ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к оптическим устройствам, а именно к интерферометрам, позволяющим измерять пространственную когерентность светового, в том числе лазерного излучения.
Уровень техники
Известен интерферометр для измерения пространственной когерентности по Авторскому свидетельству СССР №421880 (А.Г. Арутюнян, В.Г. Тункин, А.С. Чиркин, опубликован 30.03.1074, бюл №12), выбранный в качестве наиболее близкого аналога, в котором образуются два идентичных по своим свойствам, кроме поляризации, луча с использованием одного отверстия. Эти лучи формируются за счет раздвоения исходного луча на обыкновенный и необыкновенный в первом кристалле шпата при повороте первого кристалла шпата вокруг его горизонтальной оптической оси, причем ось исходного луча перпендикулярна оптической оси. Перед первым кристаллом шпата помещается первая призма Глана. Первый кристалл шпата находится в кювете с иммерсионной жидкостью, в качестве которой используется касторовое масло, показатель преломления которого очень близок к показателю преломления необыкновенного луча на длине волны He-Ne лазера (633 нм). Благодаря иммерсионной жидкости необыкновенный луч не смещается при повороте первого кристалла шпата. После кюветы помещается второй кристалл шпата такой же толщины, что и первый кристалл шпата, с оптической осью, перпендикулярной оси первого кристалла шпата. Второй кристалл шпата - той же толщины, что и первый - позволяет компенсировать фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами и благодаря этому измерять пространственную когерентность светового излучения с достаточно широким спектром, т.е. исключить влияние временной когерентности на измерение степени пространственной когерентности. Далее помещена вторая призма Глана, вращающаяся вокруг оси исходного луча и позволяющая выравнивать интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей, прошедших через эту призму Глана. Диафрагма небольшого диаметра (использовалась диафрагма диаметром 20 мкм), располагающаяся перед регистрирующим устройством, работающим в режиме счета фотонов (что обеспечивает необходимый высокий динамический диапазон измерения), установлена неподвижно так, что в нее попадает центр необыкновенного луча. Таким образом, при неподвижном необыкновенном луче измеряется степень пространственной когерентности между центром (точкой) исходного пучка и его периферийными частями (точками). В наиболее близком аналоге при одинаковой интенсивности интерферирующих лучей необходимо было производить дополнительные повороты первого кристалла шпата на малые углы для обеспечения достигаемой точности регистрации минимума и максимума интерференционной картины. Данная операция применялась для обеспечения изменения фазы между обыкновенным и необыкновенным лучами в пределах 2π, т.е. для возникновения дополнительного фазового набега у обыкновенного луча, проходящего более длинный путь по первому кристаллу шпата при его повороте.
Недостатками известного устройства является сложность конструкции при эксплуатации, обусловленная наличием кюветы с иммерсионной жидкостью, снижающая точность измерений за счет деполяризация и рассеяния излучения на ней, а также обусловленная необходимостью дополнительной ручной настройки на минимум интерференционной картины для оценки степени пространственной когерентности.
Технической проблемой является повышение контраста интерференционной картины при измерении степени пространственной когерентности.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является повышение точности измерений степени пространственной когерентности интерферометром за счет обеспечения повышения контраста интерференционной картины. Повышение контраста обеспечивается за счет устранения рассеяния и деполяризации света, связанного с иммерсионной жидкостью, а также выполнением диафрагмы подвижной и введением фазового электрооптического модулятора, повышающего точность настройки на минимум интерференционной картины, при регистрации высокой степени пространственной когерентности.
Технический результат достигается за счет того, что интерферометр для измерения пространственной когерентности содержит последовательно расположенные первую призму Глана, первый кристалл исландского шпата, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оптической оси, а также с возможностью формирования обыкновенного и необыкновенного лучей, второй кристалл исландского шпата, размещенный так, что его оптическая ось перпендикулярна оси первого кристалла шпата, вторую призму Глана, выполненную с возможностью вращения вокруг оси исходного луча, диафрагму и регистрирующее устройство. При этом интерферометр содержит размещенный между вторым кристаллом исландского шпата и второй призмой Глана фазовый электрооптический модулятор. Кроме того, диафрагма интерферометра установлена на подвижном держателе с возможностью совмещения ее центра с необыкновенным или обыкновенным лучом.
В одной из реализаций заявляемого интерферометра первый кристалл исландского шпата и второй кристалл исландского шпата выполнены толщиной 20 мм.
Также в заявляемом интерферометре диафрагма может быть выполнена с диаметром отверстия не более 20 мкм.
4
Кроме того, фазовый электрооптический модулятор выполнен на основе кристалла титанил-фосфата калия KTiOPO (KTP) с возможностью изменения напряжения на нем.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется блок-схемой устройства на Фиг. 1, где позициями обозначены: 1 - лазерный источник света, 2 - первая призма Глана, 3 - первый кристалл исландского шпата, 4 - второй кристалл исландского шпата, 5 - вторая призма Глана, 6 - диафрагма, 7 - регистрирующее устройство, 8 - направление оптической оси первого кристалла исландского шпата, 9 -направление оси исходного луча от лазерного источника света, 10 - направление оптической оси второго кристалла исландского шпата, 11 - направление луча после прохождения первой призмы Глана, 12 - направление необыкновенного луча, 13 - направление обыкновенного луча, 14 - фазовый электрооптический модулятор.
Осуществление полезной модели
Полезная модель содержит последовательно расположенные лазерный источник света 1, первую призму Глана 2, первый кристалл исландского шпата 3 толщиной преимущественно 20 мм, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оптической оси 8, второй кристалл исландского шпата 4 толщиной преимущественно 20 мм, размещенный таким образом, что его оптическая ось 10 перпендикулярна оптической оси 8 первого кристалла шпата 3, вторую призму Глана 5, выполненную с возможностью вращения вокруг оси исходного луча 9, диафрагму 6 диаметром не более 20 мкм и регистрирующее устройство 7, работающее в режиме счета фотонов для обеспечения динамического диапазона измерения сигнала, и фазовый электрооптический модулятор 14. Наличие второго кристалла шпата 4 с оптической осью, перпендикулярной оси первого кристалла шпата такой же толщины, что и первый кристалл, исключает влияние временной когерентности и позволяет измерять степень пространственной когерентности между центром исходного пучка и его периферийными частями, расстояние между которыми определяется поворотом первого кристалла исландского шпата 3. Толщина кристалла шпата, необходимая для того, чтобы это расстояние было равно порядка 2 мм, т.е. чтобы оно превышало радиус луча лазерного генератора с устойчивым резонатором длиной ~1000 мм, должна быть не менее 20 мм. При этом диафрагма 6 установлена с возможностью совмещения своего центра с центром необыкновенного 12 или обыкновенного 13 луча. А фазовый электрооптический модулятор 14 выполнен с возможностью обеспечения достаточного сдвига по фазе между двумя интерферирующими лучами в пределах 0÷2π при длине модулятора порядка 10 мм в отсутствие при этом пьезоэлектрического эффекта.
Полезная модель работает следующим образом. Пучок света 9 от лазерного источника света 1 падает на первую призму Глана 2, в которой повышается степень поляризации пучка света 9, после чего пучок 11 поступает на первый кристалл исландского шпата 3. При этом первая призма Глана 2 зафиксирована под углом 45° относительно оптической оси 8 первого кристалла исландского шпата 3 для обеспечения выравнивания интенсивностей необыкновенного 12 и обыкновенного 13 лучей, выходящих из первого кристалла исландского шпата 3. В первом кристалле исландского шпата 3 за счет раздвоения пучка 11 формируются обыкновенный 13 и необыкновенный 12 лучи, примерно равной интенсивности, причем ось луча 11 перпендикулярна оптической оси 8. Первый кристалл исландского шпата 3 поворачивают на различные углы вокруг своей горизонтальной оптической оси 8 для формирования первоначального сдвига по фазе между необыкновенным 12 и обыкновенным 13 лучами. Лучи 12 и 13 падают на второй кристалл исландского шпата 4 с оптической осью 10 перпендикулярной оптической оси 8 первого кристалла исландского шпата 3. Второй кристалл исландского шпата 4 позволяет компенсировать фазовый сдвиг между обыкновенным 13 и необыкновенным 12 лучами и, благодаря этому, измерять пространственную когерентность светового излучения без влияния временной когерентности.
После второго кристалла исландского шпата 4 обыкновенный 13 и необыкновенный 12 лучи падают на фазовый электрооптический модулятор 14, проходя через который они попадают на вторую призму Глана 5, которую поворачивают вокруг оси пучка 9 на угол, обеспечивающий выравнивание интенсивности обыкновенного 13 и необыкновенного 12 лучей, интерферирующих после прохождения через нее. Располагающуюся следом диафрагму 6 смещают, например, с помощью микрометрической подачи в направлении, перпендикулярном оптической оси 8 первого кристалла исландского шпата 3 так, чтобы совместить центр диафрагмы 6 с необыкновенным 12 или обыкновенным 13 луча. Далее производят изменение напряжения на фазовом электрооптическом модуляторе 14 при одинаковой интенсивности интерферирующих лучей для обеспечения точной настройки на минимум и максимум интерференционной картины за счет сдвига по фазе между необыкновенным 12 и обыкновенным 13 лучами в пределах 0÷2π. Далее регистрирующее устройство 7 осуществляет режим счета фотонов в широком динамическом диапазоне измерения, что влияет на возможность регистрации высокой степени пространственной когерентности, т.е. когда минимум интерференционной картины на несколько порядков меньше максимума. Поскольку в системе отсутствует иммерсионная жидкость, то не возникают связанные с ней рассеяние и деполяризация света, при этом использование фазового электрооптического модулятора 14, выполненного на основе, например, электрооптического кристалла КТР, позволяет путем изменения напряжения на нем в пределах 0÷1100В прецизионным образом изменять фазовый сдвиг между интерферирующими лучами, что в совокупности позволяет повысить точность измерений.
Примеры реализации полезной модели
4
В примере конкретного выполнения заявляемого интерферометра толщина первого и второго кристаллов исландского шпата составляла 20 мм, диаметр отверстия диафрагмы составлял 10 мкм, фазовый электрооптический модулятор выполнен на основе кристалла титанил-фосфата калия KTiOPO (KTP).
Для демонстрации технического результата были проведены эксперименты по сравнению точности измерений степени пространственной когерентности между наиболее близким аналогом и заявляемым устройством.
В экспериментах, выполненных на основе схемы интерферометра для измерения пространственной когерентности, изложенной в Авторском свидетельстве СССР №421880, настройка на минимум и максимум интерференционной картины была произведена за счет ручной неоднократной настройки оператором угла поворота первого кристалла шпата. При этом максимальное значение степени пространственной когерентности составило γ=0,99997 излучения He-Ne лазера.
max
мин
max
мин
max
min
При проведении измерения степени пространственной когерентности заявляемым устройством первый кристалл исландского шпата поворачивали на различные углы вокруг своей горизонтальной оптической оси для получение различного смещения между обыкновенным и необыкновенным лучами. Для настройки минимума интерференционной картины подавали напряжение на фазовый электрооптический модулятор в пределах 0÷1100 В при апертуре фазового интерферометра модулятора 3 мм×3 мм, чем достигался сдвиг по фазе между двумя интерферирующими лучами 0÷2π. В соответствии с теоретическими расчетами, согласуемыми с экспериментом, точность измерения степени пространственной когерентности заявляемым устройством возросла на порядок и составила γ=0,999997. Исключение деполяризации и рассеяния излучения на иммерсионной жидкости, использование фазового электрооптического модулятора и выполнение перемещаемой диафрагмы позволило добиться большей точности, что согласуется с теоретическими расчетами степени пространственной когерентности γ = (I-I)/(I+I), где Iи I - максимум и минимум интерференционной картины.