DE2014781C - Anordnung zum Bestimmen von Brechungs Indizes in der Atmosphäre - Google Patents

Description

gel Dl zu einem gemeinsamen Strahl zusammengefaßt, der auf einen zweiten dichroitischen Spiegel D 2 gerichtet wird, durch den die Komponente der Wellenlänge A₁ hindurchgeht, während die Komponenie mit der Wellenlänge λ, zu einer einstellbaren Verzögerungseinrichtung DP' umgelenkt wird, die aus einem ersten Prisma Pl und einem r reiten Prisma F 2 besteht, und sich nach Durchlaufen der Verzögerungseinrichtung DP wieder mit der ersten Komponente der Wellenlänge A₁ vereinigt. Zwischen die beiden dichroitischen Spiegel D1 und D 2 sind ein Polarisator PO, ein erster optischer Modulator Ml, der ein bekannter Modulator nach Art einer Kerr-Zelle oder eines Modulators nach Pockels sein kann, und ein ersteT Analysator A N1 eingefügt. Dem Modulator Ml wird ein Modulationssignal der Frequenz Z₁ zugeführt, das von einem Generator G geliefert wird. In dem aus dem Aialysaior ANl austrctenden Lichtstrahl ist daher beiden Komponenten der Wellenlänge /., und /.., eine Modulations- ao frequenz Z₁ aufgeprägt.

Der Lichtstrahl durchläuft anschließend einen Meßweg von vorgegebener Länge, für den in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein zweimaliges Durchlaufen angenommen ist, wobei din entfernten Ende des Meßweges ein Reflektor angeordnet ist. Der zurückkehrende Lichtstrahl wird einem zweiten Modulator M2 zugeführt, auf den ein zweiter Analysator ANl folgt. Dem zweiten Modulator Ml wird von einem Oszillator G 2 eine zweite Modulationsfrequenz Z₂ zugeführt. Als Ergebnis dieser· zweiten Modulation erhält man am Ausgang des Analysators ANl Licht, dem die beiden Modulatk nsfrequenzen Z₁ und Z₂ überlagert sind, wobei die zweite Modulationsiiequenz beiden Lichtkomponenten mit ^enau der gleichen Phase addiert wird.

Das aus dem Analysator A N2 austretende Licht durchläuft ein Prisma PR, das als optischer Frequenzseparator wirkt und das Licht wieder in die beiden Komponenten der Wellenlänge A₁ und A„ aufspaltet. Die beiden Lichtkomponenten durchlaufen anschließend Filter Fl bzw. Fl, die sich durch einen hohen Genauigkeitsgrad auszeichnen und jede ungewünschte Wellenlänge unterdrücken. Diese genaue Filterausbildung ist für die erzielbare Meßgenauigkeit in der Praxis von größter Bedeutung, da ein Durchgang schon nur kleinster Spuren der jeweils anderen Komponente durch die Filter zu einem erheblichen Abfall der Empfindlichkeit der Meßmethode führt. 5«

Nach dem Durchlaufen der Filter Fl bzw. F2 gelangen die Lichtkomponenten zu Lichtempfängern in Form von Photomultiplikatoren Ri bzw. Rl, in denen aie wegen deren Nichtlinearität in elektrische Signale umgeformt werden, die sowohl die Differenzfrequenz /_t — /₂ als auch die Summenfrequenz /, 4 /₂ enthalten. Die \usgangssignale der Photomultiplikatoren R1 und R 2 werden Verstärkern A 1 bzw. A 2 zugeführt, uiid die verstärkten Signale werden an ein Nullinstruincnt N weitergegeben, das auf die Phasendifferenz /wischen den angelegten Differenzfrequenzsignalen anspricht. Dabei ist angenommen. daß die u η gcwur.cn te η Frequenzen eliminiert sind, was sich durch übliche Filter oder auf andere Weise errrichcn läßt. f\i

Die beiden Modulationssignale mit den Frequenzen /, und f., werden außerdem einem Mischer MX' zueeführt. der ein Ausgangssignal mit der Differenzfrequenz Z₁-Z₂ erzeugt. Diese Differenzfrequenz kann über einen Schalter SW an einen dritten Eingang des Nullinstrumentes N angelegt werden.

Während der Messung von Brechungsindizes ist der Schalter SW offen. Die Lichtkomponenten der Wellenlängen A₁ und A₂ werden durch den ModulatorMl mit der Modulatiousfrequenz Z₁ moduliert.

Vor Beginn der Messung befindet sich das Prisma PI in einer solchen Stellung gegenüber dem Prisma P1, daß die beiden Lichtkomponenten in Phasenquadratur sind, wenn sie bei überbrückten! Meßweg an das Nullinstrument N gelangen. Dieser Zustand läßt sich auch so ausdrücken, daß man sagt, daß sich das Prisma P 2 in der der Länge Null für den Meßweg entsprechenden Stellung befindet. Die Überbrückung des Meßweges läßt sich mit bekannten Mitteln, wie etv einem innerhalb der Anordnung vorgesehenen inneren Lichtweg erzeugen, dessen Länge dem Ausdruck c4/, genügt, in dem c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet.

Während der Messung wird der Lichtstrahl über c.n äußeren Meßweg von bekannter Länge gefühn und an dessen entferntem Ende reflektiert. Dimodulierten Komponenten werden beide dem zweiten optischen Modulator M 2 zugeführt, weisen aber nun wegen des Unterschiedes ihrer Aj'-breitungsgeschwindigkeit auf dem Meßwege Phasenwerte auf, die nicht mehr in Quadratur zueinander stehen, sondern davon um einen der Differenz in ihrer Fortpflanzungszeit auf dem Meßwege entsprechenden Betrag abweichen. In dem Modulator M1 und dem Analysator AN 2 findet eine zweite Modulation mit der Frequenz Z₂ statt, und das Ausgangssignal zeigt eine Hüllkurve mit dei Differenzfrequenz Zi^-/ Diese Frequenzverschiebung ist theoretisch nicht erforderlich, sie erweist sich jedoch als praktisch vorteilhaft, da sie eine Ausführung des Phasen-Vergleichs bei niedriger Frequenz ermöglicht. Das Lichtsignal am Ausgang des zweiten Modulators M 2 wird in dem Prisma PR aufgespalten, und seine beiden Komponenten gehen durch die ihnen zugeordneten Filter Fl bzw. F2 zu den Photomultiplikatoren R1 bzw. R1, wo sie in elektrische Ströme umgewandelt werden. Die Nichtlinearität der Photomultiplikatoren Rl und Rl läßt unter anderem die Differenzfrequenz Z₁ /₂ entstehen. Die Frequenzverschiebung ändert bekanntlich die relative Phasenlage der beiden Komponenten nicht, und diese ist dah bei deren Anlage an die Verstärker Λ 1 und A 2 noch die gleiche. Von diesen Verstärken A 1 und A 2 wird angenommen, daß sie eine gleiche Phasenverzögerung bewirken Diese Forderung ist mit Rücksich* auf die niedrige FrequenzZ,~Z- leicht zu erfüllen. Zwischen den beiden den Eingängen des Nullinstrumentes N zugeführten Signalen herrscht also immer noch die gleiche Phasendifferenz. Das Nullinstrument N zeigt nun wegen der Differenz in der Phasenverzögerung auf dem Meßwege einen von Null verschiedenen Wert an. Daher wird das Prisma P 2 so eingestellt, daß es diese Differenz kompensiert und das Nullinstrument N wieder auf die Anzeige des Wertes Null zurückführt. Die dieser Verstellung des Prismas V2 entsprechende Verzöge rung entspricht ihrerseits der Differenz inderPhasenverschiebung der beiden Komponenten auf dem Meßwege, und daher kann das Prisma P2 mit einer Teilung versehen werden, die diese Phasenverschicbung 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 Analysator A Nl ist nicht unbedingt erforderlich. Das Licht könnte auch in Polarisationsmodulation über den Meßweg geführt werden, wie es aus dem ersten Modulator Ml austritt. Jedoch ist es für viele Arten von Messungen vorzuziehen, die erste Modulation, also die Polarisationsmodulation, mit Hilfe des ersten Analysator/INI in eine Amplitudenmodulation umzuwandeln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 längen proportional ist. Durch Messung der oben- Patentanspriiche: 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 Lichtgesch »vindigkeit sehr klein, und Modulator zum Modulieren der beiden Kompo- daher ist es von fundamentaler Bedeutung für die nenten mit einer ersten Modulationsfrequenz/, 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 Meßweg?«. 15 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(M2) zum gemeinsamen Modulieren der Modulatoren verwendet, und daraus ergeben sich beiden Komponenten nach Durchlaufen des Schwierigkeiten durch die von den Modulatoren Meßweges mit einer zweiten Modulations- ao unvermeidbar eingeführte und naturgemäß für beide frequenz /₂, 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 übliche elektrooptische Modulatoren optischen Modulator (M2), zwei dem Frequenz- sind, die Übergangszeit für die Elektronen erhebliche separator (PR) nachgeordnete Empfänger (R 1 as Phasenverzögerungen entstehen.
und Rl) zum getrennten Empfangen der beiden Der Erfindung "iegt daher die Aufgabe zugrunde, Komponenten und einen mit den Ausgangs- eine Anordnung zum Bestimmen von ßrechungssignalen der beiden Empfän ix (Rl und Rl) indizes zu schaffen, die von den obenerwähnten gespeisten Phasenkomparrtor (N, DP) enthält. Fehlerquellen frei ist und sich daher durch eine

2. Anordnung nach Anspruch 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 Kompo- 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 Durchlauftn des Verzögen dieser Komponente gegenüber der Meßweges mit einer zweiten Modulationsfrequenz f.,, 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 lators erreicht, der von den beiden nach Durchlaufen

optischen Modulator zum Modulieren der beiden des Meßv.eges aufgefangenen Lichtkomnouentcn

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

und mii einer Meßeinrichtung zum Messen der 5" '"•ewähr 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. 35 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 Kompo-

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 fu* 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 Si und S 2, die Lichtim Brechungsindex für zwei verschiedene Wellen- strahlen mit einer ersten Wellenlänge A₁ bzw. einer längen dem Unterschied in der Ausbreitungs- zweiten Wellenlänge A₂ abgeben. Die beiden Lichtgeschwindigkeit für Licht dieser beiden Wellen- strahlen werden durch einen dichroitischen Spie-