Kürzlich habe ich etwas über das Laser Surface Velocimeter gelesen, und nachdem ich es von Grund auf neu bauen muss (Universitätsprojekt), kam eine Frage: In der Beschreibung stand, dass einer der Laserstrahlen mit etwa 40 MHz gegenüber dem anderen verschoben ist eins. Mit dieser Verschiebung ist es möglich zu sehen, ob das Gerät arbeitet und in welche Richtung sich die Oberfläche bewegt.
Zweite Frage: Wie schwierig ist es, ein solches Gerät zu erstellen, und was muss ich beachten?
Zur Erklärung wie gewünscht:
Dieses Projekt wird für das Universitäts-Rennteam durchgeführt, das Gerät soll zur Kalibrierung in den Rennwagen eingebaut werden. Zeit: Immer, wenn ich nichts zu tun habe, Ausstattung: Ich kann hier die hiesige Uni-Ausstattung nutzen, und Budget: Ich hoffe, ich brauche nicht mehr als die Sachen, die hier vorhanden sind (außer zum Abschluss). Ist das für ein Ein-Mann-Projekt machbar (Masterstudent, hat schon einige Interferometer gebaut)?
Ah, und übrigens, der Abstand des sich bewegenden Objekts liegt zwischen 5 und 10 cm, aber die Geschwindigkeit geht bis zu 30 m/s, also ist das ein großes Problem (ich dachte, ich muss einfach einen schnelleren Fotodetektor verwenden (~30 MHz Taktrate nach den Formeln im Wiki))?
Es gibt zwei typische Möglichkeiten, zwei Laserstrahlen mit einem präzisen Frequenzversatz zueinander zu erzeugen.
Die erste erfordert, dass Sie über ein spezielles Gerät verfügen, das als akusto-optischer Modulator (AOM) bekannt ist . Diese Geräte erzeugen in einem speziellen Kristall eine stehende Druckwelle. Diese Druckwelle wirkt wie ein Beugungsgitter, in dem die verschiedenen Beugungsordnungen frequenzverschoben werden Wo ist die Beugungsordnung und ist die Modulationsfrequenz.
Der zweite Weg, der einfacher zu handhaben und billiger ist, wenn Sie zwei Laser, aber keinen AOM haben, besteht darin, die beiden Laser mit einem Versatz zueinander zu phasenstarren . Dazu kombinieren Sie die beiden Laser auf einem schnellen Fotodetektor und stimmen sie ab, bis ihre Frequenzen nahe genug beieinander liegen, um die Beatnote zu sehen. Das elektronische Mischen dieser Beatnote mit einem Referenzoszillator liefert ein Fehlersignal zur Verwendung in einer Rückkopplungsschleife, um einen Laser an den anderen zu koppeln. Eine Beschreibung der Technik finden Sie hier .
Kannst du bitte den Artikel verlinken, den du gelesen hast? Im Allgemeinen verursacht die Reflexion von einem sich bewegenden Objekt eine Doppler-Verschiebung proportional zur Geschwindigkeit des Objekts. Eine andere Sichtweise ist, dass die Bewegung eine zeitabhängige Phasenänderung der einfallenden Welle verursacht, die am einfachsten mit einem Interferometer gemessen werden kann.
Um die Geschwindigkeit mit einem Laser zu messen, brauchen Sie also „alles“ ein Interferometer, das die Schwebungsfrequenz des reflektierten Lichts gegen die des direkten Lichts misst, das vom Laser kommt. Allerdings steckt der Teufel im Detail.
Eine Schwebungsfrequenz von 40 MHz bedeutet, dass sich das Objekt mit der 40-Millionen-fachen Laserwellenlänge bewegt (eigentlich sollte da ein Faktor von zwei drin sein, wenn ich mich recht erinnere), das sind also ca. 40e6/s*0,5e6m/2=10m/s. Das ist eine ziemlich hohe Geschwindigkeit für einen sich bewegenden Interferometerarm, und ich wage zu vermuten, dass es keine leichte Aufgabe ist, einen zuverlässigen Lichtweg und Detektor für diese Art von Szenario zu bauen, wenn sich das Objekt mit einer beliebigen Geschwindigkeit von bis zu 10 m bewegt /s und wenn es sich weit weg bewegen könnte (wie in mehr als ein paar Metern). Zumindest sollten Sie, wenn möglich, einen Eckreflektor auf Ihrer sich bewegenden Oberfläche verwenden.
Können Sie uns sagen, wozu dieses Universitätsprojekt dient und welche Art von Zugang zu experimenteller Hardware Sie haben? Wie hoch ist das Budget und wie viel Zeit steht Ihnen zur Verfügung?
Dies wird üblicherweise durch die Verwendung von elektrooptischen und akusto-optischen Modulatoren (EOMs bzw. AOMs) erreicht. Diese verwenden die (nichtlinearen) dielektrischen und akustischen Reaktionen eines geeigneten Kristalls, um seinen Brechungsindex unter Verwendung eines externen Signals zu modulieren. Bei entsprechender Verwendung können sie zur Verschiebung der Frequenz verwendet werden eines optischen Strahls um einen Betrag durch Anlegen eines sinusförmigen Mikrowellensignals mit Frequenz .
Ich bin mir nicht ganz sicher, welchen genauen Frequenzbereich sie abdecken, und es hängt offensichtlich von der Anwendung und den Quarztypen ab, die Ihr Gerät benötigt. EOMs können bis in den GHz-Bereich gehen; AOMs sind normalerweise langsamer, aber ich denke, sie können immer noch Ihre Anforderungen erfüllen.
Danach ist die Wahl des Modulatortyps und des spezifischen Geräts rein technischer Natur, dh der schwierige Teil. Leider ist dies nicht wirklich die Seite für diese Art von Fachwissen, aber hoffentlich weist Sie dies in die richtige Richtung.
Dies geht natürlich nur so weit, einen Laser um einen gewünschten (und möglicherweise variablen) Betrag zu verschieben. Um es nachzuweisen, benötigen Sie ein ausreichend empfindliches Spektrometer. Wenn die Verschiebung jedoch sehr klein ist (und ~MHz-Verschiebungen klein sind), haben Sie möglicherweise Probleme, ein Spektrometer zu bekommen, das für Ihre Anforderungen stabil genug ist, insbesondere wenn die Umgebung laut ist.
Wenn dies der Fall ist, können Sie das Konzept eines EOM auf den Kopf stellen und es am hinteren Ende eines Interferometers verwenden, um Schwebungsfrequenzen zu erkennen. Das Prinzip dabei ist, dass Sie Ihren Ausgangsstrahl in zwei Teile aufteilen: einen Referenzstrahl, den Sie lokal halten, und einen Sondenstrahl, den Sie zu Ihrem Messobjekt senden. Sie nehmen dann den reflektierten Sondenstrahl und mischen ihn mit Ihrem Referenzstrahl, und die erfasste Dopplerverschiebung im ersteren bewirkt, dass er mit dem letzteren bei den 40 MHz der Verschiebung schlägt. Verwenden Sie genau die gleiche Art von nichtlinearem Kristall, der in EOMs und AOMs verwendet wird, um das Schwebungssignal als messbare Ausgangsspannung herauszugeben, die mit geeigneter Elektronik analysiert werden kann. Diese Technik wird beispielsweise zur Verwendung und Kalibrierung von Frequenzkämmen für die Präzisionsspektroskopie verwendet.