DE2014781B2 - Anordnung zum bestimmen von brechungsindizes in der atom sphaere - Google Patents

Description

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gel Dl zu einem gemeinsamen Strahl zusammen- frequenz I₁-J* erzeugt. Diese Differenzfrequenz gefaßt, der auf einen zweiten dichroitischen Spiegel kann über einen Schalter SW an einen dritten Ein- Ol gerichtet wird, durch den die Komponente der gang des Nullinstrumentes N angelegt werden.
Wellenlänge A, hindurchgeht, während die Kompo- Während der Messung von Brechungsindizes ist nente mit der Wellenlänge/., zu einer einstellbaren 5 der SchalterSW offen. Die Lichtkomponenten ώ.τ Verzögerungseinrichtung DP" umgelenkt wird, die Wellenlängen A₁ und A₂ werden durch den Moduaus einem ersten Prisma P1 und einem zweiten lator M1 mit der Modulationsfrequenz Z₁ moduliert. Prisma P 2 besteht, und sich nach Durchlaufen der Vor Beginn der Messung befindet sich das Prisma Verzögerungseinrichtung DP wieder mit der ersten P2 in einer solchen Stellung gegenüber dem Komponente der Wellenlänge/, vereinigt. Zwischen io PrismaPl, daß die beiden Lichtkomponenten in die beiden dichroitischen Spiegel Dl und D 2 sind Phasenquadratur sind, wenn sie bei überbrückten! ein Polarisator PO, ein erster optischer Modulator Meßweg an das Nullinstrument /V gelangen. Dieser Ml, der ein bekannter Modulator nach Art einer Zustand Hißt sich auch so ausdrücken, daß man Kerr-Zelle oder eines Modulators nach Pockels sagt, daß sich das Prisma P2 in der der Länge Null sein kann, und ein erster Analysator A/Vl eingefügt. 15 für den Meßweg entsprechenden Stellung befindet. Dem Modulator Ml wird ein Modulationssignal der Die Überbrückung des Meßweges läßt sich mit beFrequenz Z₁ zugeführt, das von einem Generator G1 kannten Mitteln, wie et· τ. einem innerhalb der geliefert wird. In dem aus dem Analysator ANl Anordnung vorgesehenen mneren Lichtweg erzeuaustretenden Lichtstrahl ist daher beiden Kompo- gen, dessen Länge dem Ausdruck c/4Z_t genügt, in nenten der Wellenlänge A₁ und A₂ ein? Modulations- 20 dem c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet,
frequenz Z₁ aufgeprägt. " Während der Messung wird der Lichtstrahl über

Der Lichtstrahl durchläuft anschließend einen f'en äußeren Meßweg von bekannter Länge geführt

Meßweg von vorgegebener Länge, für den in dem und an dessen entferntem Ende reflektiert. Die

dargestellten Ausführungsbeispiel ein zweimaliges modulierten Komponenten werden beide dem zweiten

Durchlaufen angenommen ist, wobei am entfernten 25 optischen Modulator M1 zugeführt, weisen aber nun

Ende des Meßweges ein Reflektor angeordnet ist. wegen des Unterschiedes ihrer Ausbreitungs-

Der zurückkehrende Lichtstiahl wird einem zweiten geschwindigkeit auf dem Meßwege Phasenwerte auf,

Modulator M1 zugeführt, auf den ein zweiter Analy- die nicht mehr in Quadratur zueinander stehen,

sator ANl folgt. Dem zweiten ModulatorMl wird sondern davon um einen der Differenz in ihrer

von einem Oszillator G 2 eine zweite Modulations- 30 Fortpflanzungszeit auf dem Meßwege entsprechen-

frequenzZ₂ zugeführt. Als Ergebnis dieser zweiten den Betrag abweichen. In dem Modulator Ml und

Modulation erhält man am Ausgang des Analysators dem Analysator AN2 findet eine zweite Modulation

ANl Licht, dem die beiden Modulationsfrequenzen mit der Frequenz Z₂ statt, und das Ausgangssignal

/, und Z₂ überlagert sind, wobei die zweite Modu- zeigt eine Hüllkurve mit der Differenzfrequenz

lationsfrequenz beiden Lichtkomponenten mit genau 35 J₁-I₂- Diese Frequenzverschiebung ist theoretisch

der glcchen Phase addbrt wird. nicht erforderlich, sie erweist sich jedoch als prak-

Das aus dem Analysator A N1 austretende Licht tisch vorteilhaft, da sie eine Ausführung des Phasendurchläuft ein Prisma PR, das als optischer Fre- Vergleichs bei niedriger Frequenz ermöglicht. Das quenzseparator wirkt und das Licht wieder in die Lichtsignal am Ausgang des zwei'en Modulators M 2 beiden Komponenten der Wellenlänge A₁ und A₂ auf- 40 wird in dem Prisma PR aufgespalten, und seine spaltet. Die beiden Lichtkomponenten durchlaufen beiden Komponenten gehen durch die ihnen zugeanscir.ießend Filter Fl bzw. F2, die sich durch ordneten Filter Fl bzw. F2 zu den Photomultiplieinen hohen Genauigkeitsgrad auszeichnen und jede katoren R 1 bzw. R 2, wo sie in elektrische Ströme ungewünschte Wellenlänge unterdrücken. Diese umgewandelt werden. Die Nichtlinearität der Photogenaue Filterausbildung ist für die erzielbare Meß- 45 multiplikatoren R 1 und R 2 läßt unter anderem die Genauigkeit in dei Praxis von größter Bedeutung, Differenzfrequenz Z₁ — /₂ entstehen. Die Frequenzda ein Durchgang schon nur kleinster Spuren der verschiebung ändert bekanntlich die relative Phasenjeweüs anderen Komponente durch die Filter zu lage der beiden Komponenten nicht, und diese ist einem erheblichen Abfall der Empfindlichkeit de- daher bei deren Anlage an die Verstärker A 1 und A 1 Meßmethode führt. 50 noch die gleiche. Von diesen Verstärkern A 1 und A 2

Nach dem Durchlaufen der Filter Fl bzw. F2 wird angenommen, daß sie eine gleiche Phasengelangen die Lichtkomponenten zu Lichtempfängern verzögerung bewirken. Diese Forderung ist mit in Form von Photomultiplikatoren Rl bzw. Rl, in Rücksicht auf die niedrige FrequenzZ₁ — Z₂ leicht zu denen sie wegen deren Nichtlinearität in elektrische erfüllen. 7wischen den beiden den Eingängen des Signale umgeformt werden, die sowohl die Differenz- 55 Nullinstrumentes N zugeführten Signalen herrscht f-equenz Z₁-Z₂ als auch die SummenfrequenzZ₁+Z₂ ^a'^so immer noch die gleiche Phasendifferenz. Das enthalten. Die Ausgangssignale der Photomultipli- Nullinstrument N zeigt nun wegen der Differenz in katoren R1 und R 2 werden Verstärkern A 1 bzw. A 2 der Phasenverzögerung auf dem Meßwege einen von zugeführt, und die verstärkten Signale werden an Null verschiedenen Wert an. Daher wird das ein Nullinstrument N weitergegeben, das auf die 60 Prisma P2 so eingestellt, daß es diese Differenz Phasendifferenz zwischen den angelegten Differenz- kompensiert und das Nullinstrument N wieder auf frequenzsignalen anspricht. Dabei ist angenommen, die Anzeige des Wertes Null zurückführt. Die dieser daß die ungewünschten Frequenzen eliminiert sind, Verstellung des Prismas P2 entsprechende Verzögewas sich durch übliche Filter oder auf andere Weise rung entspricht ihrerseits der Differenz in der Phasenerreichen läßt. 65 verschiebung der beiden Komponenten auf dem

Die beiden Modulationssignale mit den Frequen- Meßwege, und daher kann das Prisma P 2 mit einer

zen Zi und Z₂ werden außerdem einem Mischer MX Teilung versehen werden, die diese Phasenverschie-

zugeführt, der ein Ausgangssignal mit der Differenz- bung abzulesen gestattet.

Durch Schließen des Schalters SW erhält man die Möglichkeit, die Phase des dem Nullinstrument N von dem Mischer MX zugeführten Signals mit der Frequenz Z₁-Z₂ zu vergleichen. Für diesen Vergleich wird nur die zweite Lichtkomponente benutzt, und die von der Verzögerungseinrichtung DP erzeugte Verzögerung gibt dann die Länge des Meßweges an. Diese Art: der Messung ist an sich bekannt.

Der erste AnalysatorANl ist nicht unbedingt erforderlich. Das Licht könnte auch in Polarisationsmodulation über den Meßweg geführt werden, wie es aus dem ersten Modulator Wl austritt. Jedoch ist es f> für viele Arten von Messungen vorzuziehen, die erste Modulation, also die Polarisationsmodulation, mit Hilfe des ersten Analysators/i/Vl in eine Amplitudenmodulation umzuwandeln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

längen proportional ist. Durch Messung der oben- Patentansprüche: erwähnten Phasendifferenz läßt sich daher, da der Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen ja

1. Anordnung zum Bestimmen von Brechungs- bekannt ist, der Durchschnittswert für den Brechungsindizes in der Atmosphäre mit einem optischen 5 index auf dem von dem Licht durchlaufenen Wege Sender zum Aussenden eines zwei Komponenten ermitteln.

mit unterschiedlicher Wellenlänge enthaltenden Nun ist jedoch der Unterschied in der Ausbrei-Lichtstrahls entlang eines Meßweges von vor- tungsgeschwindigkeit von sichtbarem Licht zweier gegebener Länge und zu bestimmendem Bre- verschiedener Wellenlängen im Vergleich zum Absochungsindex, mit mindestens einem optischen io lutwert der Lichtgeschwindigkeit sehr klein, und Modulator zum Modulieren der beiden Kompo- daher ist es von fundamentaler Bedeutung für die nenten mit einer ersten Modulationsfrequenz I_x erzielbare Meßgenauigkeit, jede Quelle für Phasen- und mit einer Meßeinrichtung zum Messen der fehler auszuschalten. Bei den bisher bekannten Phasendifferenz für die Modulation der beiden Meßanordnungen der obenerwähnten Art werden Komponenten nach Durchlaufen des Meßweges, is am Ende des Meßweges für die Überlagerung der dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- Demodulationsfrequenz für die beiden Lichtkompoeinrichtung (C) einen zweiten optischen Modu- nenten unterschiedlicher Wellenlänge getrennte lator(,W2) zum gemeinsamen Modulieren der Modulatoren verwendet, und daiaus ergeben sich beiden Komponenten nach Durchlaufen des Schwierigkeiten durch die von den Modulatoren Meßweges mit einer zweiten Modulations- 20 unvermeidbar eingeführte und naturgemäß für beide frequenz /._„ einen optischen Frequenzseparator Modulatoren verschiedene Verzögerung. So läßt (PR) zum Trennen der beiden Komponenten beispielsweise bei Verwendung von Photomultiplivoneinander nach Durchgang durch den zweiten katoren, die üblicfte elektrooptische Modulatoren optischen Modulator (M2), zwei dem Frequenz- sind, die Übergangszeit für die Elektronen erheblicht separator (PR) nachgeordnete Empfänger (R 1 25 Phasenverzögerungen entstehen,
und R 2) zum getrennten Empfangen der beiden Der Erfindung Hegt daher die AufgaLe zugrunde, Komponenten und einen mit den Ausgangs- eine Anordnung zum Bestimmen von Brechungssignalen der beiden Empfänger (Rl und Rl) indizes zu schaffen, die von den obenerwähnten gespeisten Phasenkomparator (N, DP) r.ithält. Fehlerquellen frei ist und sich daher aurch eine

2. Anordnung nach Anspru h 1, dadurch ge- 30 erhöhte Meßgenauigkeit gegenüber den bisher bekennzeichnet, daß der Phasenkomparator ein kannten Meßanordnungen auszeichnet.
Nullinstrument (N) zum Anzeigen einer Phasen- Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadifferenz für die Modulation der beiden Komno- durch gelöst, daß die Meßeinrichtung einen zweiten nenten und eine auf dem Wege einer Komponente optischen Modulator zum gemeinsamen Modulieren angeordnete Verzögerungseinrichtung (DP) zum 35 der beiden Komponenten nach Durchlaufen des Verzögern dieser Komponente gegenüber der Meßweges mit einer zweiten Modulaticnsfrequenz f₂, anderen enthält. einen optischen Frequenzseparator zum Trennen

der beiden Komponenten voneinander nach Durchgang durch den zweiten optischen Modulator, zwei 40 dem Frequenzseparator nachgeordnete Empfänger

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum getrennten Empfangen der beiden Komponenten

zum Bestimmen von Brechungsindizes in der Atmo- und einen mit den Ausgangssignalen der beiden

Sphäre mit einem optischen Sender zum Aussenden Empfänger gespeisten Phasenkomparator enthält,

eines zwei Komponenten mit unterschiedlicher Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine

Wellenlänge enthaltenden Lichtstrahls entlang eines 45 wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit durch

Meßweges von vorgegebener Länge und zu be- die Verwendung eines gemeinsamen optischen Modu-

stimmendem Brechungsindex, mit mindestens einem la!ors erreicht, der von den beiden nach Durchlaufen

optischen Modulator zum Modulieren der beiden des Meßweges aufgefangenen Lichtkomponenten

Komponenten mit einer ersten Modulationsfrequenz/, durchquert wird. Dadurch ergibt sich nicht nur die

und mit einer Meßeinrichtung zum Messen der 50 Gewähr für eine Gleichheit der Verzögerung für die

Phasendifferenz für die Modulation der beiden Korn- beiden Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge,

ponenten nach Durchlaufen des Meßweges. sondern darüber hinaus noch der weitere Vorteil,

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt bei daß man nur eine einzige Modulationsfrequenz zu

der Messung der Brechungsindizes der Atmosphäre übertragen braucht, da sich die beiden Komponenten

für die optische Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung. 55 nach dem optischen Demodulationsprozeß mit opti-

Für solche Messungen hat sich eine Meßmethode sehen Mitteln trennen lassen und die Phasenmessung

eingeführt, bei der Licht mit zwei verschiedenen an elektrischen Signalen vorgenommen werden kann,

Wellenlängen einen Weg von vorgegebener und die aus den optisch voneinander getrennten Kornpo-

bekannter Länge durchläuft, wobei ihm am Beginn nenten abgeleitet sind.

dieses Weges eine Modulation aufgeprägt und am ⁶° In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise

Ende des Weges die Phasendifferenz in der Modu- veranschaulicht; deren einzige Figur zeigt eine

lation für die beiden verschiedenen Wellenlängen schematische Übersicht über den gesamten Aufbau

ermittelt wird. Diese Meßmethode beruht auf der einer erfindungsgemäßen Anordnung,

bekannten Erscheinung, daß der Brechungsindex Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung

mit der Wellenlänge variiert, wobei der Unterschied 65 enthält ein Paar Lichtquellen 51 und 52, die Licht-

im Brechungsindex für zwei verschiedene Wellen- strahlen mit einer ersten Wellenlänge ^₁ bzw. einer

längen dem Unterschied in der Ausbreitungs- zweiten Wellenlänge X₂ abgeben. Die beiden Licht-

K«s>".hwindiekeit für Licht dieser beiden Wellen- strahlen werden durch einen dichroitischen Spie-