RU198732U1

RU198732U1 - OPTICAL DELAY DEVICE FOR SHEARING POLARO INTERFEROMETER

Info

Publication number: RU198732U1
Application number: RU2019138423U
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Болховитинов; Константин Анатольевич Иванов; Андрей Борисович Савельев-Трофимов; Александр Александрович Рупасов
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Данная полезная модель относится к устройству оптической задержки для сдвигового поляроинтерферометра. Технический результат состоит в повышении точности измерений при укорочении длительности зондирующего импульса. Устройство оптической задержки для сдвигового поляроинтерферометра содержит: неподвижное зеркало 21; подвижное зеркало 22, установленное в непосредственной близости от неподвижного зеркала 21, причем плоскость установки подвижного зеркала 22 практически параллельна плоскости установки неподвижного зеркала 21; микрометрическое средство перемещения для перемещения (26) подвижного зеркала 22 перпендикулярно к его плоскости установки. 4 фиг.This utility model relates to an optical delay device for a shear polaro interferometer. The technical result consists in improving the measurement accuracy while shortening the duration of the probe pulse. An optical delay device for a polaro-shift interferometer contains: a fixed mirror 21; a movable mirror 22 mounted in close proximity to the fixed mirror 21, the mounting plane of the movable mirror 22 being substantially parallel to the mounting plane of the fixed mirror 21; micrometric movement means for moving (26) the movable mirror 22 perpendicular to its mounting plane. 4 fig.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model belongs

Данная полезная модель относится к устройству оптической задержки для сдвигового поляроинтерферометра.This utility model relates to an optical delay device for a shear polaro interferometer.

Уровень техникиState of the art

Известны интерферометры, позволяющие определять параметры плазмы по изменению интерферометрической картине, возникающей от наложения двух лучей за счет наличия разности фаз волн этих лучей. К примеру, такие интерферометры описаны в авторском свидетельстве СССР №1673925 (опубл. 30.08.1991) и в международной заявке WO 94/15159 (опубл. 07.07.1994). Однако эти интерферометры имеют ограниченные возможности в силу использования только двух лучей.Known interferometers, which make it possible to determine the parameters of the plasma by the change in the interferometric pattern arising from the superposition of two beams due to the presence of the phase difference of the waves of these beams. For example, such interferometers are described in the USSR author's certificate No. 1673925 (publ. 30.08.1991) and in the international application WO 94/15159 (publ. 07.07.1994). However, these interferometers have limited capabilities due to the use of only two beams.

Гораздо более широкие возможности дает поляроинтерферометр, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (Болховитинов Е.А. и др. Трехканальный поляроинтерферометр для диагностики магнитных полей в высокотемпературной плазме // ПТЭ, 2007, №3, с. 101-105). Он представляет собой трехканальный поляроинтерферометр, в котором обеспечиваются три методики измерения: скорости расширения и формы непрозрачного плазменного облака (теневое фотографирование), пространственного распределения концентрации электронов (интерферометрия) и магнитных полей в прозрачной, подкритической области плазмы (полярометрия), и при этом используется один лазерный импульс. Схема такого поляроинтерферометра приведена на Фиг. 1.Much wider possibilities are given by a polarointerferometer, chosen as the closest analogue (Bolkhovitinov EA et al. Three-channel polarointerferometer for diagnostics of magnetic fields in high-temperature plasma // PTE, 2007, No. 3, pp. 101-105). It is a three-channel polarointerferometer, which provides three measurement techniques: the expansion rate and shape of an opaque plasma cloud (shadow photography), the spatial distribution of the electron concentration (interferometry) and magnetic fields in a transparent, subcritical plasma region (polarometry), and one laser pulse. The diagram of such a polarointerferometer is shown in Fig. 1.

В верхней части Фиг. 1 показаны ориентации оптических осей кристаллов, в нижней - векторные диаграммы поляризации пучков в соответствующих точках оптической схемы. Ссылочными позициями обозначено: 1 - формирующая диафрагма; 2 - отрицательная линза; 3, 11 - окна вакуумной камеры; 4, 8 - положительные линзы; 5, 10 - призмы Глана; 6 - положение объекта и изображение формирующей диафрагмы в его плоскости; 1, 9 - двулучепреломляющие клинья; 12 - устройство из двух зеркал, обеспечивающее синхронизацию интерферирующих пучков; 13 - светофильтры; 14 - матрица ПЗС-камеры; β - угол начальной раскрестки оптических осей клина 7 и призмы 5 Глана. Пучок

формирует теневое изображение, пучок

- поляризационное изображение, а пучки

и

- интерференционное изображение.At the top of FIG. 1 shows the orientations of the optical axes of the crystals, in the bottom - vector diagrams of the polarization of the beams at the corresponding points of the optical scheme. Reference numbers designate: 1 - forming diaphragm; 2 - negative lens; 3, 11 - windows of the vacuum chamber; 4, 8 - positive lenses; 5, 10 - Glan prisms; 6 - the position of the object and the image of the forming diaphragm in its plane; 1, 9 - birefringent wedges; 12 - device of two mirrors, providing synchronization of interfering beams; 13 - light filters; 14 - matrix of the CCD camera; β is the angle of the initial intersection of the optical axes of the wedge 7 and the glan prism 5. Beam

forms a shadow image, a beam

is the polarization image, and the beams

and

- interference image.

На выходе этого поляроинтерферометра (на матрице 14 ПЗС-камеры) за счет двулучепреломляющих клиньев 7, 9 и поляризаторов 5, 10 создаются три пучка, разнесенных по пространству:

(теневой канал),

(поляризационный канал),

(пучок, образующий интерференционный канал при перекрытии на матрице 14 ПЗС-камеры с частью пучка

). Одновременное получение трех изображений плазмы, а именно теневого, интерференционного и поляризационного, формируемых зондирующим лазерным пучком, позволяет восстановить профиль электронной концентрации плазмы и структуру спонтанных магнитных полей.At the output of this polarointerferometer (on the matrix 14 of the CCD camera) due to the

birefringent wedges

7, 9 and

polarizers

5, 10, three beams are created, spaced apart in space:

(shadow channel),

(polarizing channel),

(the beam forming the interference channel when the CCD camera is overlapped on the matrix 14 with a part of the beam

). Simultaneous acquisition of three plasma images, namely, shadow, interference and polarization, formed by a probe laser beam, makes it possible to reconstruct the electron plasma density profile and the structure of spontaneous magnetic fields.

Разработанная схема для исследования высокотемпературной плазмы обладала естественным ограничением на длительность зондирующего импульса около 1 пс. Это связано с тем, что интерферирующие пучки, проходящие через двулучепреломляющие элементы схемы, приходят в плоскость формирования интерференционной картины с временной задержкой одного из пучков по отношению к другому: обладая взаимно-ортогональными поляризациями внутри двулучепреломляющих анализирующих кристаллов, пучки имеют разные фазовые скорости и несколько различные оптические пути. Это приводит к тому, что при длительностях зондирующего импульса меньше 1 пс импульсы перестают перекрываться по времени в плоскости регистрации и поэтому не интерферируют.The developed scheme for studying high-temperature plasma had a natural limitation on the probe pulse duration of about 1 ps. This is due to the fact that the interfering beams passing through the birefringent elements of the circuit arrive at the plane of the formation of the interference pattern with a time delay of one of the beams with respect to the other: possessing mutually orthogonal polarizations inside the birefringent analyzing crystals, the beams have different phase velocities and somewhat different optical paths. This leads to the fact that when the duration of the probe pulse is less than 1 ps, the pulses cease to overlap in time in the plane of registration and therefore do not interfere.

В случае, когда не требовалось получения высокого временного разрешения, в качестве зондирующего использовался импульс на основной длине волны излучения неодимового лазера (1064 нм) с длительностью 6 нс. Для перехода в диапазон пикосекундного разрешения при зондировании плазмы использовался импульс длительностью 2 пс на длине волны 400 нм, который еще позволял получить достаточный контраст интерференционных полос.In the case when a high temporal resolution was not required, a pulse at the fundamental wavelength of a neodymium laser (1064 nm) with a duration of 6 ns was used as a probe. To switch to the picosecond resolution range when probing the plasma, a 2 ps pulse at a wavelength of 400 nm was used, which still made it possible to obtain a sufficient contrast of interference fringes.

Но для быстропротекающих процессов в лазерной плазме часто требуется обеспечить максимально высокое временное разрешение поляроинтерферометра, то есть зондировать плазму фемтосекундным импульсом.But for fast processes in laser plasma, it is often required to provide the highest temporal resolution of the polarointerferometer, that is, to probe the plasma with a femtosecond pulse.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model

Таким образом, задачей данной полезной модели является разработка такого устройства, которое позволяло бы компенсировать задержку одного интерферирующего пучка по отношению к другому и тем самым получить технический результат, состоящий в повышении точности измерений при укорочении длительности зондирующего импульса.Thus, the task of this utility model is to develop such a device that would make it possible to compensate for the delay of one interfering beam in relation to another and thereby obtain a technical result consisting in increasing the measurement accuracy while shortening the duration of the probe pulse.

Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата в настоящей полезной модели предложено устройство оптической задержки для сдвигового поляроинтерферометра, содержащее: неподвижное зеркало; подвижное зеркало, установленное в непосредственной близости от неподвижного зеркала, причем плоскость установки подвижного зеркала практически параллельна плоскости установки неподвижного зеркала; микрометрическое средство перемещения для перемещения подвижного зеркала перпендикулярно к его плоскости установки.To solve this problem and achieve the noted technical result in this utility model, an optical delay device for a shear polarointerferometer is proposed, comprising: a fixed mirror; a movable mirror mounted in close proximity to the fixed mirror, the mounting plane of the movable mirror being substantially parallel to the mounting plane of the fixed mirror; micrometric movement means for moving the movable mirror perpendicular to its mounting plane.

Особенность устройство по настоящей полезной модели состоит в том, что неподвижное зеркало может быть установлено с возможностью регулировки его плоскости установки.The peculiarity of the device according to the present utility model is that the stationary mirror can be installed with the possibility of adjusting its installation plane.

Еще одна особенность устройства по настоящей полезной модели состоит в том, что неподвижное и подвижное зеркала могут быть выполнены квадратными и могут соприкасаться одно с другим при их расположении в одной плоскости.Another feature of the device according to the present utility model is that the fixed and movable mirrors can be made square and can be in contact with one another when they are located in the same plane.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Полезная модель иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The utility model is illustrated in the attached drawings, in which like elements are designated by the same reference numbers.

На Фиг. 1 показана схема сдвигового поляроинтерферометра из ближайшего аналога.FIG. 1 shows a schematic diagram of a shear polarointerferometer from the closest analogue.

На Фиг. 2 представлена схема работы сдвигового поляроинтерферометра по настоящей полезной модели.FIG. 2 shows a schematic diagram of the operation of a shear polarointerferometer according to the present utility model.

На Фиг. 3 и 4 показан с разных сторон вариант осуществления сдвигового поляроинтерферометра по настоящей полезной модели.FIG. 3 and 4 show from different sides an embodiment of a shear polarointerferometer according to the present utility model.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

Устройство оптической задержки для сдвигового поляроинтерферометра по данной полезной модели (Фиг. 2) содержит неподвижное зеркало 21 и подвижное зеркало 22, которое установлено в непосредственной близости от неподвижного зеркала 21. Как видно на Фиг. 2, оба зеркала 21 и 22 выполнены квадратными, однако это необязательно. Предпочтительно, чтобы оба зеркала 21 и 22 имели соседние прямые края, поэтому их форма может быть, к примеру, трапецеидальной, треугольной, шестиугольной, в виде полуокружности. Важно, чтобы плоскость установки подвижного зеркала 22 была практически параллельна плоскости установки неподвижного зеркала 21. Как видно из Фиг. 2 оба зеркала 21 и 22 закреплены на соответствующих держателях 23 и 24, причем держатель 24 подвижного зеркала 22 имеет возможность такого перемещения в основании 25, указанного двусторонней стрелкой 26, что плоскости обоих зеркал 21 и 22 всегда остаются параллельны.The optical delay device for a shear polarointerferometer according to this utility model (Fig. 2) contains a fixed mirror 21 and a movable mirror 22, which is installed in the immediate vicinity of the fixed mirror 21. As can be seen in Fig. 2, both mirrors 21 and 22 are square, but this is not necessary. Preferably, both mirrors 21 and 22 have adjacent straight edges, so their shape can be, for example, trapezoidal, triangular, hexagonal, semicircular. It is important that the mounting plane of the movable mirror 22 is substantially parallel to the mounting plane of the fixed mirror 21. As seen in FIG. 2, both mirrors 21 and 22 are attached to respective holders 23 and 24, the holder 24 of the movable mirror 22 being able to move in the base 25 indicated by the double-headed arrow 26 so that the planes of both mirrors 21 and 22 remain always parallel.

Устройство оптической задержки для сдвигового поляроинтерферометра по настоящей полезной модели содержит также в основании 25 микрометрическое средство перемещения для перемещения подвижного зеркала 22 (на Фиг. 2 не показано). Регулятор 27 этого микрометрического средства перемещения виден на Фиг. 3 и 4, где устройство оптической задержки по настоящей полезной модели показано в изометрии с разных сторон. Деления на регуляторе 27 отградуированы в мкм что позволяет смещать держатель 24 подвижного зеркала 22 с точностью 10 мкм относительно держателя 23 неподвижного зеркала 21.The optical delay device for a shear polaro-interferometer according to the present invention also contains at the base 25 a micrometric movement means for moving the movable mirror 22 (not shown in Fig. 2). The regulator 27 of this micrometric movement means is visible in FIG. 3 and 4, where the optical delay device according to the present utility model is shown in perspective from different sides. The divisions on the regulator 27 are calibrated in microns, which makes it possible to displace the holder 24 of the movable mirror 22 with an accuracy of 10 μm relative to the holder 23 of the fixed mirror 21.

На Фиг. 2 стрелками с ссылочными позициями 28, 29 и 30 обозначены транслируемые в оптическом тракте, соответственно, поляризационное

и теневые

изображения плазмы в разделенном зондирующем лазерном пучке после прохождения двулучепреломляющих клиньев.FIG. 2, arrows with

reference numerals

28, 29 and 30 denote the polarization

and shadow

plasma images in a split probe laser beam after passing through birefringent wedges.

На Фиг. 3 и 4 видны регулировочные винты 31 и 32, с помощью которых возможна регулировка плоскости установки неподвижного зеркала 21 относительно плоскости установки подвижного зеркала 22.FIG. 3 and 4, adjusting screws 31 and 32 are visible, with which it is possible to adjust the mounting plane of the fixed mirror 21 relative to the mounting plane of the movable mirror 22.

Устройство оптической задержки по настоящей полезной модели предназначено для работы в сдвиговом поляроинтерферометре.The optical delay device according to the present utility model is intended for operation in a shear polarointerferometer.

Трехканальный поляроинтерферометр служит для регистрации и измерения спонтанных магнитных полей, возникающих, например, в лазерной плазме при взаимодействии лазерного излучения с материалом мишени, и является инструментом активной диагностики плазмы. Его принцип работы основан на эффекте Фарадея, состоящего в том, что зондирующее плоскополяризованное лазерное излучение, проходя через плазму, испытывает поворот плоскости поляризации на определенный угол в тех областях плазмы, где возникает магнитное поле. Величина угла поворота вектора поляризации зависит от величины магнитного поля и профиля электронной концентрации в плазме, через которую прошел зондирующий лазерный луч. Таким образом, измерив угол поворота плоскости поляризации лазерного излучения и определив профиль электронной концентрации, можно судить о величине возникающих магнитных полей.The three-channel polarointerferometer is used to register and measure spontaneous magnetic fields that arise, for example, in a laser plasma during the interaction of laser radiation with the target material, and is a tool for active plasma diagnostics. Its principle of operation is based on the Faraday effect, which consists in the fact that the probing plane-polarized laser radiation, passing through the plasma, experiences a rotation of the plane of polarization by a certain angle in those regions of the plasma where the magnetic field arises. The magnitude of the angle of rotation of the polarization vector depends on the magnitude of the magnetic field and the profile of the electron density in the plasma through which the probe laser beam passed. Thus, by measuring the angle of rotation of the plane of polarization of the laser radiation and determining the profile of the electron density, one can judge the magnitude of the arising magnetic fields.

Входная прямоугольная диафрагма 1 задает рабочее поле, в котором регистрируется плазма, входная призма 5 Глана задает начальную поляризацию зондирующего лазерного излучения, а на выходе двух двулучепреломляющих клиньев 7, 9 из исландского шпата получаются четыре изображения рабочего поля зондирующего лазерного излучения с плазмой. Два из этих изображений являются поляризационными, т.к. изображение на них сильно зависит от изменения поляризации лазерного излучения, прошедшего через плазму, а два других являются теневыми, т.к. они не чувствительны к повороту плоскости поляризации. Наконец, выходная призма 10 Глана служит для выравнивания интенсивностей в трех каналах (одном поляризационном и двух теневых), интенсивность четвертого же канала при этом автоматически зануляется. На векторных диаграммах на Фиг. 1 этот процесс подробно показан. Важным элементом также является выходная линза 8, которая строит изображение рабочего поля с плазмой на детекторе (14). Фокусное расстояние линзы 8 и углы двулучепреломляющих клиньев 7, 9 подбираются таким образом, чтобы изображения плазмы полностью попадали в апертуру детектора, и при этом обеспечивалось нужное перекрытие одного теневого канала с плазмой и поляризационного канала в его свободной от плазмы области, т.к. в этой области возникает интерференционная картина, необходимая для измерения профиля электронной концентрации в плазме.The input rectangular diaphragm 1 sets the working field in which the plasma is recorded, the input Glan prism 5 sets the initial polarization of the probe laser radiation, and at the output of two birefringent wedges 7, 9 from Icelandic spar, four images of the working field of the probe laser radiation with plasma are obtained. Two of these images are polarized because the image on them strongly depends on the change in the polarization of the laser radiation transmitted through the plasma, and the other two are shadow, since they are not sensitive to rotation of the plane of polarization. Finally, the 10 Glan output prism serves to equalize the intensities in three channels (one polarizing and two shadow channels), while the intensity of the fourth channel is automatically zeroed out. In the vector diagrams in FIG. 1 this process is shown in detail. An important element is also the exit lens 8, which builds an image of the working field with plasma on the detector (14). The focal length of the lens 8 and the angles of the birefringent wedges 7, 9 are selected in such a way that the plasma images completely fall into the detector aperture, and at the same time, the necessary overlap of one shadow channel with the plasma and the polarization channel in its plasma-free region is ensured. in this region, an interference pattern arises, which is necessary for measuring the electron density profile in the plasma.

Данный поляроинтерферометр по сути является интерферометром сдвигового типа. Лазерные пучки в нем идут в одном направлении, но по несколько разным оптическим путям. В случае работы с фемтосекундными лазерными установками необходима компенсация задержки в распространении разных пучков, для чего в устройстве оптической задержки по настоящей полезной модели используется микрометрическое средство перемещения.This polarointerferometer is essentially a shear type interferometer. The laser beams in it go in the same direction, but along slightly different optical paths. In the case of work with femtosecond lasers, it is necessary to compensate for the delay in the propagation of different beams, for which a micrometric displacement device is used in the optical delay device according to the present utility model.

В этом устройстве неподвижное зеркало 21 и подвижное зеркало 22 совмещают таким образом, что на одно из них попадает два изображения рабочего поля зондирующего лазера (поляризационное и опорное теневое, ссылочные позиции 29 и 30 на Фиг. 2), а на другое - второе теневое изображение с плазмой (ссылочная позиция 28 на Фиг. 2), которое в дальнейшем при попадании на детектор должно перекрываться со свободной от плазмы частью поляризационного изображения и дать устойчивую интерференционную картину. Используя данное устройство, удалось добиться временного разрешения (т.е. времени зондирующего импульса, при котором регистрируется интерференционная картина) в 50 фс. Кроме того, одно из зеркал оснащено системой юстировки по углу наклона, таким образом зеркала можно делать немного не параллельными между собой и благодаря этому регулировать размер области перекрытия интерферирующих пучков (теневого и поляризационного).In this device, the fixed mirror 21 and the movable mirror 22 are aligned in such a way that two images of the working field of the probing laser (polarization and reference shadow, reference numerals 29 and 30 in Fig. 2) fall on one of them, and the second shadow image with plasma (reference numeral 28 in Fig. 2), which later, when hitting the detector, should overlap with the plasma-free part of the polarization image and give a stable interference pattern. Using this device, it was possible to achieve a temporal resolution (i.e., the time of the probe pulse at which the interference pattern is recorded) of 50 fs. In addition, one of the mirrors is equipped with a tilt adjustment system, so the mirrors can be made slightly non-parallel to each other and, due to this, the size of the overlapping region of the interfering beams (shadow and polarization) can be adjusted.

Устройство оптической задержки по настоящей полезной модели позволяет работать как с вертикально, так и с горизонтально расположенными лазерными мишенями. В зависимости от расположения мишени нужно лишь закрепить данное устройство соответствующим образом - для горизонтальной мишени зеркала 21 и 22 располагаются одно над другим, а для вертикальной мишени - одно рядом с другим в горизонтальной плоскости.The optical delay device according to this utility model allows you to work with both vertically and horizontally located laser targets. Depending on the location of the target, you just need to fix this device appropriately - for a horizontal target, mirrors 21 and 22 are located one above the other, and for a vertical target, one next to another in the horizontal plane.

Claims

1. An optical delay device for a shear polaro interferometer, comprising:

a stationary mirror mounted on a corresponding holder;

a movable mirror mounted on another suitable holder and mounted in close proximity to said stationary mirror, the mounting plane of said movable mirror being substantially parallel to the mounting plane of said fixed mirror;

micrometric movement means for moving said movable mirror perpendicular to its mounting plane;

the base to which the said holders of the fixed and movable mirrors are connected and which contains the said micrometric movement means.

2. A device according to claim 1, wherein said stationary mirror is mounted so that its mounting plane can be adjusted.

3. The device according to claim. 1, in which the said fixed and movable mirrors are made square and in contact with one another when they are located in the same plane.