÿåò ëàçåðíûé ëó÷ íà îïîðíûé è ïðîáíûé ïó÷êè; äåëèòåëü ïó÷Äåëèòåëü ïó÷êà O5 ñîáèðàåò ýòè ïó÷êè îáðàòíî â îäèí äëÿ èçìåðåíèÿ èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû íàêà Oïîâåðõíîñòè ôîòîäèîäà.
Äåëèòåëè ïó÷êîâ èìåëè êîýôôèöèåíò ïðîõîæäåíèÿ/îòðàæåíèÿðàâíûé 50/50, îäíàêî äàæå åñëè ýòî ñîîòíîøåíèå âûïîëíÿåòñÿ íå òî÷íî, òî ýòà íåòî÷íîñòüâñ¼ ðàâíî áóäåò êîìïåíñèðîâàíà òåì, ÷òî êàæäûé ïó÷îê îäèí ðàç îòðàæàåòñÿ è îäèí ðàçïðåëîìëÿåòñÿ, ïîýòîìó èòîãîâàÿ èíòåíñèâíîñòü ïó÷êîâ ïîëó÷àåòñÿ îäèíàêîâîé. Îïîðíûéè ïðîáíûé ëàçåðíûå ïó÷êè ôîðìèðóþò êâàäðàò ñî ñòîðîíîé 35 ñì.
Äëÿ óìåíüøåíèÿ òîëùèíû ïðîáíîãî ïó÷êà â îáëàñòè, ãäå îí ïåðåñåêàåò ôðîíò àêóñòè÷åñêîé âîëíû, ìåæäóëàçåðîì è ïåðâûì äåëèòåëåì ïó÷êà óñòàíàâëèâàëàñü ñîáèðàþùàÿ ëèíçà ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì 20 ñì. Òîëùèíà ïðîáíîãî ïó÷êà îïðåäåëÿåò âðåìåííîå ðàçðåøåíèå ìåòîäà èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-Öåíäåðà. Åù¼ äâå ñîáèðàþùèå ëèíçû ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì ≈ 15 ñì29ïîìåùàëèñü íà ðàññòîÿíèè 2-3 ñì ïîñëå êàæäîãî çåðêàëà. Ýòè ëèíçû êîìïåíñèðîâàëèäèôðàêöèîííîå ðàñõîæäåíèå ëàçåðíîãî ëó÷à è óìåíüøàëè ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿïó÷êîâ, ÷òîáû ïîñëå èõ ñâåäåíèÿ ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ðåçóëüòèðóþùåãî ëó÷à óìåùàëîñüíà ïîâåðõíîñòè ôîòîäèîäà.
Îïîðíûé è ïðîáíûé ïó÷êè ñâîäèëèñü òàêèì îáðàçîì, ÷òîáûíàáëþäàëàñü èíòåðôåðåíöèîííàÿ êàðòèíà â ïîëîñàõ áåñêîíå÷íîé øèðèíû [ 66]. Äëÿ èçìåðåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ïîëó÷àåìîé èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû èñïîëüçîâàëñÿ ôîòîäèîäìîäåëè NT53-372 Edmund Optics, ÷óâñòâèòåëüíîñòü êîòîðîãî ñîñòàâëÿëà rp = 0.35 À/Âòïðè äëèíå ñâåòîâîé âîëíû 632.8 íì, ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ðàâíÿëàñü 3.2 ìì2 , ýëåêòðî¼ìêîñòü 45 ïÔ ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè ñìåùåíèÿ. Ôîòîäèîä ñîâìåñòíî ñ óñèëèâàþùåéýëåêòðîíèêîé îáåñïå÷èâàë ëèíåéíóþ ïðîïîðöèîíàëüíîñòü âûõîäíîãî ñèãíàëà ñâåòîâîìóïîòîêó è øèðîêîïîëîñíûé îòêëèê îò 0 äî 10 ÌÃö. Èíòåðôåðîìåòð äîïîëíèòåëüíî ñòàáèëèçèðîâàëñÿ íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ (0-10 Ãö) ïóò¼ì óïðàâëåíèÿ ïîëîæåíèåì îäíîãî èççåðêàë, ñìîíòèðîâàííîãî íà ïüåçîýëåêòðè÷åñêîì óñòðîéñòâå $ , ñèãíàëîì îòðèöàòåëüíîéîáðàòíîé ñâÿçè.O1.6.
Èçìåðåíèå ïðîôèëåé àêóñòè÷åñêèõ âîëí ñ ïîìîùüþèíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-Öåíäåðà1.6.1. Ôîðìèðîâàíèå îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà îòñóòñòâèå àêóñòè÷åñêîé âîëíû èíòåðôåðîìåòð ñòàáèëèçèðóåòñÿ òàê, ÷òî âûõîäíîé ñèãíàë ðàâåí ñóììå èíòåíñèâíîñòåé îïîðíîãî è ïðîáíîãî ïó÷êîâ: I = IA + IB .
Ïðèïðîõîæäåíèè àêóñòè÷åñêîé âîëíû ÷åðåç ïðîáíûé ïó÷îê âíîñèòñÿ äîïîëíèòåëüíàÿ ôàçàϕîïò , è èíòåíñèâíîñòü ñâåòà íà ôîòîäèîäå èçìåíÿåòñÿ ñîãëàñíî ôîðìóëå [79]:I = IA + IB + 2IA IB cos ϕîïò .(1.10)Èçìåðåíèÿ âûïîëíÿþòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñíà÷àëà âûñòàâëÿåòñÿ íóëåâîé óðîâåíü íàïðÿæåíèÿ íà ôîòîäèîäå òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïðè ïåðåêðûâàíèè íåïðîçðà÷íîé ïåðåãîðîäêîé ëàçåðíîãî ëó÷à ñèãíàë íà ôîòîäèîäå áûë ðàâåí íóëþ.
Òîãäà ïðè äàëüíåéøèõ èçìåðåíèÿõ èíòåíñèâíîñòü ëàçåðíîãî ëó÷à áóäåò ïðîïîðöèîíàëüíà íàïðÿæåíèþ íà ôîòîäèîäå,è óðàâíåíèå (1.10) ïðèìåò âèä:√uD = uA + uB + 2 uA uB cos ϕîïò .(1.11)Çäåñü uA è uB íàïðÿæåíèÿ íà ôîòîäèîäå â ñëó÷àå ïåðåêðûâàíèÿ ëèáî ïðîáíîãî, ëèáî îïîðíîãî ïó÷êà, ñîîòâåòñòâåííî. ×òîáû óáåäèòüñÿ, ÷òî èíòåðôåðåíöèÿ ïðîèñõîäèò ïîâñåìó ïîïåðå÷íîìó äèàìåòðó ðåçóëüòèðóþùåãî ïó÷êà, íà îïòè÷åñêèé ñòîë îêàçûâàëîñüíåáîëüøîå ìåõàíè÷åñêîå âîçäåéñòâèå (óìåðåííîå ïîñòóêèâàíèå ïàëüöåì), ïðè êîòîðîì ïðîâåðÿëèñü ïðåäåëüíûå íàïðÿæåíèÿ íà ôîòîäèîäå. Åñëè ìèíèìàëüíîå íàïðÿæåíèå uDmin ïðè30√ïîñòóêèâàíèè ñîñòàâëÿåò uDmin = uA + uB − 2 uA uB , à ìàêñèìàëüíîå uDmax = uA + uB +√2 uA uB , òî îïîðíûé è ïðîáíûé ïó÷îê ïðè ñâåäåíèè äåëèòåëåì ïó÷êà # ïåðåêðûâàþòñÿïî âñåé ïëîùàäè, è îïòè÷åñêóþ ñèñòåìó ìîæíî ñ÷èòàòü íàñòðîåííîé. Ïåðåä ïðîâåäåíèåìîïòè÷åñêèõ èçìåðåíèé íóëåâîé óðîâåíü íàïðÿæåíèÿ íà ôîòîäèîäå âûñòàâëÿëñÿ ðàâíûìuC = −(uA + uB ).
 ýòîì ñëó÷àå èçìåðåííûé ôîòîäèîäîì ñèãíàë áóäåò ïðîïîðöèîíàëåíêîñèíóñó îò ñäâèãà ôàç ϕîïò ìåæäó îïîðíûì è ïðîáíûì ïó÷êàìè:O√u = uD + uC = 2 uA uB cos ϕ = u0 cos ϕîïò ,(1.12)√ãäå u0 = 2 uA uB àìïëèòóäà èçìåðåííîãî ñèãíàëà. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ñäâèã ôàç ϕîïòìåæäó ïó÷êàìè ñîäåðæèò â ñåáå íå òîëüêî àêóñòè÷åñêóþ ñîñòàâëÿþùóþ ϕàê (t), íî è íåêîòîðóþ ïîñòîÿííóþ ϕ0 , ñâÿçàííóþ ñ ñàìèì èíòåðôåðîìåòðîì (èçìåíåíèå ôàçû ïó÷êà ïðèîòðàæåíèè, íàïðèìåð, îò çåðêàëà è ò.ä). ×òîáû ïðè èçìåðåíèÿõ âûäåëèòü òîëüêî êîìïîíåíòó ϕàê (t), èíòåðôåðîìåòð ñòàáèëèçèðîâàëñÿ ïüåçîêîìïåíñàòîðîì $ òàêèì îáðàçîì,÷òîáû â îòñóòñòâèå àêóñòè÷åñêîãî ñèãíàëà ñäâèã ôàçû ìåæäó ïó÷êàìè áûë ðàâåí íóëþ, à,çíà÷èò, ϕ0 óñòàíàâëèâàëîñü ðàâíûì π/2.
Óñòðîéñòâî ïüåçîêîìïåíñàòîðà è îòðèöàòåëüíîéîáðàòíîé ñâÿçè ïîäðîáíî îïèñàíî â [14].  ðåçóëüòàòå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íà ôîòîäèîäåñâÿçàíî ñ àêóñòè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé ðàçíîñòè ôàç ìåæäó îïîðíûì è ïðîáíûì îïòè÷åñêèìè ïó÷êàìè êàê:Ou = u0 sin ϕàê (t).(1.13)1.6.2. Ñâÿçü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ôîòîäèîäå ñ ïàðàìåòðàìèàêóñòè÷åñêîé âîëíûÑôåðè÷åñêè ðàñõîäÿùàÿñÿ N -âîëíà, ñîçäàâàåìàÿ èñêðîâûì èñòî÷íèêîì, ïðè ñâî¼ìðàñïðîñòðàíåíèè ïðîõîäèò ÷åðåç ïðîáíûé ïó÷îê èíòåðôåðîìåòðà. Ðàññìîòðèì, êàê ñäâèãôàç ϕac (t) ìåæäó îïîðíûì è ïðîáíûì îïòè÷åñêèìè ïó÷êàìè èíòåðôåðîìåòðà ñâÿçàí ñïàðàìåòðàìè N -âîëíû.Ïóñòü ïðîáíûé ïó÷îê ïðîõîäèò íà ðàññòîÿíèè x = r1 îò èñêðîâîãî èñòî÷íèêà (ðèñ.
1.13). ìîìåíò âðåìåíè t âîçìóùåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n(x, y, t), âûçâàííîå ïðîõîæäåíèåì àêóñòè÷åñêîé âîëíû, ìîæíî ñâÿçàòü ñ îïòè÷åñêîé ðàçíîñòüþ ôàç ϕàê (t):2πϕàê (t) =λ+∞n(x = r1 , y, t)dy.−∞31(1.14)Èñïîëüçóÿ ñôåðè÷åñêóþ ñèììåòðèþ çàäà÷è, ïåðåïèøåì óðàâíåíèå (1.14) êàê:4πϕàê (t) =λ+∞r1 îáùåì âèäå âûðàæåíèå (1.15) íå èìååòàíàëèòè÷åñêîãî ðåøåíèÿ äëÿ ôóíêöèè n(r, t).Îäíàêî â óñëîâèÿõ ðàññìàòðèâàåìîé çàäà÷èôóíêöèÿ n(r, t) ÿâëÿåòñÿ òîëüêî ôóíêöèåé âðåìåíè n(r = r1, t), ïîñêîëüêó èçìåíåíèåì ñàìîé ôóíêöèè çà âðåìÿ ïðîõîæäåíèÿ ëàçåðíîãîïó÷êà ÷åðåç èññëåäóåìóþ îáëàñòü ìîæíî ïðåíåáðå÷ü.
Òîãäà óðàâíåíèå (1.15) ñ ìàòåìàòè÷åñêîéòî÷êè çðåíèÿ áóäåò ÿâëÿòüñÿ ïðÿìûì ïðåîáðàçîâàíèåì Àáåëÿ, îáðàùàÿ êîòîðîå ñ ó÷¼òîì âûðàæåíèé (1.1) è (1.13), ïîëó÷èì:c2 λp(t) = − 022π K+∞rddr1uarcsin √2 uA uBdr 1 .r12 − r2(1.16)(1.15)n(r, t)rdr.r2 − r12yпробныйпучокrN-волна0ширинаисследуемойобластиxискровойисточникdx = r1показательпреломленияоптическая фазаn(x,y,t)tÐèñ. 1.13. Èëëþñòðàöèÿ ïðîõîæäåíèÿïðîáíîãî ëàçåðíîãî ëó÷à ÷åðåç èññëåäóåìóþ îáëàñòü íàõîæäåíèÿ ñôåðè÷åñêîéN -âîëíû.
Âàðèàöèè îïòè÷åñêîãî ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàíû ãðàäèåíòîì ñåðîãî öâåòà.Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî âûðàæåíèå (1.16) ïîëó÷åíî â ïðåäïîëîæåíèè: (1) ñôåðè÷åñêîé ñèììåòðèè âîëíîâîãî ôðîíòà, (2) ïðåíåáðåæåíèè äèôðàêöèîííûìè ýôôåêòàìè, (3) îòñóòñòâèè ðåôðàêöèè ëàçåðíîãî ëó÷à íà îïòè÷åñêîé íåîäíîðîäíîñòè è (4) â ïðåíåáðåæåíèèèçìåíåíèÿ îïòè÷åñêîé íåîäíîðîäíîñòè íà ôèêñèðîâàííîì ðàññòîÿíèè n(r = r1, t) çà âðåìÿ ïðîõîæäåíèÿ ÷åðåç íå¼ îïòè÷åñêîãî ëó÷à. Êàê áûëî ïîêàçàíî ñ ïîìîùüþ ÷èñëåííûõìåòîäîâ â ðàáîòå [14], óêàçàííûå ïðèáëèæåíèÿ íå âíîñÿò ñóùåñòâåííîé îøèáêè â âîññòàíîâëåííûé ñèãíàë, è ïîãðåøíîñòü ìåòîäà èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-Öåíäåðà ñîñòàâëÿåò âñåãî2%.1.7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
