СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ОТРАЖЕННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОТРАЖЕННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF DETECTING REFLECTED LASER RADIATION AND APPARATUS FOR DETECTING REFLECTED LASER RADIATION

Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано в микроскопии, локации, навигации при регистрации интенсивности отраженного лазерного излучения, а также при определении коэффициентов отражения и поглощения различных объектов.
Известен способ регистрации слабого отраженного лазерного излучения [1] по девиации частоты биений двухмодового лазера, согласно которому генерируют двухмодовое излучение лазера, направляют его на исследуемый объект и получают отраженное от исследуемого объекта лазерное излучение, которое детектируют по изменению частоты межмодовых биений. Способ используется при регистрации излучения, рассеянного от удаленных диффузных отражателей.
Известное устройство, реализующее способ [1], содержит газовый лазер с двумя выходами, отражающие зеркала, клиновидные фазоанизотропные пластины, первый и второй поляризатор, пьезокерамический движитель, звуковой генератор, фотодиод, частотный и синхронный детектор и стеклянный ослабитель. Детектирование частотно-модулированного сигнала осуществляется частотным детектором. Сигнал на частоте модуляции измеряется частотным детектором, опорный сигнал на который поступает со звукового генератора. Биения мод в выходном излучении через зеркало регистрируются с помощью второго поляризатора и фотодиода.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является известный способ регистрации малых колебаний объектов с использованием внутрирезонаторного приема излучения двухмодового газового лазера [2], основанный на генерации двухмодового излучения лазера, направлении его на исследуемый объект и получении отраженного от исследуемого объекта лазерного излучения, которое детектируют по изменению частоты межмодовых биений.
В известном способе используется излучение двухмодовых газовых лазеров для бесконтактного дистанционного измерении малых колебаний поверхностей объектов. При этом излучение одной из мод служит в качестве опорного, а другой - в качестве зондирующего сигнала. Излучение лазера, работающего в режиме генерации двух линейно и ортогонально поляризованных мод, проходило через поляризатор, выделяющий излучение одной из мод, и телескопическую систему. Отразившись от колеблющейся поверхности объекта, излучение на частоте, смещенной из-за эффекта Доплера, возвращалось через телескопическую систему и поляризатор обратно и попадало внутрь резонатора лазера. При малом уровне возвращенного сигнала он не вносил искажений в режим генерации лазера, и поэтому излучение с другого выхода лазера содержало составляющие на частотах генерируемых мод и отраженного сигнала соответственно. Это излучение проходило через поляризатор, установленный под углом 45° к направлениям поляризации мод и поступало на фотоприемник, сигнал с которого направлялся для регистрации через усилитель на частотный детектор и затем на анализатор спектра.
Недостатком известных способов [1 и 2] является недостаточная чувствительность при регистрации отраженного лазерного излучения.
1
2
12
2
1
Технический результат, заключающийся в повышении чувствительности, достигается в предлагаемом способе регистрации отраженного лазерного излучения, заключающемся в генерации двухмодового излучения лазера, направлении его на исследуемый объект и инжекции отраженного от исследуемого объекта излучения внутрь лазера, тем, что формируют результирующее лазерное излучение, при этом двухмодовое лазерное излучение с частотами ν и ν формируют с расщеплением ν=ν-ν в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц, модулируют расстояние D между лазером и исследуемым объектом, задают указанное расстояние в соответствии с условием
12
D≠(c/2ν)k,
где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), c - скорость света,
а по зарегистрированному результирующему лазерному излучению судят о характеристиках исследуемого объекта.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что расщепление задают в соответствии с условием
12
b
1
b
2
b
2
-1
ν=γ[1+K(γ/γ)+K(γ/γ)],
b
где γ - спектральная ширина верхнего квантового уровня лазерного перехода,
γ - спектральная ширина линии лазерного перехода,
1
K=0,1-0,8 - коэффициент учета квантовых чисел уровней лазерного перехода,
2
K=0,01-0,1 - коэффициент учета активной среды лазера.
1
2
а
Вместе с тем технический результат достигается тем, что между инжектируемыми в лазер модами с частотами ν и ν обеспечивают сдвиг фаз φ в соответствии с условием
а
12
φ=π[n-4Dν/c],
где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число;
а
1
2
а также тем, что сдвиг фаз φ между инжектируемыми внутрь лазера модами с частотами ν и ν модулируют в соответствии с условием
а
12
а
φ=4πDν/c+φ+δφ(t),
где δφ(t) - переменная составляющая сдвига фаз.
Известно устройство для регистрации отраженного лазерного излучения [3] - лазерный проекционный микроскоп, содержащий установленные соосно объектив и лазерный усилитель. В устройство введены система регистрации изображения, выполненная в виде связанной с компьютером телевизионной камеры, и оптический затвор, установленный между предметом и лазерным усилителем с возможностью последовательного открытия и закрытия синхронно с частотой кадров телевизионной камеры.
Известно также устройство [4] для регистрации отраженного лазерного излучения - лазерный сканирующий микроскоп, содержащий источник лазерного излучения, на пути следования луча которого последовательно установлены светоделительный элемент, сканирующая система с двумя зеркальными дефлекторами и объектив, а на пути следования луча, отраженного от исследуемого образца и светоделительного элемента, размещен приемник излучения с системой обработки сигнала, при этом перед светоделительным элементом установлен преобразователь плоскополяризованного луча в луч с круговой поляризацией, а между светоделительным элементом и сканирующей системой размещен лучеразводящий элемент, преобразующий входной пучок излучения в два пучка с ортогональными направлениями поляризации и пространственным смешением, при этом в качестве приемника излучения применен измеритель мощности компонент скрещенных поляризаций излучения.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому устройству регистрации отраженного лазерного излучения по составу оборудования и взаимосвязям между функциональными блоками и элементами является известное устройство, описанное в источнике информации [1], содержащее двухмодовый лазер, подключенный к блоку питания и связанный через оптическую систему с объектом исследования, фазоанизотропный и поляризационные элементы, генератор переменных сигналов, фотоприемники, например, охлаждаемый фотодиод, частотный детектор и анализатор спектра, выполняющий функции блока регистрации лазерного излучения.
Управляющие элементы в известном устройстве также присутствуют, но не отражены на схеме рис.1 [2]. Поэтому функции регистрации и управления возложены на фактически присутствующий в схеме известного устройства блок управления и регистрации лазерного излучения (на чертеже не показан, так же, как и блок питания лазера).
Недостатком известных устройств [2, 3 и 4] является недостаточная чувствительность при регистрации отраженного лазерного излучения.
Технический результат, заключающийся в повышении чувствительности, достигается в предлагаемом устройстве для регистрации отраженного лазерного излучения, содержащем двухмодовый лазер, подключенный к блоку питания и связанный через оптическую систему с объектом исследования, фазоанизотропный и поляризационные элементы, генератор переменных сигналов, фотоприемники, частотный детектор и блок управления и регистрации лазерного излучения, тем, что он содержит блок управления фазоанизотропным элементом, светоделительный элемент, формирователь постоянной составляющей и последовательно соединенные усилитель сигнала на частоте модуляции и амплитудный детектор, при этом один из выходов лазера оптически связан через фазоанизотропный элемент с упомянутой оптической системой, а другой выход оптически связан с входом светоделительного элемента, один из выходов которого оптически связан через один из поляризационных элементов с первым фотоприемником, выход которого подключен ко входу усилителя сигнала на частоте модуляции, а другой выход светоделительного элемента оптически связан через другой поляризационный элемент с вторым фотоприемником, подключенным ко входу частотного детектора, выход которого соединен с первым входом блока управления и регистрации лазерного излучения, второй вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, при этом третий и четвертый входы блока управления и регистрации лазерного излучения соединены соответственно с первыми выходами генератора переменных сигналов и формирователя постоянной составляющей, вторые выходы которых подключены к входам блока управления фазоанизотропным элементом, связанным с фазоанизотропным элементом.
Достижение указанного технического результата обеспечивается также тем, что фазоанизотропный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора или в виде сканера.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит двухмодовый лазер 1, один из выходов которого оптически связан через фазоанизотропный элемент 2 и оптическую систему 3 к объекту исследования 4. Другой выход лазера 1 оптически связан со входом светоделительного элемента 5, один из выходов которого оптически связан через один из поляризационных элементов 6 с первым фотоприемником 7, выход которого подключен ко входу усилителя 9 сигнала на частоте модуляции. Другой выход светоделительного элемента 5 оптически связан через другой поляризационный элемент 6 со вторым фотоприемником 8.
Выход усилителя 9 подключен ко входу амплитудного детектора 10, а выход фотоприемника 9 - к входу частотного детектора 11.
Устройство содержит также блок 12 питания лазера 1, блок 13 управления фазоанизотропным элементом, связанный с фазоанизотропным элементом 2. Входы блока 13 управления фазоанизотропным элементом соединены с первыми выходами формирователя 14 постоянной составляющей и генератора 15 переменных сигналов.
Выходы амплитудного детектора 10, частотного детектора 11, формирователя 14 постоянной составляющей и генератора 15 переменных сигналов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 16 управления и регистрации лазерного излучения.
Фазоанизотропный элемент 2 выполнен в виде электрооптического модулятора или в виде сканера.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
В прототипе на исследуемый объект направлялось излучение только одной из двух генерируемых лазером мод. Отраженное от объекта излучение этой одной моды инжектировалось внутрь лазера. Поскольку моды во всех двухмодовых реализациях имеют ортогональные поляризации, то в устройствах для этого устанавливается поляризатор, пропускающий только одну моду. В таком случае нельзя достичь максимальной чувствительности приема отраженного сигнала. Прием будет оптимальным, если направить на объект излучения обеих мод и их же, после отражения, инжектировать внутрь лазера. При этом в результате проведенных исследований было установлено, что для получения максимальной чувствительности приема, необходимо, чтобы частотное расщепление между модами находилось в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц и задавалось в соответствии с приведенными выше условиями, а разность фаз между отраженными от объекта излучениями мод, которые будут инжектироваться внутрь лазера, устанавливалась равной 180°.
Кроме того, в известных технических решениях полезная информация извлекается на частоте модуляции оптического расстояния от лазера до объекта. Для этого модулируется (в небольших пределах - несколько длин волн) геометрическое расстояние от лазера до объекта путем сканирования объекта (обычно это зеркало) с помощью пьезокерамики, к которой приклеено зеркало и на которую подается, обычно, сигнал от звукового генератора. На практике так сделать не всегда получается, так как объект может быть недоступен. Чтобы преодолеть эту трудность, в предлагаемом техническом на управляемый фазоанизотропный элемент подается переменный сигнал на частоте модуляции наряду с постоянным сигналом, необходимым для получения сдвига фаз на уровне 180°.
В предлагаемом способе последовательность операций над лазерным излучением осуществляется в следующем порядке:
- генерируют двухмодовое излучение лазера;
- направляют его на исследуемый объект;
- инжектируют отраженное от исследуемого объекта излучение внутрь лазера и получают результирующее лазерное излучение.
1
2
12
2
1
Двухмодовое лазерное излучение с частотами ν и ν формируют с расщеплением ν=ν-ν в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц и модулируют расстояние D между лазером и исследуемым объектом, задают указанное расстояние в соответствии с условием
12
D≠(c/2ν)k,
где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), с - скорость света.
По зарегистрированному результирующему лазерному излучению судят о характеристиках исследуемого объекта (например, при лазерной микроскопии).
12
При этом расщепление ν задают в соответствии с условием
12
b
1
b
2
b
2
-1
ν=γ[1+K(γ/γ)+K(γ/γ)],
b
где γ - спектральная ширина верхнего квантового уровня лазерного перехода,
γ - спектральная ширина линии лазерного перехода,
1
K=0,1-0,8 - коэффициент учета квантовых чисел уровней лазерного перехода,
2
K=0,01-0,1 - коэффициент учета активной среды лазера.
1
2
а
Одновременно с этим между инжектируемыми в лазер модами с частотами ν и ν обеспечивают сдвиг фаз φ в соответствии с условием
а
12
φ=π[n-4Dν/c],
где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число.
а
1
2
При этом сдвиг фаз φ между инжектируемыми внутрь лазера модами с частотами ν и ν модулируют в соответствии с условием
а
12
а
φ=4πDν/c+φ+δφ(t),
где δφ(t) - переменная составляющая сдвига фаз.
Предлагаемое устройство для регистрации отраженного лазерного излучения работает следующим образом.
1
2
12
2
1
При включении питания от блока 12 лазер 1 генерирует излучение с частотами ν и ν, формируют с расщеплением ν=ν-ν в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц.
12
В левой части устройства (относительно лазера 1) на чертеже показаны функциональные элементы (2, 3, 13-15) устройства, предназначенные для формирования отражения и инжекции излучения внутрь лазера. Формирователь постоянной составляющей 14, генератор 15 переменных сигналов 15 и блок 13 управления фазоанизотропным элементом 2 обеспечивают работу этого элемента в необходимом режиме (модуляцию расстояния D между лазером 1 и исследуемым объектом 4 в соответствии с условием D≠(c/2ν)k, где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), c - скорость света.
В правой части устройства показаны функциональные узлы и элементы (5-11) устройства, предназначенные для регистрации информативного сигнала и контроля над спектром излучения. Блок 16 предназначен для формирования управляющих сигналов и приема информационных сигналов и их обработки и регистрации.
Как известно, величина и знак изменения интенсивности поля в лазере зависят от соотношения фаз инжектируемого и генерируемого излучений. Интенсивность возрастает (уменьшается), если на расстоянии от выходного зеркала до внешнего отражателя (объекта исследования 4) и обратно укладывается нечетное (четное) число полуволн. Поэтому при сканировании объекта 4 с помощью пьезокерамического фазоанизотропного элемента 2 в интенсивности лазера 1 от времени будет присутствовать переменная составляющая. В случае двухчастотной генерации переменные составляющие будут присутствовать в поведении интенсивностей обоих полей (мод). Управляемый фазоанизотропный элемент 2, установленный между лазером 1 и исследуемым объектом 4, обеспечивает сдвиг фаз между излучениями мод в соответствии с выражениями:
а
12
φ=ν[n-4Dν/c], где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число или
а
12
а
φ=4νDν/c+φ+δφ(t), где δφ(t) - переменная составляющая сдвига фаз.
Оптический спектр контролировался с помощью блока 16. Информативным являлся периодический во времени сигнал в поведении интенсивности мод, обусловленный обратным отражением. Этот сигнал поступал через светоделительный элемент 5 и поляризационный элемент 6 на вход первого фотоприемника 7 и далее через усилитель 9 и амплитудный детектор 10 на соответствующий информационный вход блока 6 и регистрировался. Поляризационный элемент 6, расположенный перед фотоприемником 7, предназначен для выделения излучения с заданной поляризацией, а также с целью снижения спонтанной засветки.
Другая часть результирующего излучения с правого выхода лазера 1 поступала через светоделительный элемент 5 и другой поляризационный элемент 6 на вход второго фотоприемника 8 и далее через частотный детектор 10 на другой информационный вход блока 6 управления и регистрации лазерного излучения.
В блоке 6 регистрировалось результирующее двухчастотное лазерное излучение, по которому можно судить о характеристиках исследуемого объекта (например, при лазерной микроскопии).
Ниже приводятся два примера экспериментальной реализации.
Пример №1
Измерения по определению предельной чувствительности приема отраженного излучения были выполнены с гелий-неоновым лазером на длине волны λ=0,63 мкм, непрерывно генерирующим две моды с линейными ортогональными поляризациями. Длина двухзеркального резонатора лазера была равна L=30 см. Активная среда (разрядная трубка) герметизировалась одним из зеркал резонатора и окошком, ориентированным перпендикулярно относительно оси лазера (на чертеже не показаны). Внутрь резонатора был введен клин из кристаллического кварца (на чертеже не показан). Из-за неадекватности оптических длин для волн с разными поляризациями эквидистантный спектр продольных мод резонатора расщепляется на два спектра, отвечающих линейным ортогональным поляризациям. Частотный интервал между соседними расщепленными частотами определяется выражением:
12
e
o
12
-1
ν=c(Lλ)ΔNd, где c - скорость света, d - толщина клина в месте пересечения его лучом лазера, ΔN=N-N - разность показателей преломления кристаллического кварца. Таким образом, перемещение клина в направлении, перпендикулярном оси лазера, позволяло регулировать частотный интервал между генерируемыми полями в диапазоне от 0 до c/2L. Учитывая, что режим жесткой связи между модами у используемого лазера наступает при расщеплении 24 МГц, величина ν была выбрана равной 24,8 МГц. С целью снижения потерь поверхности окошка и клина имели высококачественное просветление на длину волны генерации.
Пример №2
Во втором примере реализации использовался лазер такого же типа, но непрерывно генерирующий две моды с круговыми ортогональными поляризациями. Разрядная трубка лазера герметизировалась зеркалами при L=12,5 см. Лазер находился в соленоиде (зеркала и соленоид на чертеже не показаны). Напряженность продольного магнитного поля регулировалась током через соленоид. При наложении магнитного поля на активную среду лазера линия атомного перехода расщеплялась на две компоненты из-за эффекта Зеемана. Вследствие эффекта затягивания на центры этих компонент частота генерации расщеплялась на две частоты (или моды) с круговыми ортогональными поляризациями.
Схемы экспериментальных установок были идентичными в обоих примерах реализации и выполнены в соответствии с приведенной блок-схемой. Модуляция расстояния от лазера до отражателя осуществлялась путем сканирования отражателя с помощью пьезокерамического элемента 2.
-9
-13
Информативным являлся периодический во времени сигнал ΔI на частоте 2 кГц в поведении интенсивности одной из излучаемых лазером мод. Этот сигнал принимался фотоприемником 7 (фотоэлектронным умножителем ФЭУ-51) и поступал на усилитель 9 (измерительный узкополосный усилитель У2-6 в полосе 120 Гц) и далее в блок 16. Наилучший результат получается при использовании лазера, генерирующего моды с ортогональными линейными поляризациями, режим генерации которого был близок к режиму жесткой конкуренции мод. Минимальный уровень регистрируемого сигнала соответствует ослаблению аттенюаторами 2·10, что при мощности выходного излучения лазера 150 мкВт соответствовало 3·10 Вт с учетом пропускания выходного зеркала лазера (1,4%) и частоты модуляции (2 кГц) для формирования одного периода информативного сигнала на уровне предельной чувствительности требуется 7 фотонов, что существенно превышает чувствительность известных устройств.
Полученный результат может быть улучшен при регистрации информативного сигнала в более узкой полосе, а также при использовании мер по снижению шума лазерного излучения.
Предложенный способ и устройство реализованы на современных технических средствах лазерной техники с использованием стандартных оптических средств и средствах аналоговой и цифровой вычислительной техники.
Источники информации
1. «Квантовая электроника», 18, №3, 1991 г., с.391-393.
2. «Квантовая электроника», 18, №5, 1991 г., с.653-654.
3. Патент РФ №2144204, МКл. G02B 21/00, 1996.11.14.
4. Патент РФ №2285279, МКл. G02B 21/00, 2005.01.21.