Интерференционный метод измерения длины волны

5.1.5 Интерференционный метод измерения длины волны

Ранее уже было отмечено, что применению металлических волноводов в диапазоне субмиллиметровых волн препятствуют сложность их изготовления из-за малых размеров и чрезмерно большие погонные затухания. Это обусловило развитие теории и практики лучевых квазиоптических волноводов различного типа. Одновременно изменились конструкции оптических резонаторов (интерферометров) и дифрактометров, которые применялись в оптическом и миллиметровом диапазонах для быстрого изменения длины волны сигналов.

При повышении частоты сигналов, генерируемых радиотехническими методами, их свойства все более приближаются к свойствам излучений оптического диапазона. Поэтому вполне естествен возникший вновь интерес к оптическим методам измерений в диапазоне субмиллиметровых волн. Одним из них является интерференционный метод, сущность которого заключается в следующем. При сложении двух колебаний

Asin(wt — bx)

и Asin(wt — bx +bx0)

одинаковых по амплитуде и частоте, результирующие колебание

2Asin(wt — bx +bx0)cos(bx0/2)

будет иметь амплитуду 2Acos(bx0/2).

Максимум амплитуды этого результирующего сигнала имеет место всякий раз, когда аргумент

bx0/2=kp,

а минимум амплитуды отмечается при

bx0/2=(2k + 1)*p/2.

Здесь k - целое произвольное число, включая нуль. Иными словами, колебания к приемнику приходят по двум путям разной длины. Для максимума сигнала разность хода волн определяется из соотношения x0=kl, а при минимуме из x0=(2k + 1)*l/2.

Таким образом, для получения двух соседних максимумов или минимумов необходимо изменить разность хода двух волн на одну длину волны. Если в миллиметровом диапазоне интерферирующие лучи можно пропустить внутри металлического волновода, то в субмиллиметровом диапазоне интерферометры, или оптические резонаторы, работают в квазиоптических волноводных линиях передачи и практически повторяют классические устройства оптического диапазона.

5.1.6 Дифракционный метод измерения длины волны

Рассматривая оптические методы измерения длины волны в диапазоне субмиллиметровых волн, следует остановиться на использовании здесь явления дифракции на различных телах.

В оптическом диапазоне дифракционные спектрометры широко применяются при построении различных спектральных приборов, измеряющих как длину волны сигнала, так и распределение энергии по различным составляющим. В силу того, что свойства излучения субмиллиметрового диапазона близки к свойствам световых колебаний, естественно было применить уже известные принципы и схемные решения для измерений длины волн. Оказалось возможным создать дифракционные решетки, имеющие разрешающую способность, близкую к разрешающей способности интерферометров Фабри-Перо.

Рассмотрим основные дифракционные волномеры, описания которых появились в литературе в различное время.

Рис. 5.4 Блок-схема дифрактометра с поворотной проволочной или ленточной решеткой:

1 - лучевой волновод; 2 - дифракционная решетка; 3 - фокусирующая линза; 4 - гидеодетектор; 5 - видеоусилитель с индикатором; 5 - механизм отсчета углового положения решетки и приемника; 7 - индикаторный прибор.

На рис. 5.4 изображена блок-схема прибора с проволочной или ленточной дифракционной решеткой. Исследуемый сигнал с помощью квазиоптической линии передачи 1 подводится к поверхности дифракционной решетки 2, расположенной по отношению к оси волнового пучка под произвольным известным углом 8. После прохождения через решетку сигнал оказывается разложенным на несколько составляющих, соответствующих дифракционным спектрам различного порядка. Поворачивая вокруг оси решетки приемное устройство 3, определяются углы, под которыми имеют место дифракционные максимумы. Для четкой индикации принятый сигнал усиливается и индицируется либо стрелочным прибором, либо самописцем. В последнем случае поворот приемного устройства вокруг решетки и запись на ленте должны быть жестко синхронизированы между собой. Направления прихода энергии к решетке и приема дифрагированного поля связаны между собой следующим соотношением:

 (5.2)

где р — период решетки; qi - угол между направлением падения излучения на решетку и нормалью к ее плоскости; q - угол между нормалью к поверхности решетки и направлением приема; п — номер порядка дифракционного спектра.

На рис. 5.5 приведена блок-схема дифрактометра с отражающей ступенчатой дифракционной решеткой. Обозначения на схеме аналогичны рис. 5.4 При произвольном положении отражающей решетки по отношению к падающему излучению находят положение дифракционного максимума n-го порядка и по формуле находят длину волны сигнала.

Интенсивность отраженного сигнала в n-й максимум сильно зависит от наклона ступенек, т. е. электрической глубины канавок и угла наблюдения при постоянном отношении периода решеток к длине волны.

Рис. 5.5 Блок-схема дифрактометра с отражающей поворотной решеткой (обозначения те же, что и на рис. 5.4).

Схему дифрактометра с произвольным падением сигнала на решетку можно несколько изменить, использовав для измерения длины волны явление, заключающееся в том, что при повороте решетки дифракционный максимум приближается к поверхности решетки и, наконец, превращается в неизлучающую поверхностную волну. Момент этого перехода фиксируется достаточно четко для любых решеток. На рис. 5.6 изображена блок-схема измерительной установки, использующей этот принцип. При измерении длины волны приемное устройство регистрирует момент возникновения интенсивной поверхностной волны, соответствующей определенному углу падения облучающего сигнала но отношению к нормали. Расчетная формула упрощается и имеет вид

 (5.3)

Благодаря тому, что угловые интервалы могут отсчитываться с высокой точностью, погрешность измерений длины волны с помощью поворотных дифрактометров может быть доведена в субмиллиметровом диапазоне до величины ±10-4. Общим недостатком рассмотренных дифрактометров является низкая разрешающая способность по частоте, которая к тому же зависит от угла поворота решетки.

Рис. 5.6 Блок-схема дифрактометра с поворотной решеткой, использующего режим скольжения дифрагированного поля вдоль решетки.

1 - лучевой волновод; 2 - решетка; 3 - приемное устройство; 4 - видеодетектор; 5 - индикатор; 6 - механизм отсчета углового положения.

Значительно более высокой разрешающей способностью обладает дифрактометр с отражающей ступенчатой решеткой, работающей при нормальном падении волны по отношению к одной из граней канавки.