Голограммный баллистический гравиметр

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано в малогабаритной аппаратуре для измерений величины ускорения силы тяжести.

Известны устройства, относящиеся к области гравиметрических измерений (SU 170776, US 4992656 A, US 5815267 А) и содержащие, по меньшей мере, одну дифракционную решетку, для определения смещения пробного тела.

Прототипом изобретения является баллистический гравиметр (Патент РФ №2554596, опубликован 01.06.2015), содержащий вакуумную камеру, катапульту, пробное тело с закрепленной на нем голограммой, источник квазимонохроматического оптического излучения, оптический мультиплексор, фотоприемник, электронное устройство обработки выходных сигналов.

Недостатком указанного гравиметра является сложность и сравнительно большие размеры оптической системы наложения (мультиплексирования) опорного и дифрагирующего на голограмме пучков света.

Задачей изобретения является усовершенствование оптической системы мультиплексирования и упрощение оптико-механической конструкции гравиметра.

Техническим результатом, благодаря которому решается поставленная задача, является уменьшение габаритов гравиметра.

Данный технический результат достигается за счет применения в качестве мультиплексора второй голограммы, по геометрическим характеристикам идентичной первой и расположенной непосредственно за падающей голограммой. Благодаря такому взаимному положению голограмм, вторая голограмма выполняет функции компактного оптического мультиплексора, а фотоприемник располагается в области наложения пучков света, дифрагирующих на обеих голограммах.

Оптическая схема предложенного голограммного гравиметра приведена на фиг. 1. Здесь 1 - электромеханическое устройство сбрасывания, 2 - пробное тело, 3 - первая голограмма, закрепленная на пробном теле, 4 - источник квазимонохроматического оптического излучения, 5 - вторая голограмма, геометрически тождественная первой голограмме, 6 - электронное устройство синхронизации и обработки сигналов, 7 - диафрагма, 8 - фотоприемник.

Устройство работает следующим образом. В исходном, статическом состоянии голограмма 3 неподвижна и картина интерференции в области наложения дифрагирующих на голограммах пучков света также неподвижна, при этом мощность излучения, направляемого на фотоприемник 9, постоянна и сигнал биений на выходе фотоприемника отсутствует.

При свободном падении пробного тела приращение вертикальной составляющей скорости ΔV голограммы равно произведению величины g ускорения свободного падения на время движения Δt(ΔV=g⋅Δt). Сдвиг Δf частоты дифрагирующего на голограмме света равен ΔV/d, где d - период голографической решетки. Данный сдвиг частоты света обусловлен изменением во времени фазы световой волны, дифрагирующей на подвижной голографической дифракционной решетке. Благодаря взаимному расположению голограмм 3 и 5 неподвижная голограмма 5 выполняет функции мультиплексора, обеспечивая наложение и интерференцию взаимно-когерентных пучков света различной частоты. При этом фотоприемник 8 фиксирует низкочастотные биения на частоте Δf. Расчет абсолютной величины g ускорения свободного падения выполняется в аналогово-цифровом электронном устройстве, подключенном к фотоприемнику, и по данным изменения частоты Δf биений за время Δt определяется ускорение свободного падения пробного тела g=(Δf/Δt)⋅d.

На фиг. 2 поясняется идея использования голограммы в качестве оптического мультиплексора и показан ход лучей света, последовательно дифрагирующих на двух геометрически тождественных голограммах. Сплошная стрелка указывает направление падающего на голограмму пучка света, штриховая - направление дифрагирующего пучка. Ввиду конечной ширины падающего и дифрагирующего на голограмме пучков света в области их наложения эти пучки интерферируют и, при относительном движении голограмм, помещенный в эту область фотоприемник фиксирует биения света на частоте, пропорциональной скорости движения голограммы.

Преимущество предложенного устройства перед прототипом состоит в значительном упрощении оптической схемы голограммного гравиметра, что обеспечивается благодаря использованию в качестве мультиплексора второй голограммы. При этом достигается уменьшение габаритов гравиметра, упрощение технологии его сборки и юстировки и снижение общей стоимости прибора.