[发明专利]高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用

说明书

技术领域

本发明涉及绝对重力测试技术，特别的，涉及一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统，利用此系统能精密检测绝对重力测试过程中落体棱镜的下落位置。

背景技术

重力场是地球的基本物理场，高精度绝对重力观测资料广泛应用于大地测量学、地球物理学、地球动力学和地震学等领域，同时也在军事、航天、导航、资源勘探与开发工程领域有广泛应用。目前一般采用绝对重力仪对重力加速度进行测量。

图1是现有技术绝对重力仪结构示意图。如图1所示，现有技术中绝对重力仪利用激光干涉技术，精确测量落体棱镜在真空环境中自由下落时的位置时间数据(h_i,t_i)，再将数据带入自由落体运动方程并利用多项式拟合的方法得到重力加速度的最佳估值。绝对重力仪一般由激光干涉系统、真空自由落体控制系统、超低频垂直隔振系统、高速信号采集系统和数据处理及仪器控制系统五部分组成。

激光干涉系统为绝对重力测试提供长度基准，保证测试光束与重力加速度方向一致，是绝对重力仪的重要组成部分。

图2是现有技术绝对重力仪用激光干涉系统结构示意图。如图2所示，激光由稳频激光器发出后被第一分束器分为水平传输的参考光束和向上传输的测试光束，测试光束向上被在真空腔中做自由落体运动的落体棱镜反射后向下传输，再被安装在超长弹簧隔振系统上的参考棱镜反射后经过两个调整光路的平面反射镜后与参考光束汇合于第二分束器，产生干涉，光电探测器将光干涉信号转换为电信号，用于后续系统作数据处理。

绝对重力仪探测确定点的绝对重力加速度，需要保证激光干涉系统中测试光束与绝对重力加速度方向平行，因此在现有绝对重力仪激光干涉系统中，均有相应的激光竖直方向调节单元。

图3是现有技术绝对重力仪激光干涉系统中激光竖直方向调节单元。如图3所示，在绝对重力测试开始前，需要调节激光干涉系统中测试光束方向，使其与重力加速度方向平行，一般利用水平液面反射原光路中的测试光束使其沿原路返回，并与参考光束产生干涉，再利用望远系统观察干涉图像是否为均匀圆形光斑，以此判断测试光束是否已经调节为竖直方向，待确定测试光束已调为竖直方向，撤去水平液面，进行绝对重力加速度测量。

现有技术绝对重力仪中激光干涉系统测试光束在落体棱镜及参考棱镜间只反射一次，对测试棱镜下落距离敏感度低；同时测试光束竖直方向调节需要通过望远系统辅助观察，系统较为复杂，且测试光束竖直方向调节完成后需撤走水平液面才能开始绝对重力测试，改变了仪器的状态，不能实时监测测试光束的竖直方向状况。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供了高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统及应用。

一种高精度绝对重力仪用光学倍频式激光干涉系统，它包括稳频激光器、准直扩束镜、可调反射镜、分束器、参考棱镜、落体棱镜、水平液面、反射棱镜、光阑、聚焦透镜、光电探测器；激光由稳频激光器发出，经准直扩束镜后由可调反射镜反射后竖直向下传输，再经分束器分为竖直向下传输的测试光束和水平向右传输的参考光束，其中测试光束分别经过参考棱镜和落体棱镜的多次反射后射向水平液面，然后经水平液面反射后按原光路返回到分束器处与经反射棱镜反射的参考光束汇合，产生干涉条纹，干涉光束经过打开的光阑被聚焦透镜汇聚于光电探测器上。

所述的水平液面为酒精或水银。

所述的分束器的透射比，能使产生干涉时的测试光束和参考光束光强相等。

一种采用所述系统的绝对重力仪。

一种根据所述的系统的应用方法，在绝对重力测试开始前，关闭光阑，当入射光束与竖直方向有一夹角θ时，会引起测试误差为倾斜入射光束经过参考棱镜与落体棱镜的多次反射后变为倾角相同的光束，光束入射到水平液面上，经反射后，出射光束与光束分离，夹角为2θ，出射光束再经过落体棱镜和参考棱镜的多次反射变为光束，光束被分束器反射后成为测试光束，测试光束与经由反射棱镜反射的参考光束产生干涉，其角度为α＝2θ，在光阑面上形成等间距的干涉条纹，调节可调反射镜，使干涉图像变为一等光强圆斑，这时测试光束与重力加速度方向平行，即θ＝0，再打开光阑，开始绝对重力测试，在测试过程中，可随时关闭光阑，观测光阑面上干涉图像是否保持为一等光强圆斑来实时监测测试光束与竖直方向是否平行，如果干涉图像已经发生变化，调节可调反射镜至干涉图像变回等光强圆斑，再关闭光阑，继续绝对重力测试。

本发明的有益效果：