DE2014781C

DE2014781C - Arrangement for determining refractive indices in the atmosphere

Info

Publication number: DE2014781C
Authority: DE
Inventors: Karl Otto Ragnar Lidmgo Scholdstrom (Schweden)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Linde Sverige AB
Publication date: 1972-10-12

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.gel Dl combined into a common beam which is directed onto a second dichroic mirror D 2, through which the component of the wavelength A ₁ passes, while the component with the wavelength λ is deflected to an adjustable delay device DP ' , which consists of a first Prism Pl and a r riding prism F 2 consists, and after passing through the delay device DP reunites with the first component of the wavelength A _1. A polarizer PO, a first optical modulator Ml, which can be a known modulator in the manner of a Kerr cell or a modulator according to Pockels, and a first analyzer AN 1 are inserted between the two dichroic mirrors D1 and D 2. A modulation signal of the frequency Z ₁ , which is supplied by a generator G, is fed to the modulator Ml. _{A modulation frequency Z 1} is therefore impressed on both components of the wavelength /., And /.

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.The light beam then traverses a measuring path of a predetermined length, for which in the illustrated embodiment it is assumed to be passed through twice, a reflector being arranged at the distal end of the measuring path. The returning light beam is fed to a second modulator M 2, which is followed by a second analyzer AN1 . _{A second modulation frequency Z 2 is} fed to the second modulator Ml by an oscillator G 2. As a result of this second modulation, light is obtained at the output of the analyzer AN1 , on which the two modulation frequencies Z ₁ and Z _{2 are} superimposed, the second modulation sequence being added to both light components with exactly the same phase.

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«The light emerging from the analyzer A N2 passes through a prism PR, which acts as an optical frequency separator and splits the light back into the two components of the wavelengths A ₁ and A ″. The two light components then pass through filters Fl or Fl, which are characterized by a high degree of accuracy and suppress any undesired wavelength. This exact filter design is of the greatest importance for the measurement accuracy that can be achieved in practice, since even the smallest traces of the other components pass through the filter to a considerable decrease in the sensitivity of the measurement method. 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\iAfter passing through the filters Fl or F2, the light components reach light receivers in the form of photomultipliers Ri or Rl, in which aie are converted into electrical signals due to their non-linearity, which contain both the difference _{frequency / t} - / ₂ and the sum frequency /, _4/2 included. The output signals of the photomultipliers R 1 and R 2 are fed to amplifiers A 1 and A 2, respectively, and the amplified signals are passed on to a null instruction N , which responds to the phase difference between the applied difference frequency signals. It is assumed. that the u η guaranteed η frequencies are eliminated, which can be achieved by conventional filters or in some other way. 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.The two modulation signals with the frequencies /, and f., Are also fed to a mixer MX '. which generates an output signal with the difference frequency Z ₁ -Z _2. This difference frequency can be applied to a third input of the zero instrument N via a switch SW.

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.During the measurement of refractive indices, the switch SW is open. The light components of the wavelengths A ₁ and A ₂ are modulated by the modulator M1 with the modulating frequency Z _1.

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.Before the start of the measurement, the prism PI is in such a position in relation to the prism P1 that the two light components are in phase quadrature when they are bridged at! Measure path to reach zero instrument N. This state can also be expressed by saying that the prism P 2 is in the position corresponding to the length zero for the measuring path. The bridging of the measuring path can be produced by known means, such as an inner light path provided within the arrangement, the length of which satisfies the expression c4 /, in which c means the speed of light.

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.During the measurement, the light beam is guided along an outer measuring path of known length and is reflected at its distal end. Dimodulated components are both fed to the second optical modulator M 2, but because of the difference in their Aj'-propagation speed on the measurement path, they now have phase values that are no longer in quadrature to one another, but one corresponding to the difference in their propagation time on the measurement path Amount differ. A second modulation with the frequency Z ₂ takes place in the modulator M1 and the analyzer AN 2, and the output signal shows an envelope curve with the difference ^{frequency Zi -} / This frequency shift is theoretically not required, but it proves to be practically advantageous because it is a Execution of the phase comparison at low frequency possible. The light signal at the output of the second modulator M 2 is split in the prism PR , and its two components go through the filters Fl and F2 assigned to them to the photomultipliers R 1 and R1, where they are converted into electrical currents. The nonlinearity of the photomultipliers Rl and Rl can arise, inter alia, the difference frequency _Z1 / _2. As is known, the frequency shift does not change the relative phase position of the two components, and this is then still the same when they are connected to the amplifiers Λ 1 and A 2. It is assumed from these amplifiers A 1 and A 2 that they produce the same phase delay. This requirement can easily be met with regard to the low frequency Z, ~ Z-. The same phase difference thus still prevails between the two signals fed to the inputs of the zero instrument N. The zero instrument N now shows a value other than zero because of the difference in the phase delay on the measuring path. Therefore, the prism P 2 is adjusted so that it compensates for this difference and returns the zero instrument N to the display of the value zero. The delay corresponding to this adjustment of the prism V2 corresponds in turn to the difference in the phase shift of the two components on the measuring path, and therefore the prism P2 can be provided with a division which allows this phase shift to be read off.

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.By closing the switch SW it is possible to compare the phase of the signal fed to the zero instrument N by the mixer MX with the frequency Z ₁ -Z ₂ . Only the second light component is used for this comparison, and the delay generated by the delay device DP then indicates the length of the measurement path. This type of measurement is known per se.

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.The first analyzer A Nl is not absolutely necessary. The light could also be guided in polarization modulation over the measuring path as it emerges from the first modulator Ml. However, for many types of measurements it is preferable to convert the first modulation, i.e. the polarization modulation, into an amplitude modulation with the aid of the first analyzer / INI.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2 is proportional to length. By measuring the phase difference mentioned above, it can therefore be seen that the difference between the two wavelengths is yes

1. Arrangement for determining refractive index is known, the average value for the refractive indices in the atmosphere with an optical 5 index on the path traversed by light Determine the transmitter for sending out a two component.

With different wavelengths, however, the difference in the spreading light beam along a measuring path of the transmission speed of visible light of two given lengths and of different wavelengths to be determined compared to the absorption index, with at least one optical value of the speed of light, is very great small, and modulator for modulating the two components, therefore it is of fundamental importance for the components with a first modulation frequency /, achievable measurement accuracy, to switch off every source for phase and with a measuring device for measuring the error. With the previously known phase difference for the modulation of the two measuring arrangements of the type mentioned above, components are? «. 15 at the end of the measuring path for the superimposition of the characterized in that the measuring demodulation frequency for the two Lichtkompoeinrichtung (C) uses a second optical modules of different wavelengths separate converter (M2) for modulating the modulators together, and both components result from this Passing through the difficulties caused by the modulators measuring path with a second modulation ao inevitably introduced and naturally for both frequency / ₂ , an optical frequency separator modulators different delay So lets (PR) to separate the two components, for example when using photomultiplivon each other after passing through the second capacitors, the usual electro-optical modulators optical modulator (M 2), two are the frequency, the transition time for the electron significant separator (PR) downstream receiver (R 1 as phase delays arise.
and Rl) for receiving the two separately The invention "is therefore based on the object of creating components and an arrangement for determining ßrechungssignalen the two receiver ix (Rl and Rl) indexes with the output, which are fed by the above-mentioned phase comparator ( N, DP) .Error sources are free and are therefore characterized by a

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the phase comparator is characterized by a known measuring arrangement.
Zero instrument (N) for displaying a phase difference of the two components after passing through the delay of this component in relation to the measuring path with a second modulation frequency f. ,, others. an optical frequency separator for separating

of the two components from each other after passing through the second optical modulator, two 40 receivers downstream of the frequency separator

The invention relates to an arrangement for receiving the two components separately

for determining refractive indices in the atmosphere and one with the output signals of the two

Sphere containing a phase comparator fed by an optical transmitter for emitting receiver,

one two components with different In the arrangement according to the invention is one

Wavelength containing light beam along a 45 substantial improvement of the measurement accuracy by

Measuring path of a given length and to be able to use a common optical module

matching refractive index, with at least one lator achieved by the two after passing through

optical modulator for modulating the two light commands captured by the measuring path

Components with a first modulation frequency / is traversed. This not only results in that

and with a measuring device for measuring the 5 "'" • e while for equality of the delay for the

Phase difference for the modulation of the two grains - two components of different wavelengths,

components after running through the measuring path. but also the further advantage,

The field of application of the invention is that you only have a single modulation frequency

the measurement of the refractive indices of the atmosphere needs to be transferred as the two components are different

'' for optical transit time or distance measurement. 35 according to the optical demodulation process with opti-

For such measurements, a measuring method has been able to see means separate and the phase measurement

introduced, in which light can be made with two different electrical signals,

Wavelengths a path from a given and the one from the optically separated components

known length runs through, with him at the beginning nenten are derived.

a modulation is imposed on this path and at ⁶ ° In the drawing, the invention is illustrated, for example, at the end of the path, the phase difference in the modulus; the only figure of which shows a lation for the two different wavelengths to be determined, a schematic overview of the entire structure. This measuring method is based on an arrangement according to the invention,
known phenomenon that the refractive index The arrangement shown in the drawing varies with the wavelength, the difference 65 contains a pair of light sources Si and S 2, the light in the refractive index for two different wave rays with a first wavelength A ₁ and a length of the Difference in propagation second wavelength A ₂ emit. The two speeds of light for light of these two wave beams are determined by a dichroic mirror