RU2408909C2 - Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation - Google Patents

Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2408909C2
RU2408909C2 RU2009108366/28A RU2009108366A RU2408909C2 RU 2408909 C2 RU2408909 C2 RU 2408909C2 RU 2009108366/28 A RU2009108366/28 A RU 2009108366/28A RU 2009108366 A RU2009108366 A RU 2009108366A RU 2408909 C2 RU2408909 C2 RU 2408909C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
laser radiation
radiation
phase
input
Prior art date
Application number
RU2009108366/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009108366A (en
Inventor
Владислав Николаевич Христофоров (RU)
Владислав Николаевич Христофоров
Сергей Александрович Гончуков (RU)
Сергей Александрович Гончуков
Original Assignee
Сергей Александрович Гончуков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Александрович Гончуков filed Critical Сергей Александрович Гончуков
Priority to RU2009108366/28A priority Critical patent/RU2408909C2/en
Publication of RU2009108366A publication Critical patent/RU2009108366A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2408909C2 publication Critical patent/RU2408909C2/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of detecting reflected laser radiation involves generation of double-mode laser radiation, directing said radiation onto an analysed object and injection of radiation reflected by the analysed object into a laser to form resultant laser radiation. The double-mode laser radiation with frequency values ν1 and ν2 is generated with splitting ν1221 in the range from 1 MHz to 50 MHz. The distance D between the laser and the analysed object is modulated by giving it in accordance with the condition D≠(c/2ν12)k, where k is an integer (k=0, 1, 2, 3…), c is light velocity, and characteristics of the analysed object are determined by the resultant laser radiation picked up.
EFFECT: improved method.
5 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to optical measuring equipment and can be used in microscopy, location, navigation when recording the intensity of reflected laser radiation, as well as in determining the reflection and absorption coefficients of various objects.

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.A known method of detecting weak reflected laser radiation [1] by deviating the beat frequency of a two-mode laser, according to which a two-mode laser radiation is generated, directs it to the object under study and receives laser radiation reflected from the object under study, which is detected by a change in the frequency of inter-mode beats. The method is used when recording radiation scattered from remote diffuse reflectors.

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.The known device that implements the method [1], contains a gas laser with two outputs, reflecting mirrors, wedge-shaped phase anisotropic plates, a first and second polarizer, a piezoceramic propulsion device, a sound generator, a photodiode, a frequency and synchronous detector, and a glass attenuator. Detection of a frequency-modulated signal is carried out by a frequency detector. The signal at the modulation frequency is measured by a frequency detector, the reference signal to which comes from the sound generator. The beat of the modes in the output radiation through the mirror is recorded using a second polarizer and a photodiode.

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.The closest technical solution to the proposed method is a known method for recording small object vibrations using intracavity reception of radiation from a two-mode gas laser [2], based on the generation of two-mode laser radiation, directing it to the object under study and receiving laser radiation reflected from the object under investigation, which is detected by a change in the frequency of intermode beats.

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.In the known method, the radiation of two-mode gas lasers is used for non-contact remote measurement of small vibrations of the surfaces of objects. In this case, the radiation of one of the modes serves as a reference, and the other as a probe signal. The radiation from a laser operating in the generation mode of two linearly and orthogonally polarized modes passed through a polarizer emitting radiation from one of the modes and a telescopic system. Reflected from the oscillating surface of the object, the radiation at a frequency shifted due to the Doppler effect returned through the telescopic system and the polarizer back into the laser cavity. At a low level of the returned signal, it did not introduce distortions into the laser generation mode, and therefore the radiation from the other output of the laser contained components at the frequencies of the generated modes and the reflected signal, respectively. This radiation passed through a polarizer installed at an angle of 45 ° to the directions of mode polarization and fed to a photodetector, the signal from which was sent for registration through an amplifier to a frequency detector and then to a spectrum analyzer.

Недостатком известных способов [1 и 2] является недостаточная чувствительность при регистрации отраженного лазерного излучения.A disadvantage of the known methods [1 and 2] is the lack of sensitivity when registering reflected laser radiation.

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 ν1 и ν2 формируют с расщеплением ν1221 в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц, модулируют расстояние D между лазером и исследуемым объектом, задают указанное расстояние в соответствии с условиемThe technical result, which consists in increasing the sensitivity, is achieved in the proposed method for detecting reflected laser radiation, which consists in generating two-mode laser radiation, directing it to the object under study and injecting the radiation reflected from the object under study into the laser, so that the resulting laser radiation is formed, while the two-mode laser radiation with frequencies ν 1 and ν 2 is formed by digesting 12 ν = ν 12 in the range from 1 MHz to 50 MHz, modulates the distance D between the laser and The investigations uemym object, said distance is set in accordance with the condition

D≠(c/2ν12)k,D ≠ (c / 2ν 12 ) k,

где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), c - скорость света,where k is an integer (k = 0, 1, 2, 3 ...), c is the speed of light,

а по зарегистрированному результирующему лазерному излучению судят о характеристиках исследуемого объекта.and the registered resulting laser radiation judges the characteristics of the investigated object.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что расщепление задают в соответствии с условиемIn addition, the specified technical result is achieved in that the cleavage is set in accordance with the condition

ν12b[1+K1b/γ)2+K2b/γ)]-1,ν 12 = γ b [1 + K 1b / γ) 2 + K 2b / γ)] -1 ,

где γb - спектральная ширина верхнего квантового уровня лазерного перехода,where γ b is the spectral width of the upper quantum level of the laser transition,

γ - спектральная ширина линии лазерного перехода,γ is the spectral line width of the laser transition,

K1=0,1-0,8 - коэффициент учета квантовых чисел уровней лазерного перехода,K 1 = 0.1-0.8 is the coefficient of the quantum numbers of the levels of the laser transition,

K2=0,01-0,1 - коэффициент учета активной среды лазера.K 2 = 0.01-0.1 is the coefficient of accounting for the active medium of the laser.

Вместе с тем технический результат достигается тем, что между инжектируемыми в лазер модами с частотами ν1 и ν2 обеспечивают сдвиг фаз φа в соответствии с условиемAt the same time, the technical result is achieved by the fact that between the modes injected into the laser with frequencies ν 1 and ν 2 they provide a phase shift φ a in accordance with the condition

φа=π[n-4Dν12/c],φ a = π [n-4Dν 12 / c],

где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число;where D is the distance from the laser to the test object, n is an odd integer;

а также тем, что сдвиг фаз φа между инжектируемыми внутрь лазера модами с частотами ν1 и ν2 модулируют в соответствии с условиемand also the fact that the phase shift φ a between the modes injected into the laser with frequencies ν 1 and ν 2 is modulated in accordance with the condition

φа=4πDν12/c+φа+δφ(t),φ a = 4πDν 12 / c + φ a + δφ (t),

где δφ(t) - переменная составляющая сдвига фаз.where δφ (t) is the variable component of the phase shift.

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.A device for registering reflected laser radiation [3] is a laser projection microscope containing a coaxially mounted lens and a laser amplifier. The device incorporates an image registration system made in the form of a television camera connected to a computer, and an optical shutter installed between the object and the laser amplifier with the possibility of sequential opening and closing synchronously with the frame rate of the television camera.

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.A device [4] is also known for recording reflected laser radiation — a laser scanning microscope containing a laser source, a beam splitting element, a scanning system with two mirror deflectors and a lens are sequentially installed in the path of the beam, and a path reflected from the sample and a beam splitting element, a radiation receiver with a signal processing system is placed, while a plane-field converter is installed in front of the beam splitting element izovannogo beam into a beam with circular polarization, and between the beam splitter and a scanning system disposed lucherazvodyaschy element which converts an input light beam into two beams with orthogonal polarization directions and spatial mixing, wherein the radiation receiver as applied power meter radiation component crossed polarizations.

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.Of the known devices, the closest to the proposed device for recording reflected laser radiation according to the composition of the equipment and the relationships between the functional blocks and elements is the known device described in the information source [1], containing a two-mode laser connected to the power supply and connected through the optical system to the object of study , phase-anisotropic and polarization elements, a variable signal generator, photodetectors, for example, a cooled photodiode, a frequency detector and an analyzer p spectrum, acting as the laser recording unit.

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).Control elements in the known device are also present, but are not reflected in the diagram of Fig. 1 [2]. Therefore, the registration and control functions are assigned to the laser radiation control and registration unit actually present in the circuit of the known device (not shown, as well as the laser power supply unit).

Недостатком известных устройств [2, 3 и 4] является недостаточная чувствительность при регистрации отраженного лазерного излучения.A disadvantage of the known devices [2, 3 and 4] is the lack of sensitivity when registering reflected laser radiation.

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.The technical result, which consists in increasing sensitivity, is achieved in the proposed device for recording reflected laser radiation, comprising a two-mode laser connected to a power supply unit and connected through an optical system to the object of study, phase-anisotropic and polarization elements, an alternating signal generator, photodetectors, a frequency detector and a unit control and registration of laser radiation, the fact that it contains a control unit phase anisotropic element, a beam splitting element, forming a constant component and a series-connected signal amplifier at the modulation frequency and an amplitude detector, wherein one of the laser outputs is optically coupled through the phase-anisotropic element to the said optical system, and the other output is optically coupled to the input of the beam splitter element, one of the outputs of which is optically coupled through one of polarization elements with the first photodetector, the output of which is connected to the input of the signal amplifier at the modulation frequency, and the other output of the optical beam splitting element It is connected through another polarization element to a second photodetector connected to the input of the frequency detector, the output of which is connected to the first input of the control unit and registering laser radiation, the second input of which is connected to the output of the amplitude detector, while the third and fourth inputs of the control unit and registering laser radiation connected respectively to the first outputs of the variable signal generator and the dc driver, the second outputs of which are connected to the inputs of the control unit f an azoanisotropic element associated with a phase anisotropic element.

Достижение указанного технического результата обеспечивается также тем, что фазоанизотропный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора или в виде сканера.The achievement of the specified technical result is also ensured by the fact that the phase-anisotropic element is made in the form of an electro-optical modulator or in the form of a scanner.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of a device that implements the proposed method.

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.The device contains a two-mode laser 1, one of the outputs of which is optically coupled through a phase-anisotropic element 2 and the optical system 3 to the object of study 4. Another output of the laser 1 is optically coupled to the input of the beam splitter element 5, one of the outputs of which is optically coupled through one of the polarization elements 6 sec the first photodetector 7, the output of which is connected to the input of the signal amplifier 9 at a modulation frequency. Another output of the beam splitting element 5 is optically coupled through another polarizing element 6 to the second photodetector 8.

Выход усилителя 9 подключен ко входу амплитудного детектора 10, а выход фотоприемника 9 - к входу частотного детектора 11.The output of the amplifier 9 is connected to the input of the amplitude detector 10, and the output of the photodetector 9 is connected to the input of the frequency detector 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.The device also includes a laser power supply unit 12, a phase-anisotropic element control unit 13 connected to a phase-anisotropic element 2. The inputs of the phase-anisotropic element control unit 13 are connected to the first outputs of the constant-component driver 14 and variable signal generator 15.

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.The outputs of the amplitude detector 10, the frequency detector 11, the driver 14 of the constant component and the generator 15 of the variable signals are connected respectively to the first, second, third and fourth inputs of the block 16 of the control and registration of laser radiation.

Фазоанизотропный элемент 2 выполнен в виде электрооптического модулятора или в виде сканера.Phase anisotropic element 2 is made in the form of an electro-optical modulator or in the form of a scanner.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

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°.In the prototype, only one of the two laser-generated modes was directed to the object under study. The radiation of this single mode reflected from the object was injected into the laser. Since the modes in all two-mode implementations have orthogonal polarizations, then a polarizer is transmitted in the devices for this, passing only one mode. In this case, you cannot achieve the maximum sensitivity of the reception of the reflected signal. Reception will be optimal if both modes are directed to the object and, after reflection, they are injected into the laser. Moreover, as a result of the studies, it was found that in order to obtain maximum reception sensitivity, it is necessary that the frequency splitting between the modes is in the range from 1 MHz to 50 MHz and is set in accordance with the above conditions, and the phase difference between the modes reflected from the object , which will be injected into the laser, was set equal to 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°.In addition, in the known technical solutions, useful information is extracted at the modulation frequency of the optical distance from the laser to the object. To do this, the geometric distance from the laser to the object is modulated (within small limits - several wavelengths) by scanning the object (usually a mirror) using piezoceramics to which a mirror is glued and to which, usually, a signal from a sound generator is applied. In practice, this does not always work out, since the object may not be available. To overcome this difficulty, in the proposed technical, a controlled phase-anisotropic element is supplied with an alternating signal at a modulation frequency along with a constant signal necessary to obtain a phase shift of 180 °.

В предлагаемом способе последовательность операций над лазерным излучением осуществляется в следующем порядке:In the proposed method, the sequence of operations on laser radiation is carried out in the following order:

- генерируют двухмодовое излучение лазера;- generate two-mode laser radiation;

- направляют его на исследуемый объект;- direct him to the investigated object;

- инжектируют отраженное от исследуемого объекта излучение внутрь лазера и получают результирующее лазерное излучение.- inject the radiation reflected from the object under investigation into the laser and receive the resulting laser radiation.

Двухмодовое лазерное излучение с частотами ν1 и ν2 формируют с расщеплением ν1221 в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц и модулируют расстояние D между лазером и исследуемым объектом, задают указанное расстояние в соответствии с условиемTwo-mode laser radiation with frequencies ν 1 and ν 2 is formed with a splitting ν 12 = ν 21 in the range from 1 MHz to 50 MHz and the distance D between the laser and the object under study is modulated, the specified distance is set in accordance with the condition

D≠(c/2ν12)k,D ≠ (c / 2ν 12 ) k,

где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), с - скорость света.where k is an integer (k = 0, 1, 2, 3 ...), c is the speed of light.

По зарегистрированному результирующему лазерному излучению судят о характеристиках исследуемого объекта (например, при лазерной микроскопии).The registered resultant laser radiation is used to judge the characteristics of the object under study (for example, by laser microscopy).

При этом расщепление ν12 задают в соответствии с условиемIn this case, the splitting ν 12 is set in accordance with the condition

ν12b[1+K1b/γ)2+K2b/γ)]-1,ν 12 = γ b [1 + K 1b / γ) 2 + K 2b / γ)] -1 ,

где γb - спектральная ширина верхнего квантового уровня лазерного перехода,where γ b is the spectral width of the upper quantum level of the laser transition,

γ - спектральная ширина линии лазерного перехода,γ is the spectral line width of the laser transition,

K1=0,1-0,8 - коэффициент учета квантовых чисел уровней лазерного перехода,K 1 = 0.1-0.8 is the coefficient of the quantum numbers of the levels of the laser transition,

K2=0,01-0,1 - коэффициент учета активной среды лазера.K 2 = 0.01-0.1 is the coefficient of accounting for the active medium of the laser.

Одновременно с этим между инжектируемыми в лазер модами с частотами ν1 и ν2 обеспечивают сдвиг фаз φа в соответствии с условиемAt the same time, between the modes injected into the laser with frequencies ν 1 and ν 2 they provide a phase shift φ а in accordance with the condition

φа=π[n-4Dν12/c],φ a = π [n-4Dν 12 / c],

где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число.where D is the distance from the laser to the object under study, n is an odd integer.

При этом сдвиг фаз φа между инжектируемыми внутрь лазера модами с частотами ν1 и ν2 модулируют в соответствии с условиемIn this case, the phase shift φ a between the modes with frequencies ν 1 and ν 2 injected into the laser is modulated in accordance with the condition

φа=4πDν12/c+φа+δφ(t),φ a = 4πDν 12 / c + φ a + δφ (t),

где δφ(t) - переменная составляющая сдвига фаз.where δφ (t) is the variable component of the phase shift.

Предлагаемое устройство для регистрации отраженного лазерного излучения работает следующим образом.The proposed device for recording reflected laser radiation works as follows.

При включении питания от блока 12 лазер 1 генерирует излучение с частотами ν1 и ν2, формируют с расщеплением ν1221 в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц.When you turn on the power from block 12, the laser 1 generates radiation with frequencies ν 1 and ν 2 , form with a splitting ν 12 = ν 21 in the range from 1 MHz to 50 MHz.

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/2ν12)k, где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), c - скорость света.On the left side of the device (relative to laser 1), the drawing shows the functional elements (2, 3, 13-15) of the device designed to form reflection and injection of radiation into the laser. The constant-component driver 14, the variable signal generator 15 and the phase-anisotropic element control unit 13 provide the operation of this element in the required mode (modulation of the distance D between the laser 1 and the object under study 4 in accordance with the condition D ≠ (c / 2ν 12 ) k, where k is an integer (k = 0, 1, 2, 3 ...), c is the speed of light.

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.On the right side of the device functional units and elements (5-11) of the device are shown, intended for registering an informative signal and controlling the emission spectrum. Block 16 is designed to generate control signals and receive information signals and their processing and registration.

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:As is known, the magnitude and sign of a change in the field intensity in a laser depends on the ratio of the phases of the injected and generated radiation. The intensity increases (decreases) if an odd (even) number of half-waves is stacked at a distance from the output mirror to the external reflector (object of study 4) and back. Therefore, when scanning object 4 using a piezoceramic phase-anisotropic element 2, a variable component will be present in the intensity of the laser 1 from time to time. In the case of two-frequency generation, variable components will be present in the behavior of the intensities of both fields (modes). A controlled phase-anisotropic element 2, installed between the laser 1 and the object under study 4, provides a phase shift between the mode emissions in accordance with the expressions:

φа=ν[n-4Dν12/c], где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число илиφ a = ν [n-4Dν 12 / c], where D is the distance from the laser to the object under study, n is an odd integer or

φа=4νDν12/c+φа+δφ(t), где δφ(t) - переменная составляющая сдвига фаз.φ a = 4νDν 12 / c + φ a + δφ (t), where δφ (t) is the variable component of the phase shift.

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.The optical spectrum was monitored using block 16. The time-periodic signal in the behavior of the mode intensity caused by back reflection was informative. This signal was fed through a beam splitting element 5 and a polarizing element 6 to the input of the first photodetector 7 and then through an amplifier 9 and an amplitude detector 10 to the corresponding information input of block 6 and was recorded. The polarization element 6, located in front of the photodetector 7, is designed to isolate radiation with a given polarization, as well as to reduce spontaneous illumination.

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.Another part of the resulting radiation from the right exit of the laser 1 came through a beam splitting element 5 and another polarizing element 6 to the input of the second photodetector 8 and then through the frequency detector 10 to another information input of the laser radiation control and registration unit 6.

В блоке 6 регистрировалось результирующее двухчастотное лазерное излучение, по которому можно судить о характеристиках исследуемого объекта (например, при лазерной микроскопии).In block 6, the resulting two-frequency laser radiation was recorded, by which it is possible to judge the characteristics of the object under study (for example, by laser microscopy).

Ниже приводятся два примера экспериментальной реализации.The following are two examples of experimental implementation.

Пример №1Example No. 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:Measurements to determine the limiting sensitivity of the reception of reflected radiation were performed with a helium-neon laser at a wavelength of λ = 0.63 μm, continuously generating two modes with linear orthogonal polarizations. The length of the two-mirror laser cavity was L = 30 cm. The active medium (discharge tube) was sealed with one of the cavity mirrors and a window oriented perpendicular to the laser axis (not shown in the drawing). A wedge of crystalline quartz was introduced inside the resonator (not shown in the drawing). Due to the inadequacy of the optical lengths for waves with different polarizations, the equidistant spectrum of the longitudinal modes of the resonator is split into two spectra corresponding to linear orthogonal polarizations. The frequency interval between adjacent split frequencies is determined by the expression:

ν12=c(Lλ)-1ΔNd, где c - скорость света, d - толщина клина в месте пересечения его лучом лазера, ΔN=Ne-No - 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 ν12 была выбрана равной 24,8 МГц. С целью снижения потерь поверхности окошка и клина имели высококачественное просветление на длину волны генерации.ν 12 = c (Lλ) -1 ΔNd, where c is the speed of light, d is the thickness of the wedge at the point of intersection with a laser beam, ΔN = N e -N o is the difference in the refractive indices of crystalline quartz. Thus, moving the wedge in the direction perpendicular to the laser axis made it possible to adjust the frequency interval between the generated fields in the range from 0 to c / 2L. Considering that the mode of hard coupling between the modes of the laser used occurs when 24 MHz is split, the value of ν 12 was chosen equal to 24.8 MHz. In order to reduce surface losses, the window and the wedge had high-quality antireflection at the generation wavelength.

Пример №2Example No. 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.In the second implementation example, a laser of the same type was used, but it continuously generated two modes with circular orthogonal polarizations. The laser discharge tube was sealed with mirrors at L = 12.5 cm. The laser was in the solenoid (mirrors and solenoid are not shown in the drawing). The longitudinal magnetic field strength was regulated by the current through the solenoid. When a magnetic field was applied to the active medium of the laser, the atomic transition line was split into two components due to the Zeeman effect. Due to the pulling effect on the centers of these components, the generation frequency was split into two frequencies (or modes) with circular orthogonal polarizations.

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.The experimental setups were identical in both implementation examples and were made in accordance with the given block diagram. The distance from the laser to the reflector was modulated by scanning the reflector using a piezoceramic element 2.

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 2·10-9, что при мощности выходного излучения лазера 150 мкВт соответствовало 3·10-13 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.Informative was the time-periodic signal ΔI at a frequency of 2 kHz in the behavior of the intensity of one of the modes emitted by the laser. This signal was received by photodetector 7 (FEU-51 photomultiplier tube) and fed to amplifier 9 (measuring narrow-band amplifier U2-6 in the 120 Hz band) and then to block 16. The best result is obtained using a laser generating modes with orthogonal linear polarizations, mode whose generation was close to the mode of fierce mode competition. The minimum level of the recorded signal corresponds to attenuator attenuation of 2 · 10 -9 , which at a laser output power of 150 μW corresponded to 3 · 10 -13 W, taking into account the transmission of the laser output mirror (1.4%) and the modulation frequency (2 kHz) to form one period of the informative signal at the level of maximum sensitivity requires 7 photons, which significantly exceeds the sensitivity of known devices.

Полученный результат может быть улучшен при регистрации информативного сигнала в более узкой полосе, а также при использовании мер по снижению шума лазерного излучения.The result can be improved by registering an informative signal in a narrower band, as well as by using measures to reduce the noise of laser radiation.

Предложенный способ и устройство реализованы на современных технических средствах лазерной техники с использованием стандартных оптических средств и средствах аналоговой и цифровой вычислительной техники.The proposed method and device are implemented on modern technical means of laser technology using standard optical means and means of analog and digital computer technology.

Источники информацииInformation sources

1. «Квантовая электроника», 18, №3, 1991 г., с.391-393.1. “Quantum Electronics”, 18, No. 3, 1991, p. 391-393.

2. «Квантовая электроника», 18, №5, 1991 г., с.653-654.2. “Quantum Electronics”, 18, No. 5, 1991, p. 653-654.

3. Патент РФ №2144204, МКл. G02B 21/00, 1996.11.14.3. RF patent No. 2144204, MKl. G02B 21/00, 1996.11.14.

4. Патент РФ №2285279, МКл. G02B 21/00, 2005.01.21.4. RF patent No. 2285279, MKl. G02B 21/00, 2005.01.21.

Claims (5)

1. Способ регистрации отраженного лазерного излучения, заключающийся в генерации двухмодового излучения лазера, направлении его на исследуемый объект и инжекции отраженного от исследуемого объекта излучения внутрь лазера, отличающийся тем, что формируют результирующее лазерное излучение, при этом двухмодовое лазерное излучение с частотами ν1 и ν2 формируют с расщеплением ν1221 в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц, модулируют расстояние D между лазером и исследуемым объектом, задают указанное расстояние в соответствии с условием
D≠(c/2ν12)k,
где k - целое число (k=0, 1, 2, 3 …), с - скорость света,
а по зарегистрированному результирующему лазерному излучению судят о характеристиках исследуемого объекта.
1. The method of recording reflected laser radiation, which consists in generating two-mode laser radiation, directing it to the object under study and injecting radiation reflected from the object under study into the laser, characterized in that the resulting laser radiation is generated, while the two-mode laser radiation with frequencies ν 1 and ν 2 form with splitting ν 12 = ν 21 in the range from 1 MHz to 50 MHz, modulate the distance D between the laser and the object under study, specify the specified distance in accordance with the condition
D ≠ (c / 2ν 12 ) k,
where k is an integer (k = 0, 1, 2, 3 ...), c is the speed of light,
and the registered resulting laser radiation judges the characteristics of the investigated object.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между инжектируемыми в лазер модами с частотами ν1 и ν2 обеспечивают сдвиг фаз φa в соответствии с условием
φa=π[n-4Dν12/c],
где D - расстояние от лазера до исследуемого объекта, n - целое нечетное число.
2. The method according to claim 1, characterized in that between the modes injected into the laser with frequencies ν 1 and ν 2 provide a phase shift φ a in accordance with the condition
φ a = π [n-4Dν 12 / c],
where D is the distance from the laser to the object under study, n is an odd integer.
3. Устройство для регистрации отраженного лазерного излучения, содержащее 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, отличающееся тем, что оно 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 со 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.3. A device for recording reflected laser radiation, comprising a two-mode laser connected to a power supply unit and connected through an optical system to the object of study, phase anisotropic and polarization elements, an alternating signal generator, photodetectors, a frequency detector and a laser radiation control and registration unit, characterized in that it contains a control unit for the phase-anisotropic element, a beam splitting element, a constant-current driver, and a signal amplifier connected in series an amplitude detector was also detected at the modulation frequency, with one of the laser outputs being optically coupled through a phase-anisotropic element to the aforementioned optical system, and the other output was optically coupled to the input of the beam splitter element, one of whose outputs was optically coupled through one of the polarizing elements to the first photodetector, output which is connected to the input of the signal amplifier at the modulation frequency, and the other output of the beam splitter element is optically connected through another polarization element to the second photodetector, under connected to the input of the frequency detector, the output of which is connected to the first input of the control unit and registering laser radiation, the second input of which is connected to the output of the amplitude detector, while the third and fourth inputs of the control unit and registering laser radiation are connected respectively to the first outputs of the variable signal generator and shaper a constant component, the second outputs of which are connected to the inputs of the control unit phase-anisotropic element associated with phase-anisotropic element. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фазоанизотропный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора.4. The device according to claim 3, characterized in that the phase-anisotropic element is made in the form of an electro-optical modulator. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что фазоанизотропный элемент выполнен в виде сканера. 5. The device according to claim 3, characterized in that the phase-anisotropic element is made in the form of a scanner.
RU2009108366/28A 2009-03-10 2009-03-10 Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation RU2408909C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009108366/28A RU2408909C2 (en) 2009-03-10 2009-03-10 Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009108366/28A RU2408909C2 (en) 2009-03-10 2009-03-10 Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009108366A RU2009108366A (en) 2010-09-20
RU2408909C2 true RU2408909C2 (en) 2011-01-10

Family

ID=42938680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009108366/28A RU2408909C2 (en) 2009-03-10 2009-03-10 Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2408909C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009108366A (en) 2010-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9863815B2 (en) Method and apparatus for multifrequency optical comb generation
Ries et al. Experimental vacuum squeezing in rubidium vapor via self-rotation
US6727492B1 (en) Cavity ringdown spectroscopy system using differential heterodyne detection
US7804069B2 (en) Imaging apparatus and method
EP1046900A2 (en) Optical heterodyne detection for cavity ring-down spectroscopy
US11802899B2 (en) Apparatus and method for measuring microwave electric field at continuous frequencies based on alternating current (AC) Stark effect of Rydberg atoms
CN112098737B (en) Method and device for measuring intensity of microwave electric field
US8537362B2 (en) Cavity ring down spectroscopy using measured backward mode data
Ye et al. Ultrastable optical frequency reference at 1.064/spl mu/m using a C/sub 2/HD molecular overtone transition
CN109580541A (en) A kind of optical heterodyne cavity ring-down spectroscopy measuring device and method
JPH08211132A (en) Voltage measuring apparatus
CN113534104A (en) Frequency modulation continuous wave laser imaging system based on Fourier domain mode locking fiber laser
EP0908710A2 (en) Apparatus and method for measuring characteristics of light
WO2021048967A1 (en) Gas absorbance spectrum measurement device, frequency locking method, and gas absorbance spectrum measurement method
RU2408909C2 (en) Method of detecting reflected laser radiation and apparatus for detecting reflected laser radiation
CN116679506A (en) Vacuum locking device and method for continuous variable optical parameter cavity
WO2011068417A1 (en) Method and apparatus for detection of ultrasound
US9116042B1 (en) Cavity ring down spectroscopy using measured backward mode data
JP3500215B2 (en) Voltage measuring device
CN219831353U (en) Magnetic detection device based on diamond NV color center and Kerr effect
TWI559636B (en) Light source apparatus
RU1775622C (en) Dispersion interferometer
RU2229693C2 (en) Reflectometer to measure distribution of voltage and temperature in fiber light guides
Yarai et al. A new Bragg reflection detection instrument for ultrasonic measurement based on self-mixing effects for laser diode
JPH06235641A (en) Optical fiber gyroscope

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110311