21467

Стандарты частоты газовые

Лекция

Физика

Лазеры точнее лазерное излучение позволили создать такие источники оптического излучения с такими узкими линиями излучения которые в принципе не могли существовать в естественных условиях. С развитием лазеров появилась возможность не только управлять но и стабилизировать частоту оптического излучения. В результате этого решения появилась возможность на базе лазеров у которых частота излучения и длина волны излучения в вакууме связаны простым соотношением создавать стандарты частоты и длины волны.

Русский

2013-08-02

1.6 MB

15 чел.

Лекция2 Стандарты частоты газовые

За последние полстолетия среди направлений развития и практического применения лазеров выделяется одно, связанное с такими характеристиками лазерного излучения как монохроматичность и когерентность. Лазеры, точнее лазерное излучение, позволили создать такие источники оптического излучения, с такими узкими линиями излучения, которые в принципе не могли существовать в естественных условиях. С развитием лазеров появилась возможность не только управлять, но и стабилизировать частоту оптического излучения. С созданием первых стабилизированных по частоте лазеров появилась возможность решить фундаментальную задачу - создать единый эталон времени и длины. Т.е. в одном физическом устройстве формируются электромагнитные сигналы, частота и длина волны которых известна с одинаковой точностью. Для того, чтобы реализовать такой единый эталон времени и длины, необходимо было решить вопрос о значении скорости света. На протяжении нескольких веков проводились эксперименты и расчеты, которые были направлены на определение и, впоследствии, уточнение значения скорости света. В результате исследований, проведенных с лазерными источниками в 60-х и 70-х годах, стало ясно, что существующими методами нельзя уточнить полученное значение скорости света. В международной практике регистрации результатов научных исследований было принято уникальное решение, которое обсуждалось в острейших дискуссиях, и было принято на 17 генеральной конференции по мерам и весам в 1983 году. В результате этого решения появилась возможность на базе лазеров, у которых частота излучения  и длина волны излучения в вакууме  связаны простым соотношением

,

создавать стандарты частоты и длины волны.

Оптические стандарты частоты (ОСЧ) это устройства, которые обеспечивают генерацию оптического излучения в видимом диапазоне и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, главная особенность которого заключается в частотных характеристиках, т.е. стабильности и воспроизводимости частоты излучения. В настоящее время можно довольно четко сформулировать, что основные частотные характеристики созданных и разрабатываемых ОСЧ определяются их основными составляющими, а именно, активной средой выбранного лазера, оптическим частотным репером и электронной системой, обеспечивающей активную стабилизацию частоты излучения. В зависимости от выбираемых лазеров и оптических реперов, ОСЧ обладают различными частотными характеристиками, почему можно их условно разделить на три группы. К первой группе относятся He-Ne лазеры, частота которых стабилизируется по йоду и метану. Вторая группа включает в себя твердотельные лазеры, частота второй гармоники, излучения которых стабилизируется по йоду. И третья группа объединяет ОСЧ на основе полупроводниковых лазеров, частота которых стабилизируется по линиям поглощения охлажденных атомов, ионов и ядерных переходов. ОСЧ каждой из этих групп имеют различную область применения. Широкое применение нашли ОСЧ на базе He-Ne лазеров. По этой причине в первую часть настоящей монографии включены ОСЧ на основе He-Ne лазеров.

Если рассматривать применение оптических стандартов частоты в науке и технике, то окажется, что во многих случаях их использование затруднено или просто нереализуемо по одной причине – отсутствии информации о возможности их практического применения, их технических параметрах, условиях их контроля и многих других  условий обеспечивающих параметров  направленности

Процессы поиска условий генерации, оптимизации параметров лазеров и  методов управления ими хорошо изучены. Постоянно ведутся работы, направленные на достижение все более высокой стабильности и воспроизводимости частоты излучения.

Частота (длина волны) излучения лазера определяется двумя физическими параметрами шириной линии усиления лазера и длиной его резонатора. Вне зависимости от возмущений частотой лазеров можно управлять с помощью коррекции длины резонатора. Лазеры, как источники высокомонохроматического излучения открыли принципиально новые возможности для оптической спектроскопии. С их помощью удалось получить и исследовать узкие резонансы нелинейного поглощения. Основная область применения этих резонансов – стабилизация частоты излучения лазеров.

Основным регистрируемым физическим эффектом, используемым при стабилизации частоты лазера, является зависимость мощности излучения от частоты.

Для создания лазера с высокой стабильностью частоты необходимо иметь атомный или молекулярный репер в оптическом диапазоне, удовлетворяющий следующим условиям:

-частота репера должна быть стабильной и воспроизводимой;

-относительная ширина резонансной кривой должна позволять осуществлять активную автоподстройку частоты излучения лазера;

-начальные и конечные уровни квантовых переходов слабо возмущаются внешними полями и столкновениями частиц между собой.

Чтобы исключить влияние допплеровского уширения спектральных линий поглощения был использован метод насыщения поглощения газа низкого давления.

При исследовании особенностей метрологических характеристик He-Ne/127I2 лазеров, как рабочих эталонов единиц длины, были изучены физические и технические особенности этих лазеров, обеспечивающие требуемую стабильность и воспроизводимость частоты излучения. Ниже представлена теоретическая модель описания функциональной зависимости частоты излучения от контролируемых параметров лазера.

В общем случае, зависимость значения частоты , стабилизированной по пикам насыщенного поглощения в йоде, излучения He-Ne/127I2 лазеров от трех контролируемых параметров описывается некоторой нелинейной функцией [182] т.е.:

=.                                                       (4.1)

Здесь:  - внутрирезонаторная мощность лазера;

- температура йода, в охлаждаемом штенгеле йодной ячейки;

- амплитуда девиации оптической частоты.

Консультативным Комитетом по Длине с целью обеспечения единства измерения длины волны излучения He-Ne/127I2 лазеров предложены численные значения трех, контролируемых физических параметров, лазеров и систем стабилизации частоты, при которых  измерены абсолютные значения частот стабилизированных по пикам насыщенного поглощения в йоде, а именно, нормальные значения контролируемых параметров равны:

.                             (4.2)

Метрологические исследования воспроизводимости частоты He-Ne/127I2 лазеров обычно направлены на установление значения частоты излучения при реальных значениях контролируемых параметров и ее связи со значением частоты при нормальных значениях контролируемых параметров.

Это значит, что абсолютное значение частоты излучения , при значениях контролируемых параметров близких к нормальным значениям, может быть описано в линейном приближении разложения (4.1):

,       (4.3)

здесь: - абсолютное значение частоты излучения при нормальных условиях;

, , и  - коэффициенты разложения, которые можно определить только экспериментальным путем;

- текущие значения контролируемых параметров.

В экспериментах используется не внутрирезонаторная мощность, а выходная, при этом учитывается измеренное значение коэффициента пропусканиявыходного зеркала Rt, с помощью которого внутрирезонаторная мощность вычисляется Р = Рвых Rt.

Уравнение (4.3) предложено рассматривать как основное уравнение стабилизированного по частоте He-Ne/127I2 лазера, которое описывает  зависимость стабилизированной частоты излучения от значений контролируемых параметров.

Основным и практически единственным способом контроля изменений оптической частоты излучения  является гетеродинное измерение разности частот между двумя лазерами. Для корректного учета влияния контролируемых параметров на воспроизводимость частоты излучения и, следовательно, на разностную частоту сигнала биений между оптическими частотами двух лазеров используется простая и физически ясная теоретическая модель описания разностной частоты.

Если реальные значения контролируемых параметров находятся вблизи нормальных значений, то разность  между оптическими частотами  и  двух лазеров с учетом линейного разложения (4.3) вблизи нормальных условий описывается следующим образом [182]:

     ,        (4.4)

здесь =- измеренное значение разностной частоты между частотами двух лазеров;

 - реальные значения контролируемых параметров у первого и второго лазеров;

Знание первых производных частоты по контролируемым параметрам позволяет корректировать абсолютную частоту излучения на величину отклонения контролируемого параметра от нормального значения. И, следовательно, определять разностную частоту, привязанную к абсолютным значениям частот лазеров.

В этой связи, первым и обязательным этапом исследований метрологических характеристик лазеров  является экспериментальное определение производных , , , с помощью которых можно было привязаться к нормальным условиям работы лазера и оценить устойчивость работы лазера.

В общем случае, порядок этих исследований заключался в следующем. Параметры одного из лазеров устанавливаются с нормальными значениями, а контролируемые параметры второго лазера принудительно изменяются вблизи нормальных значений. По результатам измерений частоты биений в зависимости от величины изменяемого параметра рассчитываются коэффициенты сдвига частоты излучения, обусловленные влиянием одного контролируемого параметра лазера:

мощностной сдвиг -=;

модуляционный сдвиг -=;

температурный сдвиг - =.

Таким образом, по эмпирически установленным значениям коэффициентов сдвигов определялись величины сдвига частоты излучения лазера при зарегистрированном отклонении контролируемого параметра от номинального значения.

В Разделе 5 будут приведены  результаты экспериментальных исследований сдвигов частот, обусловленных вариациями контролируемых параметров у лазеров, вошедших в состав КЛИ.

Если коэффициенты сдвига , ,  являются детерминированными величинами, то разность между текущими значениями контролируемых параметров  и нормальными значениями носит случайный характер. Погрешность установки и измерения значений контролируемых параметров при реальной работе лазеров определяет основные неисключенные систематические погрешности воспроизведения частоты (длины волны) ,  и , которые представляют собой границы неисключенных систематических погрешностей:

=(-), =(-) , =(-).            (4.5)

Доверительные границы неисключенной систематической погрешности  установления величины сдвига стабилизированной частоты определятся как

=1,1.                                                        (4.6)

В общем случае, коррекция измеренной разностной частоты между лазерами по результатам измерения значений величин контролируемых параметров является обязательным этапом метрологических исследований. Корректировка дает возможность привязаться к абсолютному значению частоты, принятому при номинальных условиях Рекомендаций [130]. Однако, следуя (4.4), необходимо  предварительно определить значение разностной частоты .

He-Ne/127I2 лазеры имеют резонатор только с внешними зеркалами (Рис. 4.3). Поэтому стабильность взаимного расположения всех элементов в резонаторе лазера определяют стабильность оптической мощности  и спектральный состав излучения в процессе работы лазера. В Разделе 2 были приведены результаты построения квазиоптической модели заполненного открытого оптического резонатора, в котором реализуется одномодовый режим излучения и стабильности контура мощности излучения.  Применение разработанного метода расчета конструктивных особенностей резонатора, было основой создания стабильного по мощности излучения одномодового и одночастотного лазера. Конфигурация резонатора, определяемая длиной резонатора и радиусами кривизны зеркал, ограничивала возможность генерации поперечной моды.  

Механическая основа резонатора лазера - фрезерованная инваровая труба. Оптический резонатор сформирован диэлектрическими зеркалами с радиусами кривизны R1 = 1000 мм и R2 = 2000 мм и коэффициентами отражения = 0,93 и 0,98, соответственно. Зеркала лазера закреплены на пьезокерамике ПП4 и расположены в плавающих обоймах на торцах. С целью повышения стабильности оптической длины резонатора его длина в результате исследований была установлена 240 мм. Эта длина была определена условием контрастности пиков  насыщенного поглощения в йоде при заданных размерах активного элемента и йодной ячейки, которые обеспечивали требуемый коэффициент усиления и  насыщения поглощающей среды.

Внутри резонатора, строго по его оси, жестко закреплены активный элемент (Рис. 4.3), представляющий собой газоразрядную трубку с холодным катодом, наполненную смесью He-Ne в соотношении 7:1 (при общем давлении 2,77 мм.рт.ст),  длиной  175 мм с диаметром капилляра 1,3 мм (Рис. 4.4)

Рис. 4.3

Конструкция лазера

Рис. 4.4

Конструкция активного элемента лазера (слева) и ячейки с йодом

и поглощающую ячейку длиной 75 мм с внутренним диаметром 8 мм (Рис. 4.4), наполненную изотопом молекулярного йода 127I2. Активный элемент и поглощающая ячейка изготовлены из стекла С52-1, а окна Брюстера - из стекла ЛК4. Технология герметизации окон Брюстера основана на использовании ситаллоцемента, что позволило значительно увеличить время жизни активных элементов и йодных ячеек. Для предотвращения загрязнений окон Брюстера трубки и ячейки предусмотрена изоляция воздушных промежутков между зеркалами резонатора и окнами трубки и ячейки.

Для управления давлением насыщающих паров йода в ячейке и, следовательно, концентрацией йода во всем внутреннем объеме штенгель ячейки поддерживается при определенной температуре (15 градусов).

Этап развития современного приборостроения и измерительной техники начался с подписания в 1875 г. Метрической конвенции семнадцатью ведущими промышленными странами Европы. Подписание конвенции и другие мероприятия, реализовавшие основные идеи конвенции1, стали переломным моментом в метрологии, поскольку переводили ее на путь единства измерений между странами через использование физических законов и свойств материалов для создания эталонов основных единиц физических величин: длины – метра и массы – килограмма. Таким образом, "архивный метр и килограмм" Французской Республики 1795 г. были технически реализованы с учетом всех научных и технологических достижений середины 19 века и приобрели международный статус. Созданное Международное Бюро Мер и Весов (МБМВ) назначено было хранить эти международные эталоны, проводить научные исследования и организовывать международные сличения.

Перед МБМВ были поставлены задачи обеспечения единства измерений на международном уровне, из них основными задачами этого периода были, как отмечено ранее, хранение эталонов и сличения с эталонами национальных метрологических организаций стран–членов Метрической конвенции. По результатам сличений эталонов, хранящихся в Национальных метрологических институтах, МБМВ подготавливало выводы о качестве хранения эталонами размера физической величины.

Безусловно, в историческом плане было большим достижением, как сейчас говорят, научно обосновать, разработать, и изготовить эталоны основных физических величин в виде материальных мер, свойства которых остаются стабильными в течение многих десятилетий. Первые эталоны, которые были изготовлены в 1875 г., существует до сих пор, и используются в тех странах, которым эти эталоны были переданы на хранение.

В процессе развития и создания новых эталонов физических величин, как для реализации системы СИ, так и для реализации внесистемных величин вопрос о воспроизводимости единицы физической величины ставился всегда самым основным. Созданные в период с 1993 г. по 1997 г. консультативные комитеты по видам измерений в своей работе основной упор сделали на развитие физической базы эталонов физических величин, обеспечивающих требуемый уровень воспроизведения физической величины.

Следует отметить, что, пересмотр действующих определений единиц основных физических величин происходит в тот период развития науки, когда выявлены и изучены новые физические эффекты, способные обеспечить техническую реализацию воспроизводимости единицы физической величины с более высокой точностью. Примером тому может быть развитие физической базы эталона единицы длины. Для обеспечения воспроизводимости его предложили реализовать с использованием свойств и характеристик электромагнитного поля. Так, эталон длины был пересмотрен первый раз, с момента его утверждения, в 1960 г., когда определение метра было дано через длину волны оранжевой линии криптона 86. Но в 1983 г. определение метра было уже пересмотрено вторично и введено было новое определение, базирующееся на принципиально новом физическом постулате – неизменности скорости света2. Поэтому воспроизводить размер длины – метр в соответствии с новым определением [2] нужно с использованием свойств и характеристик электромагнитного поля и пространства.

Переход от эталонов мер длины в виде материальных объектов (концевые и штриховые меры), которые до сих пор обеспечивают точность, необходимую в большинстве случаев на практике, на меры длины, реализованные с помощью электромагнитного излучения, был осуществлен с целью решения задачи воспроизведения физической величины на значительно более высоком уровне. Условия хранения и условия передачи размера материальной меры существенно зависят от внешних условий, сохранить неизменными, в течение сотен и даже десятков лет, исключительно сложно. К тому же процессы старения самой материальной меры также сложно прогнозировать, предотвращать и управлять.

Иначе дело обстоит с законами квантовой и атомной физики. Действие этих законов не зависит от условий макромира и стабильность их воспроизведения исчисляется временем существования самой Вселенной. В частности энергетические уровни атомов E1 и E2 и соответственно частота электромагнитного излучения,

испускаемого при переходе атома из одного энергетического состояния в другое, представляют собой исключительно стабильные величины и процессы.

Однако влияние условий макромира сказывается и на эффектах, проявляющихся в условиях микромира. Так, при регистрации процесса перехода атома из одного энергетического состояния в другое и сопутствующее ему излучение фотона, следует учитывать, что наблюдаемое излучение испускает не один атом, а ансамбль, который находится в состоянии теплового равновесия при определенной температуре. Поэтому необходимо учитывать, что разброс тепловых скоростей атомов приводит к уширению наблюдаемой линии излучения, т.е. к ухудшению стабильности частоты излучения. Стандартизация внешних условий, при которых должна находиться активная среда, позволяет реализовать условия, при которых наблюдается оптическое излучение с достаточно узкой линией излучения. В этом случае длина волны (частота) будет воспроизводиться с требуемой точностью.

По этой причине использование длины волны излучения дает возможность воспроизводить единицу длины с точностью, обусловленной точностью воспроизведения квантового эффекта при учете нормированного воздействия внешней среды. На этом и построена новая концепция (подход) создания эталонов физических величин, воспроизводимость которых обеспечивается квантовыми эффектами или квантовыми процессами.

Вернемся к современному определению эталона длины. Самый общий и основной метод реализации метра: метр – это расстояние, которое проходит плоская электромагнитная волна в вакууме за время 1/с, (с – скорость света в вакууме) [2]. При этом никаких ограничений на частоту и, соответственно, длину волны не накладывается. Поскольку пространство, в котором мы обитаем, однородно и изотропно, то этот процесс везде, где бы его ни осуществляли, будет давать одни и те же результаты.

Подход к формированию эталона длины, когда материальный объект заменяется физическим процессом, и материализация меры осуществляется не в процессе изготовления, а каждый раз, когда эталон переводится в активное состояние и когда реализуется физический процесс (был впервые применен в 1960 г.). Современное определение и один из основных методов реализации построен на использовании константы  и в явном виде здесь нет квантового эффекта, поскольку реализация определения через временные интервалы на практике очень сложна и до сих пор не реализована3.

Но уже второй метод реализации метра направлен на то, что можно метр реализовать, используя длину волны плоской электромагнитной волны [3]. По этой причине национальными эталонами длины в большинстве стран стали лазерные источники. Стабилизированные лазеры воспроизводят значение излучаемой длины волны при выполнении общих и специальных, но обязательных требований по техническим параметрам. Поскольку частоту лазера можно измерить или сравнить с другой частотой другого лазера и тем самым также установить ее абсолютное значение, то это означает, что с такой же точностью можно вычислить значение длины волны, поскольку .

Почти тридцать лет проводились международные сличения He-Ne/127I2 лазеров, которые позволили выбрать их и сделать основными из рекомендованных МБМВ лазерами, используемыми в качестве эталонов единицы длины в большинстве развитых стран. Результаты этих сличений привели к тому, что установлены все параметры этих лазеров, влияющие на стабильность и воспроизводимость оптической частоты этих лазеров. По последним принципиально признанным данным по сличениям установлена стандартная номинальная неопределенность длины волны (частоты) излучения 2,5·10-11. С точки зрения практической необходимости воспроизводимость частоты этих лазеров со стабилизацией частоты вполне устраивают требования к точности воспроизведения меры длины – метра.

Конечно, воспроизводимость частоты (длины волны) важная характеристика, но для линейных измерений необходимо знать абсолютное значение длины волны излучения (абсолютную частоту оптического излучения). Для измерения абсолютных оптических частот создавались радиочастотные мосты и с их помощью до настоящего времени измеряли частоту лазеров в оптическом диапазоне. Современная техника для измерения оптических частот основана на комб технологии с использованием фемтосекундных лазеров [4], что также является использованием квантовых эффектов. Следует отметить, что развитие комб технологии только началось, поэтому стоимость экспериментального оборудования очень высока. Из-за этого работы с фемтосекундными лазерами не стали еще широкомасштабными. Чтобы измерения, с использованием этой техники, стали широко доступными, необходимо провести большой цикл исследовательских работ с метрологическим уклоном. Такой цикл работ, провело МБМВ с He-Ne/I2 лазерами. МБМВ разработало новую программу по подготовке и проведению сличений оптической частоты, оценке качества комб технологии и обеспечения службы измерения частоты на 633 нм для стандартов малых национальных метрологических институтов.

1 - Были разработаны и изготовлены эталоны копии метра и килограмма и розданы странам-участницам.


Было организовано Международное Бюро Мер и Весов.


Был создан Международный комитет мер и весов в составе ведущих ученых стран-участниц Метрической конвенции.

2 В 1975 г. на ХV Генеральной конференции по мерам и весам в Резолюции 2 было рекомендовано сохранить неизменным скорость света. С момента признания скорости света константой появилась возможность длину волны оптического излучения определять через скорость света и частоту оптического излучения, точность измерения которой превышает точность измерения всех остальных физических величин.

3  Следует отметить, что реализация основного определения метра принципиально и технически возможна [4], если использовать такую характеристику оптического излучения, как поляризация.

Здесь:

ЕХZ – отклонение линии по оси Х;

 EYZ – отклонение линии по оси Y;

 EZZ – отклонение позиционирования;

 EAZ – скачок;

 EBZ – сход с направления;

ECZ – вращение вдоль оси Z

Особенно важным вопросом при контроле машин является исследование прямолинейного перемещения каретки машины вдоль оси движения. Ошибки прямолинейного перемещения каретки машины можно охарактеризовать шестью параметрами отклонения: одно отклонение положения в направлении движения, два наклонения линейной траектории точки движущейся каретки, три отклонения угловых движущейся каретки. Все шесть параметров имеют одинаковое значение, так как ошибки позиционные, возникающие из нежелательных угловых перемещений или поступательных движений, могут быть больше чем ошибки позиционные на линейных осях. Отметим, что лазерный интерферометр используют для измерения пяти из шести вышеуказанных параметров: линейность или прямолинейность горизонтальная, прямолинейность вертикальная, прыжки и сходы с курса, а также перпендикулярность между двумя осями.

3. Лазерный интерферометр LSP-30-Compact

Лазерный интерферометр с различным типом оптического исполнения является измерительным прибором наилучшего класса, пригодным для контроля геометрических параметров станков.

Как првило комплексный контроль машин с числовым программным управлением должен состоять из следующих измерений: измерение точности позиционирования перемещаемого элемента вдоль каждой оси движения, определение скачков и схождения с курса для каждой оси, определение горизонтальной и вертикальной прямолинейности для каждой оси, контроль прямого угла между осями 2.

4.1. ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЕ

Определение линейного позиционирования выполняется по схеме, представленной на рис.6. Для измерения используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, система компенсации, компъютер с программой расчета позиционирования по ISO/DIS-230, оптика для линейных измерений.

Рис.6

При использовании лазерного интерферометра для проверки позиционирования машин можно ориентироваться на следующие параметры:

- диапазон измерения  -  030 м;

- цена деления  -  0,1 или 0,01 мкм;

- погрешность измерения  -  1,5 мкм/м.

Процесс определения позиции можно разделить на следующие этапы:

- составление измерительной схемы; установка и юстировка лазерной головки на неподвижном основании, установка ретрорефлектометра на подвижном столе машины;

- юстировка оптики на всем пути перемещения ретрорефлектометра;

- программирование порядка остановок машины, машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- цикл измерений включает в себя измерения как в прямом направлении движения подвижного элемента, так и в обратном направлении. В кажой точке остановки измеряется разность между фактическим значением и рассчетным значением координаты. Проводится не менее пяти циклов измерений, после чего осуществляется обработка полученных результатов;

- окончательный результат включает в себя такие параметры машины как воспроизводимость – Rpmax, люфт - Nmax и точность системы управления - Mar.

С одной установки лазерной головки, изменяя положение линейного интерферометра и ретрорефлектора, можно получить линейное позиционирование для трёх осей машины XYZ.

4.2 ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ

Определение горизонтальной прямолинейности выполняется по измерительной схеме, представленной на рис.7. Для измерений используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, компенсационная установка, компъютер РС с программой измерения прямолинейности, оптика для угловых измерений.

Рис.7

При использовании лазерного интерферометра можно получить следующие параметры прямолинейности:

- диапазон измерения  -  012 м;

- цена деления              -  0,3 мкм;

- точность измерений  -  3%.

Процесс измерения горизонтальной прямолинейности можно разделить на этапы:

- составление схемы измерения; установка и юстировка лазерной головки, установка вертикального углового интерферометра в неподвижной опоре станка, установка опоры ретрорефлектора углового на подвижном столе станка;

- проверка юстировки угловой оптики на всем пути перемещения ретрорефлектора;

- программирование управления машиной по положениям точек для измерения вдоль всего пути перемещения. Машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- выполнение циклов измерения; для каждого пункта измерения на основании выполненных с помощью лазерной системы измерений угловых отклонений получается отклонение от прямолинейности в мкм;

- получение графика отклонения от прямолинейности вдоль всего пути перемещения.

Измерение вертикальной прямолинейности выполняется по той же самой схеме измерения, необходимо сменить на 90о положение углового интерферометра и углового ретрорефлектора.

4.3. ПРЯМОУГОЛЬНОСТЬ МЕЖДУ ДВУМЯ ОСЯМИ

Измерение прямоугольности между осями X и Z машины выполняется по схеме, представленной на рис.8. Для измерений используется лазерная система в конфигурации: лазерная головка, компенсационная установка, компъютер РС с программой измерения прямоугольности, оптика для измерения прямоугольности.

При использовании лазерного интерферометра можно получить следующие измерительные параметры прямоугольности:

- диапазон измерения  -  03 м;

- точность измерения  -  1 арксек.

Процесс измерения прямоугольности между осями можно разделить на этапы:

- составление схемы измерения; установка и юстировка лазерной головки, установка призмы Волластона вместе ретрорефлектором в подвижные опоры машины (по оси Z), установка зеркал и эталона прямого угла отражателя на неподвижном столе машины (ось X);

- юстирование оптической схемы на всем пути перемещения призмы Волластона;

- программирование схемы управления машиной; вписание положения пунктов измерения вдоль всего пути перемещения ручек, машина должна останавливаться в точках измерения на 1 с;

- выполнение измерений отклонений от прямоугольности для всех пунктов измерения вдоль оси перемещения рукояток оси Z машины;

  •  получение графиков отклонения от прямоугольности между осями Х и Z вдоль всего пути перемещения.

Р

ис.8


EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

12. DITEST-SO-N-SERIES — Multiple Channel Extension Module for Fiber Optic Distributed Monitoring // http://www.omnisens.ch/docs/1204645367_DT-SO-N-ENG-01.pdf

13. Aldo Minardo. Fiber-optic distributed strain/temperature sensors based on stimulated Brillouin scattering / http://www.dii.unina2.it/opto/publications/PhD_Thesis_Minardo.pdf

14. Anthony W. Brown, Bruce G. Colpitts, Kellie Brown. Dark-Pulse Brillouin Optical Time-Domain Sensor With 20-mm Spatial Resolution / Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No. 1, January 2007

15. Jasenek J. Optical Time-Domain Reflectometry (OTDR) — conventional approach // The theory and application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No. 10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE http://www.eaeeie.org/theiere_bratislava/3.html

16. Kwang Yong Song, Kazuo Hotate. Distributed fiber strain sensor with 1-khz sampling rate based on brillouin optical correlation domain analysis / IEEE photonics technology letters, vol. 19, No. 23, December 1, 2007

17. He Zuyuan, Takahashi Hiroshi, Hotate Kazuo. Optical Coherence Domain Reflectometry Using Optical Frequency Comb / Technical report of IEICE. OFT 09135685 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 20090521 109 59 55-60 http://ci.nii.ac.jp/naid/110007160725/ en/

Н.Ю. Ситнов,
Н.И. Горлов

Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

 http://infosfera.sfo.ru/articles.php?cat_id=25&id=586

Изменение спектральной характеристики

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Доступ через катетер

Отражательного типа

Интенсивность СВЧ-излучения

Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Неразрушающий контроль

Антенного типа

Параметры высоковольтных импульсов

Излучение световода

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Длительность фронта до 10 нс

Антенного типа

Температура

Инфракрасное излучение

Интенсивность пропускаемого света

Инфракрасное

250...1200° С (точность ±1%)

Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента

Кольцевой интерферометр

Скорость вращения

Эффект Саньяка

Фаза световой волны

Одномодовое

>0,02 °/ч

Кольцевой интерферометр

Сила электрического тока

Эффект Фарадея

Фаза световой волны

Одномодовое

Волокно с сохранением поляризации

Интерферометр Маха-Цендера

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

Одномодовое

1...100 рад×атм/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10-9 А/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10 мкА

Интерферометр Маха-Цендера

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Фаза световой волны

Одномодовое

1000 рад/g

Интерферометр Фабри-Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Интерферометр Фабри-Перо

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Высокая чувствительность

Интерферометр Фабри-Перо

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Интенсивность пропускаемого света

Одномодовое

Высокая разрешающая способность

Интерферометр Майкельсона

Пульс, скорость потока крови

Эффект Доплера

Частота биений

Одномодовое, многомодовое

10-4...108 м/с

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Неинтерферометрическая

Гидроакустическое давление

Потери на микроизгибах волокна

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Чувствительность 100 мПа

Неинтерферометрическая

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Угол поляризации

Одномодовое

Необходимо учитывать ортогональные моды

Неинтерферометрическая

Скорость потока

Колебания волокна

Соотношение интенсивности между двумя модами

Одномодовое, многомодовое

>0,3 м/с

Неинтерферометрическая

Доза радиоактивного излучения

Формирование центра окрашивания

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

0,01...1,00 Мрад

Последовательного и параллельного типа

Распределение температуры и деформации

Обратное рассеяние Релея

Интенсивность обратного рассеяния Релея

Многомодовое

Разрешающая способность 1 м

Условия реализации волоконных датчиков связаны с наличием оптической комплектации:

- оптическое волокно в различных спектральных диапазонах. Волокно с сохранением поляризации излучения;

- источники оптического (в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне) излучения в диапазоне от 0,6 мкм до 2 мкм. Светодиоды и лазеры. Управление спектром излучения. DFB и DBR лазеры. Возможность модуляции. Ширина спектра излучения. Многомодовое излучение и перескоки с моды на моду. Расходимость излучения и согласование пучков излучения с многомодовым и одномодовым волокном. Система стыковки полупроводникового лазера с оптическим волокном. Температурные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров. Надежность используемых излучателей. 100 000 часов непрерывной работы (более 10 лет). Оптическая изоляция лазерных источников излучения;

- приемники оптического излучения. Малогабаритность, малое энергопотребление. Высокая чувствительность. Время реакции. Pin фотодиоды, ЛФД фотодиоды. Методы обнаружения светового сигнала.

- стержневые линзы (граданы). Согласование с волокном;

- прямоугольные призмы, уголковая призма, поляризационный расщепитель, призма-поляризатор (Глан-Томпсон, Рошон);

- фазовая пластинка (лямбда/2 лямбда/4);

- оптические изоляторы 50 дБ и более, в коротковолновом (0,8 мкм длинноволновом 1,3 мкм и 1.5 мкм), парамагнитное стекло с добавками (Тербия Tr3+).

- Соединительные и разделительные фильтры (Многослойники, дифракционные решетки);

- модуляторы интенсивности (на основе электрооптического эффекта, ниобат лития, обладающий электрооптическими свойствами, которые зависят от температуры, (которая мешает)), (акустооптические модуляторы интенсивности);

- сдвиг оптической частоты (устройство на основе ультразвукового модулятора, перпендикулярное падение дифракция Рамана – Ната, дифракция Брега);

Волокно в качестве линии передачи

- изменение интенсивности от коэффициента отражения или прохождения (спектр поглощения полупроводников – датчик температуры, эффект пьезопоглощения –датчик давления, изменение спектра поглощения – газовый датчик)

Кроме поглощения Бугера - Ламберта в такой системе регистрируются вещества по отдельным линиям поглощения

Почему в естественных условиях не применяются широкополосные источники излучения? Линии поглощения от различных газов и веществ могут располагаться очень близко друг к другу, или просто перекрываться своими крыльями. В этом случае идентификация отдельных веществ или газов по линиям поглощения может быть затруднена.

Датчик паров воды один из самых востребованных, конкуренция громадная, но и спрос большой (два примера: кирпичный завод и самолетные датчики).

- люминесценция (термолюминесценция – датчик температуры), электролюминесценция (датчик электрического напряжения),

радиоактивная люминесценция (радиоактивный датчик);

- модуляция поляризованного излучения (эффект Фарадея – датчик электрического тока, магнитного поля),

Угол фарадеевского вращения  при напряженности магнитного поля и длине светового пути в веществе  определяется по формуле

Здесь  постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

В используемой системе анализатор обеспечивает зависимость интенсивности от угла поворота, что обеспечивает количественную оценку величины магнитного поля. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то регистрируемая световая мощность определяется по формуле

За какими параметрами надо следить! Стабильность интенсивности излучения и поляризации исходного излучения.

(эффект Поккельса – датчики электрического поля),

При распространении света по выбранному направлению происходит разделение на две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для каждой моды изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

(эффект фотоупругости – датчики давления, колебаний).

Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Это значит входной линейно поляризованный на выходе имеет круговую поляризацию. Следовательно световая мощность измеряемая с помощью светового детектора определяется по формуле

Где  измеряемое давление , так называемое полуволновое давление

Параметр С - постоянная фотоупругости и определяется через коэффициенты преломления, оптическую деформацию и упругость.

- модуляция частоты (эффект Доплера –датчики скорости, вибрации). Используя доплеровский частотный сдвиг можно создать датчик микроскорости.

Волокно в качестве чувствительного элемента

(работа для сельского хозяйства)

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния, так называемого антистоксова диапазона, зависит от температуры, в то время как, стоксова компонента от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света. Бриллюэновские линии, которые более интенсивны, чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг. Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Самым известным методом основанным на эффекте обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry или оптическая рефлектометрия во временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания.   Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях. Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра. К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Датчики на основе интерференции

Волоконно-оптические интерферометры:

Кольцевой

Кольцевой Фабри-Перо

Маха – Цендера

Майкельсона

Автомобиль, как грузовой, так и легковой представляем в качестве самодиагностируемой системы, в которой все параметры должны контролироваться перманентно.

Требуется контроль:

- уровня масла

- Уровень бензина

- напряжение на аккамуляторе

- ток разряда акамулятора через стартер

- наличие СО в выхлопных газах

- индикаторы закрытия дверей