187168. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására
1 _ 187 168 ... 2 A találmány tárgya eljárás és berendezés visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására. Heterodyn detektálási technika alatt azt a módszert értjük, amikor a detektor felületére két különböző frekvenciájú koherens fényt vetítünk, melyek interferálva a detektor kimenetén a különbségi frekvenciának megfelelő frekvenciájú elektromos jelet hoznak létre. A heterodyn detektálással igen kis fényintenzitások mérhetők, elérhető az ún. kvantum-limitált jel/zaj viszony (Id. pl. R. M. Kingston: Detection of Optical and Infrared Radiation, Springer 1978). A heterodyn detektálás megvalósítására számos módszer ismeretes (ld. pl. F. Durst, A. Melling, J. H. Whitelow: Principles and Practice of Laser- Doppler Anamometry, Academie Press 1976), ezek azonban jellegüknél fogva mozgó objektumokról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására alkalmasak. Egy ilyen megoldást ismertet a 930/80 ny. sz. magyar szabadalmi bejelentés is. Abban az esetben azonban, ha a mérőberendezéshez képest álló objektumról is szükséges a visszaszórt lézerfény heterodyn detektálása, ezek az eljárások nem alkalmazhatók. Ilyenkor magában a mérőberendezésben kell az eredeti lézerfénytől eltérő frekvenciájú fényt létrehozni, és így akár álló, akár mozgó objektumról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálása lehetséges. Erre egy lehetséges megoldás frekvenciatoló elemként akusztooptikai modulátor használata (ld. B. S. Collins et al., Optical and Quantum Electronics 72,/1980/, 419-426). Ezek a berendezések azonban drágák, csak egy-egy a modulátor anyaga által meghatározott szűk hullámhossztartományban és behatárolt frekvenciatolási tartományban üzemelnek. Például az infravörös tartományban (C02 lézerre) kb. 40 MHz fölött lehet jó hatásfokú akusztooptikus modulátort készíteni, ugyanakkor a kereskedelmi forgalomban elérhető Hg Cd Te detektorok határfrekvenciája 10 MHz. A különböző hullámhossz tartományokban különböző anyagú és ezért eltérő gyártástechnológiájú eszközök szükségesek. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt nehézségek kiküszöbölése és olyan eljárás és berendezés kialakítása, mely lehetővé teszi széles hullámhossz és eltolási-frekvencia tartományban az optikai heterodyn detektáláshoz szükséges frekvenciatolás megvalósítását. A találmánnyal megoldandó feladatot ennek megfelelően abban lehet összefoglalni, hogy olyan viszonylag olcsó frekvenciatoló eljárásra és berendezésre van szükség, amellyel lehetőség nyílik széles működési hullámhossz tartományban és eltolási frekvencia tartományban a lézerfény frekvenciájának eltolására a mérőberendezésben, hogy ily módon lehetségessé váljon akár álló, akár mozgó objektumról visszaszórt lézerfény heterodyn detektálása. A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat megoldható, ha az ismert megoldások helyett a lézerfény frekvenciájának eltolását egy forgó radiális- vagy hengerrácson történő diffraktáltatással végezzük, ahol az eltolási frekvencia a hullámhossz, a forgási sebesség, a beesési szög és a rácsállandó által meghatározott diffrakciós szögek függvényeként széles tartományban változtatható, és megfelelő anyagú pl. fém rács esetén igen széles hullámhossz-tartományban alkalmazható, az ultraibolyától a távoli infravörösig. A találmány tehát eljárás visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására, amelynél a lézer fényforrás fényének egy részét a visszaszórt objektumra vetítjük, és a szórt fényt egy érzékelő optikai rendszerrel a fényérzékelőre vetítjük, azzal jellemezve, hogy a lézer fényforrás fényének másik részét egy forgó radiális- vagy hengerrácsra vetítjük, és az arról diffraktált fényt a szórt fénnyel koherens módon a fényérzékelőre vetítjük, és a fényérzékelő kimenetén fellépő elektromos jelet érzékeljük, valamint berendezés visszaszórt lézerfény heterodyn detektálására, melynek lézer fényforrása, kivetítő optikai rendszere, érzékelő optikai rendszere, nyalábosztója, frekvenciatoló eleme, fényérzékelője é, a fényérzékelőhöz kapcsolt jelfeldolgozó egysége van, azzal jellemezve, hogy a frekvenciatoló elem forgó radiális- vagy hengerrács. A találmányt részletesebben a rajzok alapján ismertetjük, melyeken a találmány szerinti eljárás foganatosítására szolgáló berendezés elvi sémáját és egy kiviteli alakját tüntettük fel. Az 1. ábrán látható elvi vázlaton a 10 lézer fényforrás fényét a 11 nyalábosztóval kettéosztjuk. A fény egyik részét a 14 kivetítő optikai rendszerrel a 18 visszaszóró objektumra vetítjük, a visszaszórt fényt a 15 érzékelő optikai rendszerrel és a 19 segéd osztótükörrel a 16 fényérzékelőre vetítjük. A fény másik részét a 12 forgó radiális- vagy hengerrácsra vetítjük, ahonnan a diffraktált fényt a 13 segédtükör felhasználásával a szórt fénnyel koherens módon - azaz úgy, hogy a két fénynyaláb közötti szög kisebb, mint X/2D (ahol X a fény hullámhossza, D a fényérzékelő átmérője) a 16 fényérzékelőre vetítjük. Ha a 10 lézer fényforrás fényének frekvenciája f, és a forgó 12 radiális- vagy hengerrácsról diffraktált fény frekvenciája f, akkor a 16 fényérzékelő Af = f-P frekvenciájú elektromos jelet szolgáltat, melyet 17 jelfeldolgozó rendszerbe vezetünk. A forgó radiális rács frekvenciatolásának magyarázatára a 2. ábra szolgál, amelyen a radiális rács működése látható. A hengerrács működése ehhez hasonló. A radiális rács egy síkon egy pont felé mutató körben elhelyezkedő csíkokból áll. A hengerrács egy henger palástján az alkotóval párhuzamos csíkokból áll. A 12 radiális rács co szögsebességgel forog egy a síkjára merőleges tengely körül. A 21 beeső lézerfény egy része reflektálódik, ez a 22 0-ad rend. A rácson fellépő diffrakció miatt a fény más részei nem a reflexiós irányba haladnak tovább, hanem azzal szöget bezárva magasabb rendekbe diffraktálódnak. A 2. ábrán a 23 „ + 1-edik” rend és a 24„ - 1-edik” rend van feltüntetve. A magasabb rendeknek a reflexiós iránytól való eltérését a jól ismert sin0-sin0o = ITy' d kifejezés adja, ahol 0O a reflexiós irány szöge, 0 a diffrakciós szög, m a rendszám (első rendben m = ± 1), d pedig a rácsállandó. Ha a 21 beeső lézerfénynek a 12 radiális ráccsal vett döféspontja 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
