RU1775622C - Дисперсионный интерферометр - Google Patents

Abstract

Использование: в технике интерферо- метрических измерений дл  диагностики плазмы и в оптической промышленности Сущность: в дисперсионный интерферометр , содержащий два нелинейных оптических удвоител  частоты, расположенных на одной оптической оси на рассто нии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, дополнительно по ходу луча вводитс  светоделитель и задаетс  взаимна  ориентаци  элементов, обеспечивающа  независимую генерацию волн второй гармоники в каждом из удвоителей частоты и последующую интерференцию этих волн в ортогональных пол ризаци х. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  измерени  дисперсионной части показател  преломлени  фазового объекта и может быть использовано в оптической промышленности и дл  диагностики плазмы .

Известны интерферометры дл  диагностики плазмы, работающие одновременно на двух и более длинах волн 1

Известны также интерферометры 4, обладающие р дом существенных преимуществ:во-первых , в них непосредственно измер етс  дисперсионный вклад в показатель преломлени  (в плазме он определ етс  электронами), а не вычисл етс  как разность двух больших величин; во-вторых, они обладают меньшей чувствительностью к паразитным вибраци м оптических элементов. Такие интерферометры называют дисперсионными.

В качестве прототипа выбран дисперсионный интерферометр 2, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник

излучени  с частотой (У, два нелинейных оптических удвоител  частоты на рассто нии , обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, светофильтр и регистрирующее устройство.

Возможен вариант выполнени  интерферометра , согласно которому после первого нелинейного элемента, на рассто нии, обеспечивающем размещение исследуемого объекта, перпендикул рно оптической оси расположено плоское зеркало.

Схема устройства включает в себ  источник излучени  с частотой ш, первый нелинейный элемент, после которого размещены исследуемый объект, второй нелинейный элемент, светофильтр и регистрирующее устройство.

Во втором варианте за исследуемым объектом по ходу луча установлено зеркало, полупрозрачное зеркало, светофильтр и регистрирующее устройство.

Регистрирующее устройство в 2 представл ет собой объектив и регистрирующий

t/

С

VI VI ел о ю го

материал. Возможна фотоэлектрическа  регистраци  как в 3, 5, где объектип и регистрирующий материал замен етс  фотоприемником.

Работа устройства по первому варианту осуществл етс  следующим образом, При освещении интерферометра лазерным излучением с частотой ftXj часть этого излучени  преобразуетс  в излучение гармоники с частотой (У2 1щ в первом нелинейном элементе. Таким образом, исследуемый обьект просвечиваетс  двум  длинами волн AI и А2 с частотами щ и У2 При прохождении через второй нелинейный элемент частота Uf частично преобразуетс  в длину волн Л/ с частотой . Светофильтр обрезает излучение основной частоты. Следу  описанию, приведенному в 2, на выходе интерферометра остаютс  две длины волны -А2 и Аг излучени  гармоники, одна из которых { Аа) преобразована из wi до прохождени  через объект, а втора  ( Аг ) после прохождени  через него. Картина интерференции этих двух волн регистрируетс  в плоскости изображени  объекта, образованного объективом.

Согласно второму варианту излучение с частотой wi, освещающее интерферометр, частично преобразуетс  в излучение с частотой иц-1(й при первом прохождении через удвоитель частоты. Объект просвечиваетс  двум  волнами AI иА2 с частотами и й2, однако, кажда  из этих волн в результате отражени  от зеркала второй раз проходит через исследуемый объект и удвоитель частоты, при вторичном прохождении через удвоитель частоты волна AI с частотой од преобразуетс  в волну Аг с частотой 0)2. После отражени  от полупрозрачного зеркала излучение основной частоты срезаетс  фильтром. Следу  описанию, приведенному в 2, в плоскости изображени  объекта, образованного объективом, регистрируетс  картина интерференции волн А2 и Аг . Как известно, зависимость общей интенсивности интерферирующих волн от их разности фаз ty 2 р имеет вид

I И + 2 +2 VHI2COSV,

где И, 2 - интенсивности и 1ф (ал) , (pi (2 GM) - фазы волн, В работе устройства по первому и по второму варианту дл  определени  абсолютных значений измер емых величин используетс  следующий из (1) факт, что рассто ние между максимумами интерференционной картины соответствует 2 л.

При фотоэлектрической регистрации 3, 4 используетс  тот же факт, либо то, что (сМ/с1у5)тэх/)1тах - 1тт) 1.

Недостатком устройства  вл етс  низ5 ка  точность, обусловленна  неоднозначностью интерпретации результатов регистрации. Действительно , согласно численному решению системы уравнений дл  генерации второй гармоники с произ10 РОЛЬНЫМИ начальными услови ми 5, 6(ана- литическое решение в некоторых предельных случа х приведено в приложении ), период функции l2i( ) зависит от интенсивности основного излучени , длин

15 кристаллов и может быть 2  , л. Нормированна  максимальна  производна  также может быть гораздо больше 1. Ошибочность описани  работы устройства в том, что преобразование во вторую гармонику системой

20 из двух произвольно вз тых и произвольно ориентированных кристаллов нельз  рассматривать как интерференцию двух волн, рожденных независимо в каждом из кристаллов . Это св зано с изменением диспер25 сионной разности фаз 1р pz в процессе преобразовани . Изменени  станов тс  существенными, когда длина второго кристалла l W (обозначени  в приложении). Таким образом, устройство,

30 описанное в прототипе,  вл етс  нелинейным дисперсионным интерферометром.

В отличие от других нелинейных интерферометров не имеет собственную нелинейность даже при линейной исследуемой

35 среде, поскольку нелинейным  вл етс  интерференционный элемент (второй кристалл ),

Целью предложенного изобретени   вл етс  повышение точности дисперсионно40 го интерферометра.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известный дисперсионный интерферометр , содержащий расположенные вдоль оптической оси источник излучени  с часто45 той (о, два нелинейных оптических удвоител  частоты на рассто нии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта , светофильтр и регистрирующее устройство дополнительно введены

50 пол ризационный светоделитель, установленный по ходу излучени  за светофильтром , и второе регистрирующее устройство, при этом оба регистрирующих устройства оптически св заны с выходами светоделите55 л , удвоители частоты и пол ризационный светоделитель ориентированы так, что

l2 Iz ш - а углы между с ш 1г2ш - а также

уи линейной пол ризации излучени  источника составл ет 45° соответственno , где (i) единичный вектор пол ризации

излучени  источника, Ш и Ш единичные векторы пол ризации второй гармоники, генерируемой первым и вторым удвоител ми частоты соответственно, 1с единичный вектор пол ризации излучени , прошедшего светоделитель. При этом в первом нелинейном элементе преобразуетс  не более поло- вины интенсивности зондирующего излучени . Отметим, что под оптическим удвоителем частоты понимаетс  элемент, изготовленный и съюстировэнный так, чтобы оптимальным образом генерировать вторую гармонику зондирующего излучени , проход щего через удвоитель в направлении синхронизма без заметного смещени  и изменени  пол ризации. Способы их изготовлени  известны 5.

Совокупность существенных признаков , изложенных в отличительной части формулы,  вл етс  новой и обеспечивает положительный эффект, состо щий в повышении точности измерений вследствие устранени  неопределенности регистрации .

Действительно, задание взаимно ортогональной ориентации нелинейных элементов и введение линейного интерференционного элемента в виде пол ризационного светоделител  позвол ет получать интерференционную картину, дл  которой зависимость интенсивности второй гармоники от дисперсионной разности фаз вида

I И + 2 +2 Vlil2CosV ,(I)

не мен етс  при любых мощност х зондирующего излучени  и длинах нелинейных элементов. Это происходит благодар  тому, что удвоение частоты во втором нелинейном элементе не зависит от второй гармоники генерируемой первым нелинейным элементом.

Предлагаемое устройство изображено на фиг, 1а. На фиг, 16 схематично обозначена ориентаци  элементов и направление пол ризации излучени  (вид по ходу луча).

Схема дисперсионного интерферометра включает в себ  первый нелинейный эле- мент 1, после которого установлен оптический клин 2, исследуемый объект 3, второй нелинейный элемент 4, светофильтр 5, пол ризационный светоделитель 6, объективы 7, 9 и регистрирующий материал 8, 10, На схеме ориентации элементов указаны Р f, PS направлени  пол ризаций быстрой и медленной волн в нелинейном элементе (показатели преломлени  нели0

нейных элементов дл  этих волн удовлетвор ют условию rif ns);

. , ОАШ , ,

lu), Id; , 1С ,lcjj- единичные векторы пол ризаций зондирующего излучени , второй гармоники, генерируемой первым и вторым нелинейным элементом излучени  пропускаемого пол ризационным светоделителем и ортогональный ему.

Работа устройства осуществл етс  следующим образом. При освещении интерферометра лазерным излучением с частотой а) и пол ризацией 1, составл ющей угол 45° с Pf часть этого излучени  преобразует- с  в излучение гармоники с частотой 2(ом ректором пол ризации b HP.1 г черт-м нелинейном элементе. Таким образом, по следуемый объект и оптический „/шн просвечиваютс  двум  волнами с частотами о и

„ 2 (t). При прохождении через второй нелм нейный элемент, ориентированный ортогонально первому, то есть Pf1 L Pf . зондирующее излучение вновь преобразуетс  в волну гармоники с частотой 2 (

t- пол ризацией т L. Процесс преобразовани  не зависит от гармоники, генерируемой первым нелинейным элементом, т.к.

ti о

l2ujJ,Pf Светофильтр 5 обрезает излучение основной частоты. Остаютс  две волны часд тоты 2 й, ортогонально пол ризованные, одна из которых преобразована до прохождени  через объект, а друга  - после. Кажда  из волн раскладываетс  пол ризационным светоделителем в пр мом и пер5 пендикул рном направлени х по пол ризаци м, параллельным 1си Icj, составл ющим угол 45° с bij и I2Q . В каждом из направлений регистрируетс  картина интерференции этих двух аолн в ортогональных пол ризаци х в плоскост х изображени  объекта 8, 10, образованных объективами 7, 9. Дл  калибровки используетс  оптический клин. Вектор пол ризации зондирующего излучени  I со не должен совс падать с Pf и Ps . Так как максимальный контраст интерференционной картины достигаетс  при равных интенсивност х интерферирующих волн, то оптимальный угол

между ton Ijil (|Ш совпадает с Р/) 45°.

0 Если преобразование во вторую гармонику I I типа, то угол в 45° оптимален дл  эффективного преобразовани .

Из приведенного описани   сно, что преобразование зондирующего излучени 

5 во вторую гармонику происходит в ортогональных пол ризаци х, а потому независимо в обоих нелинейных элементах. В этом случае период интерференционной картины всегда 2  , а отнормированна  максимпль0

на  производна  I (V)/Omax - Imin) всегда 1 независимо от длины и нелинейной восприимчивости элементов И плотности мощности зондирующего излучени .

Необходимо дополнительно отметить технико-экономические преимущества данного устройства перед прототипом. Из описани  следует, что регистрируютс  две интерференционные картины во взаимно ортогональных пол ризаци х и смещены по фазе друг относительно друга на л, то есть Јс (V) lЈcj.(V 4-  ). При фотоэлектрической регистрации это обсто тельство позвол ет без затрат компенсировать нестабильность мощности зондирующего излучени , использу  разностный сигнал между пр мым и перпендикул рным каналом. Это обеспечивает высокую чувствительность измерений - лучше полосы.

10 интерференционной

Таким образом, рассматриваемый дисперсионный интерферометр лишен неопределен ности интерпретации результатов регистрации и позвол ет обеспечить высокую точность абсолютных и относительных измерений.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Дисперсионный интерферометр, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник излучени  с частотой СУ . два

   нелинейных оптических удвоител  частоты на рассто нии, обеспечивающем размещение { между ними исследуемого объекта, светофильтр и первое регистрирующее устройство , отличающийс  тем, что, с

   целью повышени  точности измерений, в него введены пол ризационный светоделитель , установленный по ходу излучени  за светофильтром, и второе регистрирующее устройство, при этом оба регистрирующих

   устройства оптически св заны с выходами светоделител , удвоители частоты и пол ризационный светоделитель ориентированы

   так, что |ЈЩ.1Й, а углы между 1С и 1(2)2«л а также 1ц) и ) при линейной пол ризации излучени  источника составл ют 45° соответственно , где lujr единичный вектор пол ризации излучени  источника; ы и ) - единичные векторы пол ризации второй гармоники, генерируемой первым и вторым удвоител ми частоты соответственно: 1с - единичный вектор пол ризации излучени , прошедшего светоделитель.

   «

   /

   #

   CO

   /У

   0/ c&/0 f//ae V3jy /e#t/e,&/}

   ee/stysy&v&ff &Ј/7 yo6//

   MG.4Ј/&eЈ/S/6/Af .

   /u ccf

   Фиг. 2