Устройство измерения временной когерентности

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при разработке и серийном выпуске газоразрядных лазеров. В предлагаемом устройстве измерения временной когерентности, технический результат обеспечивается за счет того, что в известном устройстве для измерения длины временной когерентности, содержащем интерферометр Майкельсона, лазер, фотоприемник и устройство регистрации сигнала, в опорное плечо интерферометра Майкельсона дополнительно введен пьезокорректор, жестко соединенный с зеркалом и источником питания переменного тока. Это позволяет измерять длину временной когерентности лазерного излучения с высокой степенью достоверности.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при разработке и серийном выпуске газоразрядных лазеров.

Известно устройство измерения длины когерентности, содержащее интерферометр Майкельсона, лазер, фотодетектор.(Короленко П.В. Учебное пособие, Москва, 1997 г. МГУ)

Устройство измерения когерентности содержит интерферометр Майкельсона, лазер как источник света и экран. На экране наблюдается интерференционная картина при перемещении зеркала в измерительном плече. Когерентность прямо связано с интерференцией. Волна, поступающая с выхода лазера падает на наклонную полупрозрачную пластинку П интерферометра Майкельсона, формирующую два пучка. Эти пучки отражаются от зеркал 31 и 32. Затем один из них, пройдя через пластинку П, а другой, отразившись от нее, поступают на экран Q, где интерферируют. В плоскости экрана расположен детектор, измеряющий интенсивность (например, фотодетектор, величина тока которого пропорциональна средней интенсивности).

Если напряженность электрических полей пучков равна соответственно E1 и E2, то поле на экране Q равно:

где t1=2l1/c, l1 - расстояние от зеркала 31 до пластинки П, t2=2l2/с, l2 - расстояние от зеркала 32 до пластинки П, r - пространственная координата.

Тогда, исходя из формулы 1, интенсивности будут изменяться в соответствии со следующим ниже выражением для интенсивности (2).

Если интенсивности оптических лучей равны на фотоприемнике, то суммарная интенсивность меняется от максимума до минимума. Тогда изменяя расстояние от полупрозрачной пластинки до 32 (измерительное плечо) и регистрируют изменение интенсивности. Интенсивность при изменении расстояния будет меняться по закону:

_1,2 - коэффициент взаимной когерентности.

При I₁=I₂ коэффициент взаимной когерентности равен V - видность интерференционной картины.

Определение длины когерентности в этом случае не приводится. (Короленко П.В. Оптика когерентного излучения. - М., 1997 г. с.12)

Недостатком данного устройства является то, что для определения временной когерентности не приведена конкретная формула.

Другим устройством измерения когерентности лазерного излучения является установка оптического гетеродинирования. (Дж.Строун Введение в когерентную оптику и голографию - Изд-во «Мир», 1967 г., стр.72). Излучение испытуемого лазера поступает на установку оптического гетеродинирования. Установка содержит опорный лазер, зеркала, обеспечивающие смешение интенсивностей лазерных пучков, фотоприемник, усилители, устройства регистрации сигнала биений, например, частотомер, а также устройства обработки сигнала биений между опорным и испытуемыми лазерами.

Анализ когерентности основан на измерении частоты биений лазеров испытуемого и опорного и обработке результатов измерений. Техническая ширина линии определяется в соответствии с соотношением:

Здесь частота биений,

c - скорость света, длина волны,

_i текущее значение частоты биений,

- среднее значение частоты биений;

Длина пространственной когерентности определяется по формуле

Недостатком данного устройства является косвенность измерения длины когерентности. Длина когерентности определяется через частоту биений двух лазеров, при этом к длине когерентности испытуемого лазера примешивается длина когерентности опорного лазера. В результате чего, если длина когерентности сопоставима или больше длины когерентности опорного лазера, точное измерение длины когерентности невозможно.

Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения временной когерентности, представленное на схеме, изложенной в ОСТ 11.397.803-80.

Измерение временной когерентности проводят используя устройство, содержащее интерферометр Майкельсона, лазер, фотоприемник, регистрирующее устройство. Перед фотоприемником устанавливается короткофокусная линза и устройство сканирования пучка по диаметру лазерного излучения. Измерения проводят следующим образом

1. Производят настройку устройства с равными длинами плеч опорного и измерительного в интерферометре Майкельсона, до появления на экране осциллографа интерференционной картины.

2. Включают устройство сканирования излучения по диаметру и измеряют I_max и I_min для каждой интерференционной полосы диаметра.

3. Вычисляют видность для каждой полосы, далее находят среднее значение видности.

4. Дискретно через 10 линий передвигают зеркало в измерительном плече, измеряют длину одного из плеч интерферометра и повторяют измерения.

5. По зависимости видности от длины до отражателя 1 определяется минимальная длина 1, при котором видность равна 0.5. Это и будет длиной когерентности.

Недостатком прототипа является неточность и громоздкость измерений, так как о длине временной когерентности судят по изменению пространственной когерентности, поскольку измеряют интерференционную картину (интенсивности интерференционных полос) в диаметре лазерного пучка.

В предлагаемом устройстве технический результат обеспечивается за счет того, что в известном устройстве для измерения длины временной когерентности, содержащем интерферометр Майкельсона, лазер, фотоприемник, устройство регистрации сигнала, в опорное плечо интерферометра Майкельсона дополнительно введен пьезокорректор, жестко соединенный с зеркалом и источником питания переменного тока.

Пьезокорректор осуществляет модуляцию опорной длины интерферометра. За счет использования модулируемой опорной длины интерферометра Майкельсона, возникает переменный сигнал интенсивности, отображаемый регистрирующим устройством, который демонстрирует сигнал с выхода интерферометра. При равенстве плеч интерферометра глубина модуляции составляет 100%. При неравенстве плеч интерферометра глубина модуляции уменьшается. При модуляции сигнала глубиной 50%, что происходит при изменении расстояния в измерительном плече до длины когерентности, видность интерференционной картины тоже равна 50%.

Устройство измерения длины когерентности представлено на фиг.1 и содержит лазер 1, делительное зеркало 2; зеркало в опорном плече 3; зеркало в измерительном плече 4; пьезокорректор 5; источник переменного тока 6; фотоприемник 7; устройство регистрации сигнала 8.

Устройство работает следующим образом.

Излучение с выхода лазера 1 поступает на делительное зеркало 2. Часть излучения поступает на зеркало 3, размещенное на пьезокорректоре 5, на пьезокорректор с источника переменного тока 6 поступает переменный сигнал. Это плечо опорное, L₁. Отраженное от зеркала 4 излучение поступает снова на делительное зеркало 2 и далее на фотоприемник 7. С выхода фотоприемника электрический сигнал биений двух интерферирующих пучков поступает на осциллограф 8, где регистрируется сигнал модуляции интенсивности суммированного излучения.

Поскольку длина опорного плеча интерферометра модулируется, то интенсивности сигнала интерференции меняются согласно периодической функции I=Isin(t), соответственно видность интерференционной картины тоже будет периодической функцией V1=Vsin(t) (5) Фотоприемник зарегистрирует переменный сигнал без постоянной составляющей при равенстве расстояний до отражателей, поскольку в этом случае амплитуда переменного сигнала равна 1, так как при подстановке равенства (2) в (5) получим V1=lsin(t). Теперь, если монотонно увеличивать расстояние L ₂, то видность интерференционной картины будет падать, что будет проявляться в появлении постоянной составляющей в сигнале Vb а полный размах амплитуды переменного сигнала будет снижаться. Зависимость видности интерференционной картины от расстояния до отражателя имеет вид, представленный на фиг.2

В результате измерений изменения L₂, которое обозначим как L, получим зависимость видности интерференционной картины от разности хода интерферирующих пучков. За длину когерентности принимают разность хода, при котором видность снижается до уровня 0.5 от максимального значения.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет достоверно измерять длину временной когерентности лазерного излучения.

Устройство измерения длины временной когерентности, содержащее интерферометр Майкельсона, лазер, фотоприемник, устройство регистрации сигнала, отличающееся тем, что в опорное плечо интерферометра Майкельсона дополнительно введен пьезокорректор, жестко соединенный с зеркалом и источником питания переменного тока.