DE2112811A1

DE2112811A1 - Verfahren und Anordnung zur Untersuchung von Lichtstrahlung auf Kohaerenz

Info

Publication number: DE2112811A1
Application number: DE19712112811
Authority: DE
Inventors: Daendliker Rene Dr Phil Nat; Mottier Francois Dr Phil Nat
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1971-02-23
Filing date: 1971-03-17
Publication date: 1972-08-31
Also published as: US3776636A; NL7202218A; CH529343A; GB1339368A; CA951142A; DE2112811C3; DE2112811B2; AT311087B; FR2126238A1; FR2126238B1

Description

20/71 LU Ao s

AKTIENGESELLSCHAFT BROWN BOVERI & CIE., BADEN (Schweiz)

Verfahren und Anordnung zur Untersuchung von Lichtstrahlung

auf Kohärenz.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur · Untersuchung von Lichtstrahlung auf Kohärenz.

Zur Untersuchung von Lichtstrahlung, insbesondere des Lichtes eines Lasers, auf Kohärenz, d.h. zur Bestimmung der Kohärenzzeit n bzw. der Frequenzbandbreite Ak>* 4 bzw. der Kohärenzlänge l=c -(c = Lichtgeschwindigkeit )der Strahlung, wird bisher das Fabry-Perot-Interferometer verwendet. Es besteht üblicherweise aus zwei Spiegeln höchster Qualität, deren Abrjtand variiert wird. Das durchtretende Licht wird in ein elektrischen Signal umgewandelt und auf einem Oszilloskop betrachtet. Diene Untersuchungnanordnung ist sehr aufwendig. Andererseits ist die Untersuchung der Kohärenz z.B. eines Lasers aber von grosser Wichtigkeit, da in vielen Laser-Anwendungen, 7. Ai. in dor Interfnrometr ir, dor Holographie usw., Licht nur einer einzigen Frequenz vor·.-/endet worden darf.

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Der zur Anwendung kommende Laser muss dann nur auf einem einzigen longitudinalen Mode emittieren.

Es ist Aufgabe, der Erfindung, ein einfaches Verfahren und eine billige Anordnung anzugeben, mittels welcher schnell und ohne besonderen Aufwand die Kohärenz von Lichtstrahlung untersucht werden kann. Insbesondere soll die Moden-Struktur einer Laser-Lichtquelle darauf geprüft werden, ob Schwingungen vorweigend nur eines longitudinalen Modes auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass Strahlenbündel der zu untersuchenden Lichtstrahlung an einem diffus streuenden Körper überlagert werden, und zwischen auf . dem gleichen Punkt des diffus "treuenden Körpers auftreffenden Strahlen Gangunterschiede Δ£ erzeugt werden, die im Bereich von null bis mindestens 0/2Av⁹ leigen, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und A* die Frequenzbandbreite der Lichtstrahlung ist, innerhalb welcher die Untersuchung durchgeführt werden soll.

Besonders vorteilhaft ist es, die Gangunterschiede Ä£ in dem genannten Untersuchungsbereich örtlich auf dem diffus streuenden Körper .zu variieren,.was beispielsweise dadurch erreicht wird, dass mittels Spieglen und Linsen zwei Teilbündel aus der zu untersuchenden Strahlung zueinander geneigt auf den diffus streuenden Körper geworfen werden.

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Wenn wie vorstehend angegeben verfahren wird, entsteht ein vom Auge nicht auflösbares Interferenzstreifenmuster mit Streifenbreiten von höchstens einigen Lichtwellenlängen, welches dem Beobachter einheitlich granuliert bzw. fleckig (vgl. Journal Opt. Soc.Am. 55 (1965), S.2*17 ff.; Schweizer Patent (Patent-Ges.793/70)) erscheint,

wenn die zu untersuchende Strahlung streng kohärent ist. Ist die Strahlung jedoch nicht streng hohärent, so erscheinen in dem Fleckenmuster Bänder, in welchen der Kontrast der Flecken stark reduziert ist. Die Breite b eines Bandes hohen Kontrastes ist mit der Kohärenzlänge 1 der zu untersuchenden Strahlung über die Formel

b = l_c / (sin Q^ + sin (^₂)

verbunden, wobei 0C_{1 2} Jeweils der Einfallswinkel des ersten bzw. zweiten Teilbündels bezüglich des diffus streuenden Körpers ist.

Wie ersichtlich, kann durch die Erfindung schnell und einfach nicht nur festgestellt werden, ob die Strahlung eines Lasers streng kohärent ist, sondern es kann darüber hinaus auch dessen Kohärenzlänge bzw. Kohärenzfunktion bestimmt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispeilen. Hierbei zeigt:

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Fig. 1 eine Anordnung, bei welcher zwei zueinander geneigte Strahlenbündel der zu untersuchenden Lichtstrahlung auf einem ebenen, diffus reflektierenden Körper überlagert' werden,

' Fig. 2 die bei nicht streng kohärenter Lichtstrahlung auf der Oberfläche des diffus reflektierenden Körpers erscheinenden Bänder hohen und reduzierten'Kontrastes in dem Fleckenmuster der diffus reflektierten, kohärenten Strahlung,

Fig. 3 eine Anordnung wie in Fig. 1, wobei jedoch der Gangunterschied Δ0- zwischen den zu überlagernden Strahlen zusätzlich durch ein verschiebbares Tripelprisma verändert werden kann, und

Fig. 4 eine Anordnung wie in Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die Spiegel und Linsen zur Ausleuchtung des diffus reflektierenden Körpers durch zwei weitere diffus reflektierende Körper ersetzt sind.

In Fig. 1 ist ein Laser 1 dargestellt, der ein Lichtbündel 2 aussendet, dessen Kohärenz untersucht werden soll. Das Lichtbündel 2 wird mittels eines Strahlteilers 3 in zwei Teilbündel 4,5 vorzugsweise gleicher Intensität aufgespalten. Die Teilbündel 4,5 werden über Spiegel 6,7 umgelenkt und mittels Linsen 8,9 zu divergenten Bündeln 10, 11 erweitert, so dass ein diffus reflektierender Körper 12, beispielsweise eine, matt weissgestrichene, gesandstrahlte oder ähnlich behandelte , Metallscheibe, auf seiner Oberfläche ausgeleuchtet wird.

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Die divergenten Bündel 10; 11 treffen auf dem Körper 12 unter rinn mittleren Einfallswinkeln 0^₁ und (X₂ auf. Der Körper 12 wird durch einen Beobachter 18 visuell, oder auch mittels eines foto-optischen Systems, beobachtet.

Der diffus reflektierende Körper 12 kann auch ganz einfach durch festes, weisses Papier gebildet werden. Statt des diffus reflektierenden kann auch ein diffus streuender durchsichtiger Körper, z.B. eine Mattglasscheibe, vorgesehen werden.Die Mattglasscheibe kann in Aufsicht oder Durchsicht betrachtet werden,' in welch letzterem Fall also der Beobachter 18 in Fig. 1 etwa zwischen dem Laser 1 und dem Körper 12 angeordnet zu denken wäre.

Die auf denselben Punkt des Körpers 12 auftreffenden Strahlen der zueinander geneigten divergenten Bündel 10,11 wei- ' sen von der örtlichen Lage auf dem Körper 12 abhängig veränderliche Gangunterschiede htauf. Dadurch entsteht in bekannter Weise ein vom Auge nicht auflösbares Inerferenzstreifenmuster, bei welchem die Streifenbreite 6 °& c/V · (sind o< ι ⁺ siⁿ Oi 2^ > ^m^^t ^ ^{= Prec}l^{uenz der} Laserstrahlung.

In Fig. 2 ist die Oberfläche des Körpers 12 dargestellt, wie sie dem Beobachter 18 erscheint. Solange die Laserstrahlung streng kohärent ist, also Av - 0, erscheint der Körper 12

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dem Beobachter 18 einheitlich granuliert bzw. fleckig wie im Feld 17. Ist jedoch Δν^Ο, emittiert der Laser 1 also beispielsweise zwei Frequenzen V?, und VU, so dass Av=jl^-V_z ( , so ergeben sich bei 13, I**, 15 Bänder hohen, und dazwischen Bänder reduzierten Fleckenkontrastes, wie im Feld 16 angedeutet. . ·

Maximaler Kontrast herrscht dort, wo für den Gangunterschied At zwischen den auf demselben Punkt auftreffenden Strahlen gilt: Λ &> = η · c/Λ ν», , mit η = ganze Zahl. In Fig. 1 und Fig. 2 ist das Kontrastmaximum für Δ ν = 0 mit 13 bezeichnet. Die Maxima 14, 15 in Fig. 2 ergeben sich für A<£ = c/AV und 2 ο/Λν> . Die dazwischen liegenden Kontrastminima ergeben sich für

Eine Erklärung für die von der Kohärenz abhängige Kontraständerung kann darin gesehen werden, dass die Streifenbreiten Q der Interferenzmuster von der Frequenz p> der erzeugenden Lichtstrahlung abhängig sind. Durch die geneigten, sich auf dem diffus reflektierenden Körper 12 überlagernden Strah lenbündel 10, 11 ergibt sich für die Frequenz \?_Λ ein Interfe renzmuster der Streifenbreite O₄ , und für die Frequenz U ein Interferenzmuster der Streifenbreite O ₀. Diese beiden " Muster fallen für Punkte ;ύ<2= n.c/4v> bezüglich ihrer Maxima aufeinander, wodurch sich für das Fleckenmuster maximaler Kontrast ergibt. In Punkten mit Δ #= —~- · c/A\? sind jedoch die Muster um eine halbe Streifenbreite gegeneinander verschoben, so dass für jede Wellenlänge unterschied-

/ Ό

liehe Fleckenmuster entstehen, was sich bei Ueberlagtferung derselben in einer Reduktion des Kontrastes bemerkbar macht. Für mehr als zwei Frequenzen pro Laserlinie entsteht analog . eine Ueberlagerung von mehreren verschiedenen Fleckenmustern. Der Kontrast ist dann hoch für Gangunterschiede ,Af C 1 _, und niedrig für die Gebiete mit A^V 1_Λ.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann beispielsweise zur Untersuchung eines Argon-Ionen-Lasers dienen, bei dem die Frequenzbandbreite/Jv in der Grössenordnung yStfsrJ'lO Hz liegt. Der Gang-unterschied, bei welchem das erste Kontrastminimum auftritt, ist dann Ä£* 5 cm. Bei mittleren Einfallswinkeln (X₁J₂ = 3Ö° der zueinander geneigten, divergenten Strahlen- · bündel 10,11 wird dann die grösste Längenausdehnung L (Fig.2) des diffus reflektierenden Körpers 12 vorteilhaft mehr als etwa 20 cm betragen. Die Bündeldivergenz kann z.B. etwa 45 » der Abstand zwischen den Linsen 8, 9 und dem Körper 12 z.B. etwa 20 cm sein. Wenn der Laser auf zwei diskreten Linien emittiert und somit die Bänder sich periodisch Über die Oberfläche des Körpers 12 verteilen, sind mit dem angegebenen Wert fürLdann mindestens zwei Kontrastmaxima (13,1^,15) und mindestens zwei Kontrastminima erkennbar.

Damit der Fleckenkontrast besser sichtbar wird, ist gemäss Fig. 2' ausser dem Feld 16, das in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit zwei zueinander geneigten» divergenten Lichtbündeln 10, 11 beleuchtet wird, auf der Oberfläche des Körpers 12 noch

/Obis

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ein Feld 17 vorgesehen, das sein Licht nur von einer einzigen Quelle auffängt. Zweckmässigerweise wird zur Erzeugung des Feldes 17 ein Bündel 10 oder 11 durch eine geeignete Maske in seinem oberen Teil abgedeckt, so dass nur entweder Bündel 10 oder Bündel 11 das Feld 17 ausleuchtet.. Da dann im Feld 17 keine Kontraständerungen der oben beschriebenen Art auftreten können, kann die Güte der Kohärenz der Laserstrahlung in einfacher Weise dadurch festgestellt werden, dass geprüft wird, ° er Kontrast im Fleckenmuster der Oberfläche des Körpers ™ 12 überall gleich ist wie im Feld 17, oder aber, ob Kontrastminima auftreten. In ersterem Fall ist die Laserstrahlung monofrequent bzw. streng kohärent, im zweiten Fall ist sie

es nicht."

Zu erwähnen ist noch, dass die Kontrastminima nur dann örtlich periodisch auftreten, wenn der Laser auf zwei oder auch mehr diskreten Linien emittiert. Ist das Frequenzspektrum hingegen kontinuierlich, so nimmt der Kontrast von einem Maximum bei &@ -aus stetig bis zu einem Minimum ab. Auch hier gilt jedoch, dass die Breite b des Streifens höheren Kontrastes mit der Kohärenzlänge £ über die oben erwähnte Formel verknüpft ist. Zur unmittelbaren Messung der Kohärenzlänge £ ^s c/AlV durch

C ·

Messung der Breite b eines Bandes mit hohem Kontrast ist auf dem streuenden Körper 12 ein Massstab 2^4 vorgesehen, der vom Beobachter 18 gleichzeitig mit der beleuchteten Oberfläche des Körpers 12 erkennbar ist.

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In Pig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die vorteilhaft dort zur Anwendung kommt, wo die erwarteten Frequenzunterschiede in der Grössenordnung Äl> = 10 - 10 .Hz liegen. Dies ist z.B. beim He-Ne-Laser der Fall. Um hier ein ganzes Band hohen Kontrastes auf dem Körper 12 zu erzeugen, müsste dessen grösste Längenausdehnung L bei etwa 1 m liegen. Um dies zu vermeiden, ist ein Tripelprisma 19 vorgesehen, das z.B. in die Position 19' verschoben werden kann. Dadurch wird die Lichtweglänge der Strahlen des Bündels 4-10 verändert; entsprechend ändern sich dann die Gangunterschiede Δ0 der auf demselben Punkt des Körpers 12 auftreffenden Strahlen, so dass die Bänder maximalen bzw. minimalen Kontrastes bei Bewegung des Tripelprismas 19 sich über den Körper 12 hinweg bewegen. Wie ersichtlich, verursacht eine Bewegung des Tripelprismas 19 in der dargestellten Weise um eine Wegstrecke s einen Gangunterschied 4e= 2 s. Durch mehrfache Faltung des optischen Weges, also etwa durch Anordnung mehrer Reflektoren, kann bei gleicher mechanischer Wegänderung s eine mehrfache optische Wegänderung A4. erreicht werden. Statt des einen·Spiegels 6 in Fig. 1 sind bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform zwei Spiegel 6a und 6b vorgesehen. Zur Messung des Bewegungsweges s des Tripelprismas bzw. etwaiger anderer Reflektoren zwecks Bestimmung des Gangunterschiedes iH und damit der Kohärenzlänge 1 ist hier ein Massstab 25 vorgesehen.

In Fig. 4 werden die Teilbündel 4,5, die wie in Fig. 1 oder 3 erzeugt sein können, an zwei weiteren diffus streuenden Kör-

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pern 20,21, z.B. mättweiss gestrichenen Metallflächen oder weissem Papier auf den Körper 12 hin gestreut.Bei dieser Anordnung werden die optisch klaren Elemente 6,6a,6b, T, und 9 eingespart. Der Körper 12 wird mit Strahlenbünd-.eln 22, 23 ausgeleuchtet. Der zu beobachtende Effekt ist der gleiche wie bei den Anordnungen gemäss Fig. 1 und Fig. 3.

Aus dem letztgenannten Beispiel ergibt sich auch, dass es für den erfindungsgemässen Erfolg im Rahmen der angestrebten " Genauigkeiten ohne Bedeutung ist, ob der diffiß streuende Körper 12 mit divergenten oder parallelen Lichtstrahlenbündeln beleuchtet wird.

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Claims

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•Patentansprüche

'1.}Verfahren zur Untersuchung von Lichtstrahlung auf Kohärenz, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlenbündel (10,11; 22,23) der zu untersuchenden Lichtstrahlung an einem diffus streuenden Körper (12) überlagertvwerden, und zwischen auf dem gleichen Punkt (z.B. 13) des diffus streuenden Körpers (12) auftreffenden Strahlen Gangunterschiede L(L erzeugt werden, die im Bereich von null bis mindestens c/2Av> liegen, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und A\J die Frequenzbandbreite der Lichtstrahlung ist, innerhalb·'welcher die Untersuchung durchgeführt werden soll.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem diffus streuenden Körper (12) örtlich veränderliche Gangunterschiede im Bereich von null bis mindestens c/2^fy erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem diffus streuenden Körper (12) zeitlich veränderliche Gangunterschiede im Bereich von null bis mindestens c/2Ay erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich veränderlichen Gangunterschiede auf dem duffus streuenden Körper (12) auch örtlich veränderlich gemacht werden.

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5· Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 2 oder 4, wobei d;Le zu untersuchende Lichtstrahlung das Lichtbündel eines Lasers ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6,6a,6bJ; 20, 21) vorgesehen sind, mittels welcher zwei Teilbündel (10,11; 22,23) des Laser-Lichtbündels (2) zueinander geneigt auf den diffus streuenden Körper (12) geworfen werden, und dem derart beleuchteten Körper (12) ein optisches Beobachtungssystem (18) zugeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung und Leitung von Teilbündeln (10,11) optisch klare Elemente (3,6,6a,7,8,9) vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Lichtbündel (1) Über einen optischen Strahlenteiler (3) in zwei Teilbündel (4,5) vorzugsweise gleicher Intensität aufgespalten wird, und die beiden Teilbündel (4,5) über Umlenkspiegel (6,6a,6b,7)und Linsen (8,9) auf den diffus streuenden Körper (12) geworfen werden.
8. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,dass die zwei Teilbündel (22,23) auf den diffus streuenden Körper (12) mittels zweier weiterer diffus streuender Körper (20,21) geworfen werden.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbündel'(10,11) derart zueinander geneigt und derart er- ' weitert sind, dass die vorzugsweise ebene Oberfläche des diffus

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streuenden Körpers, deren grösste Längenausdehnung (L) mindestens c/2Atf , vorzugsweise aber mehr als 2c/Δ^ beträgt, von beiden Teilbündeln (10,11) ganz ausgeleuchtet wird.
10. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeuguung der erforderlichen Gangunterschiede im Weg eines Teilbündels (4) mindestens ein Reflektor, vorzugsweise ein Tripelprisma (19), vorgesehen ist, durch dessen Bewegung die Lichtweglänge des Teilbündels (4,10) bis zum diffus streuenden Körper (12) veränderbar ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass ausser dem mit den zwei überlagerten Teilbündeln (10,11; 22,23) beleuchteten ersten Feld (16) des diffus streuenden Körpers (12) ein zweites, vorzugsweise an das erste anschliessende Feld (17) vorgesehen ist, das nur mit einem Lichtbündel beleuchtet wird.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, dass der beleuchteten Fläche des diffus streuenden Körpers (12) ein deren Dimensionen vermessender, vom Beobachtungssystem (18) gleichzeitig mit dieser erkennbarer Massstab (24) zugeordnet ist·
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekenn-

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zeichnet, dass dem bewegbaren Reflektor (19) ein dessen Bewegungsweg vermessender Massstab (25) zugeordnet ist.

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