ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 8, с. 82-90
УДК 550.34
ЛАЗЕРНЫЙ НАНОБАРОГРАФ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ ИЗУЧЕНИИ БАРО-ДЕФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
© 2004 г. Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, С. Н. Ковалёв, И. А. Корень, О. В. Новикова, В. В. Овчаренко, О. П. Окунцева, В. А. Швец, В. А. Чупин, С. В. Яковенко
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток Поступила в редакцию 14.04.2003 г.
В статье описываются технические характеристики и принцип действия лазерного нанобарографа, созданного на основе интерферометра Майкельсона равноплечего типа с использованием современных лазерно-интерференционных методов и входящего в состав сейсмоакустико-гидрофизиче-ского комплекса, предназначенного для изучения природы волновых полей океана, литосферы и атмосферы, а также их взаимодействия. Анализ результатов, полученных при обработке синхронных записей нанобарографа и 52.5-метрового лазерного деформографа, установленных в переходной зоне океан-материк, указывает на сложный характер атмосферно-гидросферно-литосферного взаимодействия в инфразвуковом диапазоне частот.
ВВЕДЕНИЕ
Среди результатов, опубликованных в [Долгих, 2001] на наш взгляд заслуживает наибольшего внимания различная реакция базы одного и того же деформографа на увеличение (или уменьшение) атмосферного давления. Естественно предположить, что такое поведение вызвано барической депрессией, наползающей на зону расположения лазерного деформографа, и связано с её размерами, градиентом давления, скоростью и направлением движения (со стороны моря или к морю). Мы думаем, что подобная различная реакция участка земной коры зоны расположения лазерного деформографа или других длиннобазо-вых установок на уменьшение или увеличение атмосферного давления должна наблюдаться и вдалеке от моря, но, возможно, с меньшим эффектом из-за отсутствия водных масс.
Этот результат позволяет надеяться, что применение лазерного деформографа при изучении реакции земной коры на вариации атмосферного давления позволит не только определить характер и величину баро-деформационного взаимодействия, но и исследовать основные характеристики барических депрессий (размеры, градиент давления, скорость и направление движения и т.п.). Перед началом подобных работ необходимо провести тщательные исследования возможностей применения лазерных деформографов при изучении эффектов, связанных с возникновением и развитием барических депрессий с отработкой методики проведения подобных комплексных исследований.
Известно [Долгих, 2000а], что лазерные де-формографы обладают высокой чувствительнос-
тью в широком частотном и практически неограниченном динамическом диапазоне. Для решения выше поставленной задачи по изучению различных эффектов в баро-деформационном взаимодействии необходимо использовать установку, регистрирующую вариации атмосферного давления, и не уступающую по основным параметрам (чувствительность, рабочий диапазон частот, динамический диапазон) лазерным деформогра-фам. В ТОИ ДВО РАН на основе лазерно-интер-ференционных методов создан лазерный наноба-рограф. В данной статье даётся подробное описание лазерного нанобарографа с демонстрацией его возможностей при проведении измерений в комплексе "лазерный деформограф - лазерный нанобарограф".
ЛАЗЕРНЫЙ НАНОБАРОГРАФ
Оптическая схема лазерного нанобарографа создана на основе модифицированного интерферометра Майкельсона равноплечего типа с длиной измерительного (или "эталонного") плеча 20 см. Блок-схема нанобарографа приведена на рис. 1.
Как видно из рис. 1 луч лазера (1), пройдя коллиматор (2), попадает на плоско параллельную пластину ПИ-100 (3), на которой делится на два. Один из них проходит по "эталонному" плечу, расположенному между пластиной ПИ-100, зеркалами на пьезокерамических цилиндрах (7) и (8) и фотодиодом ФД24К (5). Другой проходит измерительное плечо, расположенное между пластиной ПИ-100 (3), системой "глаз кошки", состоящей из собирающей линзы (6) и анероидной коробки с зеркальным напылением (4), и фотодиодом
ФД24К (5). На фотодиоде (ФД) оба луча образуют интерференционную картину, которую настраивают на "пятно-минимум" или "пятно-максимум" в зависимости от выбранных способов работы системы регистрации лазерного нанобарографа. За счет обратной связи, выведенной на одну из пье-зокерамик, интерференционная картина поддерживается неизменной на фотодиоде. Величина сигнала подстройки пропорциональна изменению оптической разности хода в плечах интерферометра. При достижении величины сигнала подстройки соответствующей изменению оптической разности хода в плечах интерферометра, равного Л/2 (Л - длина волны лазера), ключи системы регистрации замыкаются и интерференционная картина с одного экстремума перескакивает на один из двух соседних, связанных с увеличением или уменьшением измерительного плеча интерферометра.
Как известно [Долгих, 2000а], изменение оптической разности хода в плечах интерферометра описывается следующим выражением:
д , = ± , а- ± А^А ±
10 2п Л г0 2п
г'0 2п'
(1)
Лг' Л
Рис. 1. Схема размещения оптических элементов лазерного нанобарографа:
1 - Ые-Ке лазер; 2 - коллиматор; 3 - делительная пластина ПИ-100; 4 - блок анероидных коробок с зеркальным напылением; 5 - фотоприёмник; 6 - линза; 7 - зеркало компенсации; 8 - зеркало раскачки.
вышеописанными характеристиками и условиями эксплуатации, в лазерном нанобарографе достигается точность измерения оптической разности хода лучей в плечах интерферометра равная:
где: — ---изменение оптической разности хода,
г0 2 п
связанной с вариациями атмосферного давления, воздействием сейсмоакустического шума, упругими колебаниями и волнами, температуры и
влажности на интерференционный узел; I^ -
Л
шумы, обусловленные нестабильностью частоты
Л '1 Л ,
лазерного излучения; -г-;:— - шумы фотоэлек-
г0 2 п
Л г'2 Л
тронной аппаратуры; --—;-— - шумы, вызванные
г0 2 п
нестабильностью мощности лазерного излучения.
Проанализируем вклад каждого слагаемого в измеряемую величину Л1.
В лабораторном макете лазерного нанобарографа использовался гелий-неоновый лазер с длиной резонатора порядка 20 см без принудительной стабилизации частоты. С учётом расстояния между основными типами колебаний лазера и доплеровской полуширины [Хирд, 1970], на данной ширине укладываются три моды, соответствующие трем основным типам колебаний. То есть при данном гелий-неоновом лазере предельная стабильность частоты лазера определяется величиной межмодового перехода и равна 1.6 х 10-6.
В лазерном нанобарографе оптическая разность хода в плечах интерферометра уравнена с точностью до 10-2 м. В этом случае при использовании частотнонестабилизированного лазера с
ЛI = |-1е| = 1 х 10 2 м х 1.6 х 10 6 = = 1.6 х 10-8 м.
(2)
Применяемые методы интерферометрии [Долгих, 2000а] позволяют измерять Л1 с точностью (10-3-10-4) х Л/2, т.е.
Л/пр = 0.3 (10-9-10-10) м.
(3)
Для достижения данной точности необходимо использовать лазер с частотной стабилизацией без девиации частоты, который успешно применяется в исследовательских и метрологических целях [Пак, 1981].
При проведении экспериментальных исследований в лазерном нанобарографе использовался час-тотностабилизированный лазер ЛГН-303, который имеет стабильность частоты, достаточную для применения в качестве излучателя в устройстве "лазер-но-интерференционный нанобарограф". Его долговременная стабильность частоты равна 10-8. Использование данного лазера в нанобарографе позволило проводить измерение Л1 с точностью Л1 = 1 х 10-10 м, что по порядку величины совпадает с (3).
Лазерный нанобарограф входит в состав ла-зерно-интерференционного комплекса и располагается в гидротермоизолированном помещении под землей, где поддерживается температура в пределах 0.10, что обеспечивает лучшую стабильность частоты лазера и повышает точность измерения Л1.
В серийных гелий-неоновых лазерах уровень относительных флуктуаций мощности обычно
составляет несколько процентов, т.е. ДгУг'о ~ 0.01. Следовательно, в этом случае порог чувствительности измерения ограничивается величиной порядка 0.5 нм. При улучшении стабильности Ы2/10 на порядок, порог чувствительности измерения ограничивается величиной порядка 0.05 нм.
Дробовый шум фотоприёмника вносит ошибку в измерение Д1, равную 1.78 х 10-15ТД/ м/Гц1/2, что с запасом обеспечивает вышеуказанную точность измерения Д1 = 0.1 нм.
Таким образом, мы разобрали вклад всех слагаемых выражения (1) в изменение оптической разности хода, кроме первого, в котором кроме полезного сигнала (вариации атмосферного давления) заложены шумы, обусловленные сейсмоа-кустическим шумом, влиянием упругих колебаний и волн, вариациями температуры и влажности.
Для оценки чувствительности лазерно-интер-ференционного нанобарографа необходимо рассчитать перемещения незакрепленного конца блока анероидных коробок под действием изменений атмосферного давления. Согласно [Андреева, 1981] прогиб одиночной мембраны и перепад давления на мембране связаны соотношением:
4
рЯ и0 , и0
ЕН
Н
(4)
где: р - перепад давления на мембране, Я - радиус анероидной коробки, Е - модуль упругости материала коробки, Н - толщина мембраны, и0 - прогиб мембраны под действием перепада давления, а и Ь вспомогательные коэффициенты, определяемые в зависимости от параметров гофрировки [Андреева, 1981]. В нашем случае а = 35 и Ь = = 0.032, и выражение (4) принимает вид:
р = 0.0121 и0 +0.0011 и0, (5)
где: давление (Р) задано в МПа, а и0 в мм.
Применяемые методы интерферометрии позволяют измерять изменение оптической разности хода в плечах интерферометра с точностью до 0.03 нм. В данном случае это смещение поверхности одиночной мембраны будет вызвано изменением атмосферного давления, равным примерно 0.0004 Па. Блок анероидных коробок состоит из 8 мембран. Точность измерения вариаций атмосферного давления при этом улучшится в 8 раз и составит величину, примерно равную 50 мкПа.
Установка находится в гидротермоизолиро-ванном подземном помещении, где влажность в процессе измерения остается постоянной, а температура меняется в пределах 0.10. Юстировочная и крепежные детали интерференционн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.