lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Можно записать, что деформация длины интерферометра Фабри–Перо равна ε = ∆L/L = –ν/ ν11, так как ν9 ≈ 10-15 Гци ее значением можно пренебречь.Возможности такого лазерного интерферометра оцениваются относительной погрешностью в 10‒14 за период интегрирования, равный1 с. С учетом инструментальных погрешностей и неустранимых шумовреально достигнуто значение 4·10‒12 за время 1 с. Повышение чувствительности при измерении линейных перемещений может быть достигнуто за счет применения в качестве подвижного зеркала одного из зеркал резонатора излучающего лазера и переходе к измерительной схемеинтерферометра Фабри–Перо.
При этом чувствительность с учетомвнешних влияний может возрасти до 10‒15. Измерение малых перемещений с большей точностью должно подкрепляться надежными экспериментальными данными, так как до настоящего момента отсутствуетсоответствующее метрологическое обеспечение такого вида измеренийи потому реальные линейные измерения пока могут проводиться с относительной погрешностью не выше 10‒9.К лазерным измерителям перемещений, имеющим предельныеточности, следует отнести приборы:деформографы для измерения деформации земной коры вследствие сейсмической активности, тектонической деятельности и космогонических факторов (современные лазерные деформографы фиксируют смещение земной коры с амплитудой 10‒2–10‒3 мкм на базе 25 м иотносительной погрешностью около 10‒10);дилатометры для измерения температурных коэффициентов линейного расширения различных материалов.
При длине образцов 30 мм или 75мм можно измерить коэффициент расширения с погрешностью 10‒8–10‒9;интерферометры для прецизионного контроля плоских, сферических и асферических оптических поверхностей с погрешностью измерений не хуже λ/200 и воспроизводимостью результатов измерений нехуже λ/1000;гравиметры для определения гравитационного ускорения с погрешностью канала измерения перемещений 3·10‒8 (рис. 4.31).119425367168109Рис. 4.31. Гравиметр для измерения абсолютных значений ускоренийсилы тяжести:1 – лазер; 2 – отражатель опорного канала; 3 – интерференционный делитель;4 – отражатель измерительного канала; 5 – шторка; 6, 7 – телескопическая система;8 – диафрагма; 9 – ртутное зеркало; 10 – фотоприемник120В таком гравиметре излучение He-Ne лазера 1 через телескопическую систему 6–7 поступает в двухплечевой интерферометр Майкельсона в модификации Тваймана–Грина (с уголковыми отражателями вкачестве зеркал).
Отражатель 4 свободно падает вдоль вертикальнойоптической оси, которая определяется с помощью ртутного горизонта9. Расстояние, пройденное отражателем, измеряется по интерференционной картине с помощью фотоэлектрической системы 10.Точная фиксация пути и времени, за которое этот путь пройден,дает возможность определить абсолютное значение g. На результат измерения влияют абсолютная высота точки проведения эксперимента идоплеровский сдвиг частоты двигающегося отражателя и основания,поэтому окончательный результат измерений получают после введениясоответствующих поправок. В настоящий момент разработан и выпускается отечественный гравиметр ГАБЛ-ПМ с лазерным источником надлине волны излучения λ = 532 нм.Другая группа измерителей перемещений предназначена для измерения дальности до объекта и входит в состав локационных систем илигеодезических комплексов.
При этом, кроме рассмотренного интерференционного способа измерений расстояний, используют и два традиционных светодальномерных способа – фазовый и импульсный.Фазовые дальномеры основаны на измерении разности фаз междуопорным сигналом, формируемым в линии задержки внутри приемопередающего прибора, и сигналом, прошедшим измеряемое расстояние.Дальность до объекта определяется выражением:L = [N + (φ0 – φ)/2π]λМ/2 + k,где k – поправка дальномера; φ0 – разность фаз, возникающая в оптической линии задержки; φ – фаза пришедшего сигнала; N – целое числодлин волн модулирующей частоты; λМ – длина волны модуляции.По указанному принципу работали дальномеры типа «Кварц» иСГ-2М с газовыми гелий-неоновыми лазерами типа ЛГН-105 и СВВ1М с ОКГ-16. Дальность действия первых до 30 км, погрешность измерения – 1 см, а дальность действия СВВ-1М с ОКГ-16 равна 12 км приотносительной погрешности 10‒6.Выражение для определения дальности действия импульсногодальномера имеет вид:()2 L =4 Φ è Sîòð SïðG / mΦ 0 / π ,121где Φи – мощность излучателя; Sотр – эффективная площадь отражающей поверхности; Sпр – эффективная площадь приемной антенны;G – интегральный коэффициент эффективности приемо-передающеготракта; m – отношение сигнал/шум на выходе приемника излучения;Φ0 – пороговый поток приемника излучения.Измеренная дальность действия импульсных дальномеров определяется из простого выражения ∆L = с∆τ, где с – скорость света в средераспространения; ∆τ – время прохождения светового импульса по измеряемой трассе.Одним из таких устройств, нашедших практическое применение,следует назвать лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2М,который измеряет скорости движения транспортных средств в диапазоне 0–250 км/ч и дальность до них в диапазоне 5–1000 м в полевыхусловиях эксплуатации.Погрешности измерения имеют место не только при фиксации временных интервалов, но и при неточном учете влияния изменения показателя преломления атмосферы в зависимости от ее температуры Т,давления р и влажности е, что видно из формулы Барелла–Сирсаn = 1 + 0,38(n0 – 1)Р/Т – 15·10-6е/Т,где n0 – показатель преломления воздуха при стандартных условиях(Т = 288 °К, р =760 мм рт.
ст., е = 0).Многочисленные эксперименты показали, что ∆n/n = 10‒6, и поэтому отношение ∆с/с, имеющее тот же порядок, приводит к предельной относительной погрешности не выше 10‒6, а с учетом погрешности фиксации временных интервалов не бывает меньше 10‒5. Лазерныедальномерные устройства (laser ranging devices) измеряют собственнорасстояние и лазерный дальномер работает обычно в горизонтальномнаправлении сквозь атмосферу на расстояниях до нескольких десятковкилометров. При измерениях в вертикальном направлении он употребляется как весьма чувствительный альтиметр для измерений высот досамолёта или искусственного спутника Земли. Менее чувствительныеи менее сложные модели нашли широкое применение в инженерной игеодезической практике. Однако геофизики заинтересованы в первуюочередь в лазерных дальномерах, которые могут обеспечивать относительную погрешность порядка 10‒6 или более высокую.
Из современных дальномеров, кроме дальномеров геодезического направления сполупроводниковыми лазерами, широко распространены дальномеры,122работающие с твердотельными лазерами, активированными ионамиредкоземельных элементов. Среди них можно назвать современные отечественные дальномеры марок ДИМ-3, ЛДИ-14, КТД-2-2 и EG-LRF.Ограничение точности, достижимой при измерениях лазернымдальномером, обусловливается неопределенностью показателя преломления атмосферы на пути распространения волн. Для точностейпорядка 10‒7 или более высоких успешные измерения были сделаныв вакууме при помощи интерференционного тензометра. Лазерныетензометры, которые измеряют только изменения расстояний, способны обеспечить точность 10‒12 при расстояниях, ограниченных толькопрактическими соображениями (цена земли, наличие участка и т.
п.),порядка 1 км. Однако вследствие значительной протяженности вакуумирующего устройства лазерные тензометры в лучшем случае представляют собой полупортативные установки. Конечно, в безвоздушнойсреде, такой, как на Луне, эта аппаратура может быть использована дляизмерения значительно больших расстояний. Исследования деформаций при помощи лазерного дальномера выполняют путем измерениядлины линии в разное время. На специальной станции измерения могут выполняться через каждые 6 месяцев или около этого. При помощилазерных тензометров осуществляют непрерывные измерения изменений длины ∆L без измерения самого расстояния L. Точность тензометров, их чувствительность и в некоторых случаях стабильность далекопревосходит соответствующие характеристики лазерных дальномеров.Обычно обнаруживаются деформации порядка 10‒10 (в противоположность разрешающей способности 10‒6–10‒7 для дальнометрии).
Однаковследствие значительных размеров лазерные тензометры не транспортабельны в такой степени, как лазерные дальномеры, и по этой причине используются скорее для непрерывных измерений в одном местеи в течение продолжительного времени (несколько месяцев или лет),чем для единичных измерений в разных местах. Вообще говоря, эти двакласса приборов (дальномеры и тензометры) не конкурируют междусобой, а дополняют друг друга. Лазерные дальномеры используют длягеодезических работ на больших территориях, в местностях, где движения земной коры приводят к деформациям порядка 10‒6 в год или болеезначительным.
Лазерные тензометры, устанавливаемые в нескольких,специально выбранных местах, дают очень точные и непрерывные записи изменений земных напряжений до 10‒10 в год. В действительности123лазерный тензометр можно представлять себе как широкополосный горизонтальный сейсмометр с непрерывной калибровкой и очень большим динамическим диапазоном, реакция (отклик) которого линейна иодинакова вплоть до нулевых частот.С разработкой лазера как когерентного источника света стало возможным распространить метод оптической интерферометрии на значительные расстояния. С обычными источниками света измерялисьрасстояния порядка нескольких сантиметров. Благодаря когерентностилазеров, лазерные интерферометры успешно работали на расстоянияхдо 1 км.
Как указывалось ранее, устройство в простейшем виде представляет собой интерферометр Майкельсона (хотя используются такжеи другие интерферометры, в частности интерферометр Фабри–Перо),содержащий источник излучения, светоделительное устройство, зеркало опорного канала на одном столбе и зеркало измерительного каналана другом столбе, удаленном на расстояние L. Свет от удаленного отражателя интерферирует со светом от местного зеркала, образуя классическую интерференционную картину. В измерительном канале должноподдерживаться постоянное давление (обычно он вакуумируется) с целью ослабления влияния деформаций волнового фронта в такой степени, чтобы интерференционная картина была хорошо видимой, и дляуменьшения поправок из-за влияния величины преломления.Максимумы интенсивности получаются, когда L кратно целомучислу длин полуволн лазерного излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
