RU2699921C1 - Method of determining mutual position of overlapping optical beams - Google Patents

Method of determining mutual position of overlapping optical beams Download PDF

Info

Publication number
RU2699921C1
RU2699921C1 RU2018140383A RU2018140383A RU2699921C1 RU 2699921 C1 RU2699921 C1 RU 2699921C1 RU 2018140383 A RU2018140383 A RU 2018140383A RU 2018140383 A RU2018140383 A RU 2018140383A RU 2699921 C1 RU2699921 C1 RU 2699921C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beams
optical
optical beams
screen
focal plane
Prior art date
Application number
RU2018140383A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Юрьевич Клоков
Андрей Иванович Шарков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Пикоакустика"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Пикоакустика" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Пикоакустика"
Priority to RU2018140383A priority Critical patent/RU2699921C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2699921C1 publication Critical patent/RU2699921C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to measurement optics. Disclosed method of determining the mutual position of overlapping optical beams involves modulating optical beams and detecting light fluxes of the beams using a photodetector. Optical beams are modulated by passing each n-th optical beam from a set of N optical beams through a separate light modulator, performing change in the intensity of the optical beam according to law 1+Un(t), where Un(t) is an orthogonal Walsh function. Optical beams are then collected in a focal plane using an optical system. Opaque screen is moved along the focal plane along one or two coordinates from the position when all optical beams are open to a position when all optical beams are closed to allow gradual overlapping of the optical beams. Recording the light flux of each of the N optical beams is carried out in the form of an orthogonal function by means of a photodetector installed behind the screen near the focal plane, with a multichannel receiver of orthogonal signals connected to it. One or two coordinates corresponding to the position of said screen in the focal plane are simultaneously recorded. According to the obtained data for each of the N beams, the dependence of the light flux on the coordinates of the screen is determined, numerical differentiation of optical beam light flux dependences from screen position coordinates is performed to obtain intensity distribution of optical beams on the screen and mutual arrangement of overlapping beams is determined from the distance between centers of masses of optical beams. Providing submicron accuracy of measurement of mutual position of optical beams by distribution of intensity of each beam in focal plane, and also reduced time of measurements.
EFFECT: provision of submicron accuracy of measurement of mutual position of optical beams with determination of intensity distribution of each beam in focal plane with considerable reduction of measurement time.
1 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной оптике, а именно, к способу определения взаимного расположения в пространстве нескольких оптических пучков, частично или полностью перекрывающихся пучков. Изобретение может найти применение при оптическом измерении тепловых, механических и акустических параметров наноструктур и объемных материалов с помощью фототермической, пикоакустической методик, требующих контроля совмещения фокальных пятен с размерами менее 1 мкм с точностью до 100 нм, а также для юстировки оптических приборов, содержащих объективы с большой числовой апертурой.The invention relates to measuring optics, and in particular, to a method for determining the relative position in space of several optical beams, partially or completely overlapping beams. The invention may find application in the optical measurement of thermal, mechanical, and acoustic parameters of nanostructures and bulk materials using photothermal, picoacoustic techniques requiring control of combining focal spots with sizes less than 1 μm with an accuracy of 100 nm, as well as for adjusting optical devices containing lenses with large numerical aperture.

Из всех известных методов измерений оптические измерения относятся к наиболее точным. Пороговая чувствительность и точность классических методов оптических измерений находится на уровне длины волны излучения, которая для видимого излучения составляет величину порядка 0,5 мкм. Задачей современных технологий является повышение точности и чувствительности еще в десятки раз (Кирилловский В.К. и др. Оптические измерения, ч. 2, Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 2017, с. 3// http://aco.ifmo.ru/upload/publications/book_opt_mes_part_2_2017.pdf).Of all known measurement methods, optical measurements are among the most accurate. The threshold sensitivity and accuracy of classical methods of optical measurements is at the level of the radiation wavelength, which for visible radiation is about 0.5 μm. The task of modern technologies is to increase the accuracy and sensitivity by a factor of ten (Kirillovsky V.K. et al. Optical Measurements, part 2, St. Petersburg, ITMO University, 2017, p. 3 // http: //aco.ifmo. com / upload / publications / book_opt_mes_part_2_2017.pdf).

Известен способ измерения параметров лазерного луча (SU 1791788 Al, G02B 26/00, H01S 3/00, 30.01.1993), основанный на периодическом пропускании частей оптического пучка с помощью системы щелей, расположенных на двух вращающихся соосных дисках. Один из дисков расположен до перетяжки оптического пучка, а другой после, непосредственно перед фотоприемником. Значения дефокусировки и параметров астигматизма светового пучка выражаются через параметры эллипсов (длины полуосей, угол наклона одной из осей эллипса к плоскости устройства), образующихся при пересечении светового пучка дисками. При вращении дисков через систему щелей производятся отсчеты проекций эллипсов, по которым, с помощью преобразования Радона, возможно восстановление параметров эллипсов и далее - положение фокуса и астигматизма оптического пучка. Основным недостатком метода является невозможность одновременного измерения распределения интенсивности двух и более пучков, частично перекрывающихся в пространстве. Для определения взаимного положения пучков необходимо проводить измерения распределений интенсивности отдельно для каждого пучка, при этом требуется высокая механическая стабильность привода диска, поскольку сравниваются распределения интенсивности в абсолютных координатах.A known method of measuring the parameters of the laser beam (SU 1791788 Al, G02B 26/00, H01S 3/00, 01/30/1993), based on the periodic transmission of parts of the optical beam using a system of slots located on two rotating coaxial disks. One of the disks is located before the waist of the optical beam, and the other after, directly in front of the photodetector. The values of defocusing and astigmatism parameters of the light beam are expressed in terms of the parameters of the ellipses (the length of the semiaxes, the angle of inclination of one of the axes of the ellipse to the plane of the device), which are formed when the light beam intersects the disks. When the disks rotate through the system of slots, the projections of the ellipses are counted, according to which, using the Radon transform, it is possible to restore the parameters of the ellipses and then the position of the focus and astigmatism of the optical beam. The main disadvantage of this method is the impossibility of simultaneously measuring the intensity distribution of two or more beams that partially overlap in space. To determine the mutual position of the beams, it is necessary to measure the intensity distributions separately for each beam, and high mechanical stability of the disk drive is required, since the intensity distributions are compared in absolute coordinates.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ измерения параметров лазерного луча (US 5459565 A, G01J 1/04, 17.10.1995), основанный на периодическом затенении измеряемого луча кромками ножей или щелей расположенных в боковой стенке вращающегося барабана, внутри которого находится фотодетектор, регистрирующий зависимость интенсивности от угла поворота барабана. Благодаря наличию кромок ножей и/или щелей, расположенных под разными углами относительно оси барабана, удается за один оборот барабана получить достаточное количество информации, чтобы определить распределение интенсивности в оптическом пучке. Недостатком данного метода является невозможность одновременного измерения распределения интенсивности и взаимного положения двух и более лучей, частично совпадающих в пространстве. Проведение таких измерений с помощью описанного метода требует его последовательного применения к каждому лучу, в результате чего увеличивается в N раз (N - количество лучей) время измерения, при этом нестабильность измерения абсолютных координат лучей должна быть менее 100 нм.The closest in technical essence to the proposed method is a method of measuring the parameters of the laser beam (US 5459565 A, G01J 1/04, 10.17.1995), based on the periodic shading of the measured beam with the edges of knives or slots located in the side wall of the rotating drum, inside which there is a photodetector , recording the dependence of the intensity on the angle of rotation of the drum. Due to the presence of the edges of the knives and / or slots located at different angles relative to the axis of the drum, it is possible to obtain enough information in one revolution of the drum to determine the intensity distribution in the optical beam. The disadvantage of this method is the impossibility of simultaneously measuring the distribution of intensity and the relative position of two or more rays, partially coinciding in space. Carrying out such measurements using the described method requires its consistent application to each beam, as a result of which the measurement time increases by a factor of N (N is the number of rays), while the instability of measuring the absolute coordinates of the rays should be less than 100 nm.

Технической задачей изобретения является повышение точности и простоты измерения распределения интенсивности и определения взаимного положения N перекрывающихся (в том числе перекрывающихся частично или полностью) оптических пучков в фокальной плоскости.An object of the invention is to increase the accuracy and simplicity of measuring the intensity distribution and determining the relative position of N overlapping (including partially or completely overlapping) optical beams in the focal plane.

Техническим результатом изобретения является обеспечение субмикронной точности измерения взаимного положения оптических пучков с определением распределения интенсивности каждого пучка в фокальной плоскости при существенном сокращении времени измерений.The technical result of the invention is the provision of submicron accuracy of measuring the relative position of optical beams with determining the intensity distribution of each beam in the focal plane with a significant reduction in measurement time.

Способ определения взаимного положения перекрывающихся оптических пучков включает следующую последовательность стадий:The method for determining the mutual position of overlapping optical beams includes the following sequence of stages:

- каждый n-ый оптический пучок из набора N пучков пропускают через отдельный модулятор света, осуществляющий изменение интенсивности пучка по закону 1+Un(t), где Un(t) - ортогональная функция Уолша,- each n-th optical beam from a set of N beams is passed through a separate light modulator, which changes the beam intensity according to the law 1 + Un (t), where Un (t) is the Walsh orthogonal function,

- с помощью оптической системы оптические пучки собирают в фокальной плоскости,- using an optical system, optical beams are collected in the focal plane,

- вдоль фокальной плоскости по одной или двум координатам перемещают непрозрачный экран, выполненный в виде ножа, или двух ножей с взаимно перпендикулярными краями, или диафрагмы с круглым или прямоугольным отверстием, из положения, когда все оптические пучки открыты, в положение, когда все оптические пучки закрыты, с обеспечением постепенного перекрытия оптических пучков, при этом обеспечивают одновременную регистрацию одной или двух координат экрана в фокальной плоскости и соответствующих им значений световых потоков каждого из N пучков в виде ортогональных функций посредством установленного за экраном вблизи фокальной плоскости фотодиода и подключенного к нему многоканального приемника ортогональных сигналов,- along the focal plane, one or two coordinates move an opaque screen made in the form of a knife, or two knives with mutually perpendicular edges, or a diaphragm with a round or rectangular hole, from the position when all the optical beams are open, to the position when all the optical beams closed, providing gradual overlapping of the optical beams, while simultaneously registering one or two screen coordinates in the focal plane and the corresponding values of the light fluxes of each of the N beams s as the set of orthogonal functions by the screen near the focal plane and photodiode connected thereto multichannel orthogonal signal receiver,

- по полученным данным для каждого из N оптических пучков определяют зависимость светового потока от координат экрана,- according to the data obtained for each of the N optical beams, the dependence of the light flux on the coordinates of the screen is determined,

- проводят численное дифференцирование зависимостей световых потоков пучков от координат экрана с получением распределения интенсивности оптических пучков на экране и, по расстоянию между центрами масс оптических пучков, определяют взаимное расположение перекрывающихся пучков.- carry out a numerical differentiation of the dependences of the light flux of the beams on the coordinates of the screen to obtain the distribution of the intensity of the optical beams on the screen and, by the distance between the centers of mass of the optical beams, determine the relative position of the overlapping beams.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

Фиг. 1. Схема модуляции и регистрации световых потоков оптических пучковFIG. 1. The modulation and registration scheme of the optical flux of optical beams

Фиг. 2. Возможные формы выполнения непрозрачного экранаFIG. 2. Possible forms of execution of an opaque screen

Фиг. 3. Схема модуляции и регистрации световых потоков трех перекрывающихся оптических пучковFIG. 3. The modulation and registration scheme of the light flux of three overlapping optical beams

Фиг. 4. Зависимость световых потоков трех оптических пучков от времени на выходах модуляторовFIG. 4. The dependence of the light flux of three optical beams on time at the outputs of the modulators

Фиг. 5. Схема перекрытия ножом трех перекрывающихся оптических пучковFIG. 5. Knife overlap pattern of three overlapping optical beams

Фиг. 6. Зависимость от времени светового потока на фотодиодеFIG. 6. The time dependence of the light flux on the photodiode

Фиг. 7. Схема модуляции и регистрации двух перекрывающихся оптических пучковFIG. 7. The modulation and registration scheme of two overlapping optical beams

Фиг. 8. Зависимость световых потоков двух перекрывающихся оптических пучков от времени на выходах модуляторовFIG. 8. The dependence of the light flux of two overlapping optical beams on time at the outputs of the modulators

Фиг. 9. Результаты измерений по двум координатам для двух перекрывающихся оптических пучковFIG. 9. Measurement results in two coordinates for two overlapping optical beams

Оптические пучки В1, В2, … BN (фиг. 1), в общем случае не параллельные (в случае, когда пучки параллельны их пятна в фокальной плоскости совпадают) оптической оси системы, со световыми потоками P1, Р2, …PN, где N - количество пучков, пропускают через модуляторы 1, где модулируются функциями 1+U1(t), 1+U2(t), l+UN(t), причем функции Un(t), где n=1,2…N, являются ортогональными функциями Уолша wal(n,t/T) (Трахтман A.M. и др. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах, М., Советское радио, 1975, с. 207. /[1]). Здесь P1, Р2, …PN - значение световых потоков (Вт), U1(t), U2(t), … UN(t) - безразмерные значения функций Уолша с параметрами n=1,2…N и t/T, t - время (сек), Т - период (сек). После прохождения модуляторов световые потоки оптических пучков становятся зависящими от времени по закону: P1⋅(1+U1(t)), P2⋅(1+U2(t)),…, PN⋅(1+UN(t)).Optical beams B 1 , B2, ... B N (Fig. 1), generally not parallel (in the case when the beams are parallel, their spots in the focal plane coincide) of the optical axis of the system, with light fluxes P 1 , P 2 , ... P N , where N is the number of beams, pass through modulators 1, where they are modulated by the functions 1 + U 1 (t), 1 + U 2 (t), l + U N (t), and the functions Un (t), where n = 1,2 ... N, are the Walsh orthogonal functions wal (n, t / T) (Trakhtman AM et al. Fundamentals of the theory of discrete signals at finite intervals, M., Soviet Radio, 1975, p. 207. / [1]). Here P 1 , P 2 , ... P N is the value of light fluxes (W), U 1 (t), U 2 (t), ... U N (t) are the dimensionless values of the Walsh functions with parameters n = 1,2 ... N and t / T, t is time (s), T is period (s). After passing through the modulators, the light fluxes of the optical beams become time-dependent according to the law: P 1 ⋅ (1 + U 1 (t)), P 2 ⋅ (1 + U 2 (t)), ..., P N ⋅ (1 + U N (t)).

В качестве модуляторов могут использоваться любые известные модуляторы, такие как механические прерыватели пучка, электрооптические (на эффекте Поккельса) и акустооптические. Модулированные пучки фокусируют с помощью линзы или объектива 2 в фокальной плоскости 3. Справа на фиг. 1 приведен пример возможного распределения интенсивности пучков в фокальной плоскости 3, когда экран 4 не пересекает пучки. Вдоль фокальной плоскости по одной или двум координатам с помощью микрометрического привода XY перемещают экран 4. Возможные формы экрана приведены на фиг. 2, при этом окружностями схематично показано возможное положение сечений пучков в плоскости экрана. Форма экрана в виде ножа (см. фиг. 2а) позволяет проводить измерения распределения интенсивности и взаимного положения пучков по одной координате. Формы экрана в виде двойного ножа (см. фиг. 2б)) и диафрагм (см. фиг. 2в), г)), позволяют проводить последовательные измерения по двум координатам. За экраном 4 устанавливают фотодиод 5, регистрирующий в зависимости от времени световой поток PΣ=P1⋅S1(x,y)⋅(1+U1(t))+P2⋅S2(x,y)⋅(1+U2(t))+…+PN⋅SN(x,y)⋅(1+UN(t)), который изменяется при перемещении экрана. Функции S1(x,y), S2(x,y), …, SN(x,y) показывают, какая часть светового потока не затенена экраном, находящимся в положении х, у. В случае если интенсивности пучков невелики, можно считать режим работы фотодиода линейным, при этом на выходе возникает фототок ID+k⋅PΣ, где k - чувствительность фотодиода.As modulators, any known modulators can be used, such as mechanical beam choppers, electro-optical (based on the Pockels effect) and acousto-optical. The modulated beams are focused using a lens or objective 2 in the focal plane 3. On the right in FIG. Figure 1 shows an example of a possible distribution of the beam intensity in the focal plane 3 when the screen 4 does not intersect the beams. Along the focal plane, one or two coordinates move the screen 4 using the XY micrometric drive. Possible screen shapes are shown in FIG. 2, while the circles schematically show the possible position of the beam sections in the plane of the screen. The shape of the screen in the form of a knife (see Fig. 2a) allows measurements of the intensity distribution and the relative position of the beams along one coordinate. The screen forms in the form of a double knife (see Fig. 2b)) and diaphragms (see Fig. 2c), d)), allow consecutive measurements in two coordinates. Behind the screen 4, a photodiode 5 is installed, which records the light flux P Σ = P 1 ⋅S 1 (x, y) ⋅ (1 + U 1 (t)) + P 2 ⋅S 2 (x, y) ⋅ ( 1 + U 2 (t)) + ... + P N ⋅S N (x, y) ⋅ (1 + U N (t)), which changes as the screen moves. The functions S 1 (x, y), S 2 (x, y), ..., S N (x, y) show which part of the light flux is not obscured by the screen in the x, y position. If the beam intensities are small, we can consider the photodiode operating mode to be linear, with the output current I D + k⋅P Σ , where k is the sensitivity of the photodiode.

Сигнал с выхода фотодиода подается на вход приемника ортогональных сигналов 6. Каждый из выходов приемника ортогональных сигналов настроен на одну и только одну функцию из набора Un(t), n=1…N. На соответствующих выходах получаем P1⋅S1(x,y), P2⋅S2(x,y),…, PN⋅SN(x,y). Таким образом, перемещая экран из положения, когда все пучки открыты, в положение, когда все пучки закрыты, одновременно регистрируя координату и выходы многоканального приемника 6 получают функции S1(x,y), S2(x,y),…, SN(x,y). Дифференцируя эти функции по координатам, получают распределения интенсивностей пучков в плоскости 3, и расстояние между пучками, как расстояние между центрами масс пучков.The signal from the output of the photodiode is fed to the input of the receiver of orthogonal signals 6. Each of the outputs of the receiver of orthogonal signals is configured for one and only one function from the set Un (t), n = 1 ... N. At the corresponding outputs, we obtain P 1 ⋅ S 1 (x, y), P 2 ⋅ S 2 (x, y), ..., P N ⋅S N (x, y). Thus, moving the screen from the position when all the beams are open, to the position when all the beams are closed, simultaneously registering the coordinate and outputs of the multi-channel receiver 6 get the functions S 1 (x, y), S 2 (x, y), ..., S N (x, y). Differentiating these functions with respect to the coordinates, we obtain the intensity distributions of the beams in plane 3, and the distance between the beams, as the distance between the centers of mass of the beams.

Благодаря тому, что зависимости световых потоков от положения экрана для всех пучков определяются одновременно (при определенном значении координаты происходит измерение потоков сразу всех пучков), отсутствуют ошибки измерения взаимного расположения распределений интенсивностей отдельных пучков. Такие ошибки неизбежно возникают из-за механических нестабильностей (люфтов) в приводе экрана при проведении измерении по отдельности для каждого пучка.Due to the fact that the dependences of light fluxes on the screen position for all beams are determined simultaneously (at a certain coordinate value, the fluxes of all beams are measured at once), there are no errors in measuring the relative positions of the intensity distributions of individual beams. Such errors inevitably arise due to mechanical instabilities (backlashes) in the screen drive during the measurement separately for each beam.

Применение ортогональной модуляции интенсивностей оптических пучков, придает предлагаемому методу новое качество - многоканальность, существенно расширяющее его возможности, и отсутствующее в существующих методах измерения параметров оптических пучков.The use of orthogonal modulation of the intensities of optical beams gives the proposed method a new quality - multichannel, significantly expanding its capabilities, and absent in existing methods for measuring the parameters of optical beams.

Пример 1Example 1

На фиг. 3 продемонстрирована схема модуляции трех перекрывающихся пучков. Предположим, что вдоль оптической оси Z распространяются три оптических пучка В1, В2, В3 с величинами световых потоков P1=2 мВт, Р2=1 мВт, Р3=0,5 мВт под небольшими углами ≤10-4÷10-3 радиана к оси Z (фиг. 3). Заметим сразу, что такие углы относительно оптической оси у объектива с фокусным расстоянием ≈5 мм приводят к смещению фокального пятна на 0,5÷5 мкм. При диаметре фокального пятна 1,5÷2 мкм это может привести к тому, что пучки не будут перекрываться в фокальной плоскости.In FIG. 3 shows a modulation scheme for three overlapping beams. Suppose that along the optical axis Z three optical beams B 1 , B 2 , B 3 propagate with the values of the light fluxes P 1 = 2 mW, P 2 = 1 mW, P 3 = 0.5 mW at small angles ≤10 -4 ÷ 10 -3 radians to the Z axis (Fig. 3). We note immediately that such angles with respect to the optical axis of an objective with a focal length of ≈5 mm lead to a shift of the focal spot by 0.5–5 μm. With the diameter of the focal spot 1.5 ÷ 2 μm, this can lead to the fact that the beams will not overlap in the focal plane.

Модуляторы 1, модулируют световые пучки функциями 1+wal(1,t/T), 1+wal(2,t/T), 1+wal(3,t/T), где wal(m,t/T) - функции Уолша. Зависимость световых потоков от времени на выходах модуляторов приведена на фиг. 4а), б), в). В качестве примера рассмотрим измерение распределения интенсивности пучков по одной координате, в этом случае в качестве экрана используется нож.Modulators 1, modulate light beams by the functions 1 + wal (1, t / T), 1 + wal (2, t / T), 1 + wal (3, t / T), where wal (m, t / T) - Walsh functions. The time dependence of the light fluxes at the outputs of the modulators is shown in FIG. 4a), b), c). As an example, we consider measuring the distribution of the beam intensity along one coordinate, in this case, a knife is used as a screen.

На фиг. 5а) нож не перекрывает пучки, при этом световой поток от пучков на фотодиоде равен Pa(t)=2⋅(1+wal(1,t))+1⋅(1+wal(2,t))+0.5⋅(1+wal(3,t)) и имеет вид, приведенный на Рис. 6а). Поскольку каждый выход (канал) приемника (см. фиг. 3, где приведена схема приемника, ФНЧ - фильтры нижних частот) реагирует на сигнал, вызванный только «своей» модулирующей функцией, то на выходах каналов 1, 2, 3 имеем P1, Р2, Р3, поскольку S1(x0)=S2(x0)=S3(x0)=1.In FIG. 5a) does not overlap the knife beams, the beams of light flux in the photodiode is equal to P a (t) = 2⋅ (1 + wal (1, t)) + 1⋅ (1 + wal (2, t)) + 0.5⋅ (1 + wal (3, t)) and has the form shown in Fig. 6a). Since each output (channel) of the receiver (see Fig. 3, where the receiver circuit is shown, low-pass filters - low-pass filters) responds to a signal caused only by its “own” modulating function, we have P 1 at the outputs of channels 1, 2, 3, P 2 , P 3 , since S 1 (x 0 ) = S 2 (x 0 ) = S 3 (x 0 ) = 1.

В положении фиг. 5б) пучок P1 частично перекрыт ножом, его поток при этом P1⋅S1(x1). На фотодиоде сумма световых потоков равна Pб(t)=0.7⋅2⋅(l+wal(1,t))+1⋅(1+wal(2,t))+0.5⋅(1+wal(3,t)) и имеет вид фиг. 6б). На выходах каналов 1, 2, 3 приемника имеем P1⋅S1(x1), Р2, Р3.In the position of FIG. 5b) the beam P 1 is partially blocked by a knife, while its flow is P 1 ⋅ S 1 (x 1 ). On the photodiode, the sum of the light fluxes is P b (t) = 0.7⋅2⋅ (l + wal (1, t)) + 1⋅ (1 + wal (2, t)) + 0.5⋅ (1 + wal (3, t )) and has the form of FIG. 6b). At the outputs of channels 1, 2, 3 of the receiver, we have P1⋅S 1 (x 1 ), P 2 , P 3 .

В положении фиг. 5в) частично перекрыты все три пучка, сумма световых потоков на фотодиоде равна Рв(t)=0.1⋅2⋅(1+wal(1,t))+0.6⋅1⋅(1+wal(2,t))+0.7⋅0.5⋅(1+wal(3,t)) и имеет вид фиг. 6в), а на выходах каналов 1, 2, 3 приемника имеем P1⋅S1(x2), P2⋅S2(x2), P3⋅S3(x2). Таким образом, происходит независимое измерение функций S1(x), S2(x), S3(x), дифференцируя которые, находят распределение интенсивности пучков в фокальной плоскости.In the position of FIG. 5c) all three beams are partially blocked, the sum of the light fluxes on the photodiode is equal to P in (t) = 0.1⋅2⋅ (1 + wal (1, t)) + 0.6⋅1⋅ (1 + wal (2, t)) + 0.7⋅0.5⋅ (1 + wal (3, t)) and has the form of FIG. 6c), and at the outputs of channels 1, 2, 3 of the receiver we have P 1 ⋅ S 1 (x 2 ), P 2 ⋅ S 2 (x 2 ), P 3 ⋅ S 3 (x 2 ). Thus, an independent measurement of the functions S 1 (x), S 2 (x), S 3 (x) takes place, differentiating which, they find the beam intensity distribution in the focal plane.

Получение технического результата - субмикронной точности измерения взаимного положения трех пучков, обеспечивается одновременным измерением световых потоков при каждом положении ножа, позволяющим за один проход ножа определить все функции S1(x), S2(x), S3(х). При этом исключается требование высокой абсолютной точности (~100 нм) измерения координаты ножа, которое является основным при последовательном измерении функций S1(x), S2(x), S3(x). Достаточно лишь относительной точности измерения координат ножа ~100 нм, реализуемой, в механических приводах средней точности.Obtaining a technical result - submicron accuracy of measuring the mutual position of three beams, is ensured by the simultaneous measurement of light fluxes at each position of the knife, which allows to determine all functions S 1 (x), S 2 (x), S 3 (x) in one pass of the knife. This eliminates the requirement of high absolute accuracy (~ 100 nm) for measuring the coordinate of the knife, which is the main one in sequential measurement of the functions S 1 (x), S 2 (x), S 3 (x). All that is needed is the relative accuracy of measuring knife coordinates ~ 100 nm, which is realized in medium-precision mechanical drives.

Пример 2Example 2

На Фиг. 7 продемонстрирована схема модуляции двух перекрывающихся пучков. Лазерные пучки B1 и В2 с величинами световых потоков P1=2 мВт, Р2=2 мВт проходят через механический прерыватель (модулятор) 1, формирователь 7 и электрооптический модулятор 8, которые модулируют интенсивности пучков функциями 1+wal(1, t/T) и 1+wal(2, t/T) (см. фиг. 8), после чего совмещаются с помощью зеркала 9 и далее попадают в объектив 2 с числовой апертурой 0,4. Вдоль фокальной плоскости перемещают по двум координатам двойной нож 4 (фиг. 2б)), из положения, когда оба пучка открыты в положение, когда оба пучка закрыты. Измерения проводят сначала по координате X, затем по координате Y. С помощью фотодиода 5, установленного за фокальной плоскостью 3, подключенного к векторному синхронному усилителю 6, регистрируют две ортогональные функции, и, одновременно, координаты двойного ножа. Микрометрический привод диафрагмы XY и усилитель 6 управляются от компьютера 10. Результаты измерений по двум координатам приведены на фиг. 9а) и б). На фиг. 9а) сплошными кривыми 1 и 2 показаны результаты одновременного измерения потоков пучков B1 и В2 при движении ножа по координате X. Пунктирными кривыми 1 и 2 показаны, соответствующие им распределения интенсивности пучков, полученные численным дифференцированием. Стрелками отмечены вычисленные положения центров масс пучков 4,9 мкм и 5,4 мкм. Таким образом, расстояние между пучками по координате X составляет 0,5 мкм. Ширина пучков на полувысоте по этой координате составляет 1,9 мкм и 4,2 мкм. На фиг. 9б) показаны результаты аналогичных измерений для случая, когда нож двигался по координате Y. В этом случае положение центров масс пучков составило 8,2 мкм и 8,6 мкм, поэтому расстояние между пучками по координате Y составляет 0,4 мкм. Ширина пучков на полувысоте по этой координате составляет 2,5 мкм и 5 мкм. Здесь, также как в Примере 1, технический результат - субмикронная точность измерения взаимного положения двух пучков, обеспечена одновременным измерением световых потоков при каждом положении ножа, позволяющем за первый проход ножа определить для обоих пучков зависимости световых потоков от координаты X ножа, а при втором проходе зависимости световых потоков обоих пучков от координаты Y. Абсолютные значения координат ножа не используются при определении взаимного положения пучков.In FIG. 7 shows a modulation scheme for two overlapping beams. Laser beams B 1 and B 2 with luminous flux values P 1 = 2 mW, P 2 = 2 mW pass through a mechanical chopper (modulator) 1, shaper 7 and electro-optical modulator 8, which modulate the beam intensities with the functions 1 + wal (1, t / T) and 1 + wal (2, t / T) (see Fig. 8), after which they are combined using mirror 9 and then fall into lens 2 with a numerical aperture of 0.4. A double knife 4 (Fig. 2b)) is moved along the focal plane along two coordinates from the position when both beams are open to the position when both beams are closed. Measurements are carried out first along the X coordinate, then along the Y coordinate. Using a photodiode 5, installed behind the focal plane 3, connected to the vector synchronous amplifier 6, two orthogonal functions are recorded, and, at the same time, the coordinates of the double knife. The XY aperture micrometric drive and amplifier 6 are controlled by computer 10. The measurement results in two coordinates are shown in FIG. 9a) and b). In FIG. 9a) solid curves 1 and 2 show the results of simultaneous measurements of beam fluxes B 1 and B 2 when the knife moves along the coordinate X. Dotted curves 1 and 2 show the corresponding beam intensity distributions obtained by numerical differentiation. The arrows indicate the calculated positions of the centers of mass of the beams 4.9 μm and 5.4 μm. Thus, the distance between the beams along the X coordinate is 0.5 μm. The beam width at half maximum along this coordinate is 1.9 μm and 4.2 μm. In FIG. 9b) shows the results of similar measurements for the case when the knife moved along the Y coordinate. In this case, the position of the centers of mass of the beams was 8.2 μm and 8.6 μm, so the distance between the beams along the Y coordinate is 0.4 μm. The beam width at half maximum along this coordinate is 2.5 μm and 5 μm. Here, as in Example 1, the technical result - submicron accuracy of measuring the relative position of two beams, is ensured by simultaneous measurement of light fluxes at each position of the knife, which allows determining the dependence of light fluxes on the X coordinate of the knife for both beams for the first pass and the second pass dependences of the light fluxes of both beams on the Y coordinate. The absolute values of the knife coordinates are not used in determining the mutual position of the beams.

Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность одновременного определения распределения интенсивности и взаимного расположения, в том числе частично совпадающих в пространстве пучков.Thus, the above example clearly demonstrates the possibility of simultaneously determining the intensity distribution and relative position, including partially coincident beams in space.

Claims (1)

Способ определения взаимного положения перекрывающихся оптических пучков, включающий модуляцию оптических пучков и регистрацию световых потоков пучков фотоприемником, отличающийся тем, что модуляцию оптических пучков ведут путем пропускания каждого n-го оптического пучка из набора N оптических пучков через отдельный модулятор света, осуществляющий изменение интенсивности оптического пучка по закону 1+Un(t), где Un(t) - ортогональная функция Уолша, затем оптические пучки собирают в фокальной плоскости с помощью оптической системы, вдоль фокальной плоскости по одной или двум координатам перемещают непрозрачный экран, выполненный в виде ножа, или двух ножей с взаимно перпендикулярными краями, или диафрагмы с круглым или прямоугольным отверстием, из положения, когда все оптические пучки открыты, в положение, когда все оптические пучки закрыты, с обеспечением постепенного перекрытия оптических пучков, при этом регистрацию световых потоков каждого из N оптических пучков ведут в виде ортогональной функции посредством фотоприемника, выполненного в виде фотодиода, установленного за экраном вблизи фокальной плоскости, с подключенным к нему многоканальным приемником ортогональных сигналов, и обеспечивают одновременную регистрацию одной или двух координат, соответствующих положению упомянутого экрана в фокальной плоскости, после чего по полученным данным для каждого из N пучков определяют зависимость светового потока от координат положения экрана, проводят численное дифференцирование зависимостей световых потоков оптических пучков от координат положения экрана с получением распределения интенсивности оптических пучков на экране и по расстоянию между центрами масс оптических пучков определяют взаимное расположение перекрывающихся пучков.A method for determining the mutual position of overlapping optical beams, including modulating the optical beams and registering the light fluxes of the beams with a photodetector, characterized in that the modulation of the optical beams is carried out by passing each n-th optical beam from a set of N optical beams through a separate light modulator that changes the intensity of the optical beam according to the law 1 + Un (t), where Un (t) is the Walsh orthogonal function, then the optical beams are collected in the focal plane using the optical system, along the opaque screen made in the form of a knife, or two knives with mutually perpendicular edges, or a diaphragm with a round or rectangular hole, from the position when all the optical beams are open, to the position when all the optical beams are closed, with the gradual overlapping of the optical beams, while the registration of the light fluxes of each of the N optical beams is carried out in the form of an orthogonal function by means of a photodetector made in the form of a photodiode, it is established about behind the screen near the focal plane, with a multi-channel receiver of orthogonal signals connected to it, and provide simultaneous registration of one or two coordinates corresponding to the position of the said screen in the focal plane, after which the dependence of the light flux on the position coordinates is determined for each of the N beams screen, carry out numerical differentiation of the dependences of the optical flux of optical beams on the coordinates of the position of the screen to obtain the distribution of the optical intensity beams on the screen and the distance between the centers of mass of the optical beams determine the relative position of the overlapping beams.
RU2018140383A 2018-11-15 2018-11-15 Method of determining mutual position of overlapping optical beams RU2699921C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018140383A RU2699921C1 (en) 2018-11-15 2018-11-15 Method of determining mutual position of overlapping optical beams

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018140383A RU2699921C1 (en) 2018-11-15 2018-11-15 Method of determining mutual position of overlapping optical beams

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2699921C1 true RU2699921C1 (en) 2019-09-11

Family

ID=67989478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018140383A RU2699921C1 (en) 2018-11-15 2018-11-15 Method of determining mutual position of overlapping optical beams

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2699921C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1791788A1 (en) * 1990-05-21 1993-01-30 Vnii Altair Device for measurement of spatial-time characteristics of light beams
US5459565A (en) * 1993-08-20 1995-10-17 Duma Optronics, Ltd. Laser beam analyzer
US20030174314A1 (en) * 2002-02-08 2003-09-18 Riza Nabeel Agha Digital optical beam profiler

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1791788A1 (en) * 1990-05-21 1993-01-30 Vnii Altair Device for measurement of spatial-time characteristics of light beams
US5459565A (en) * 1993-08-20 1995-10-17 Duma Optronics, Ltd. Laser beam analyzer
US20030174314A1 (en) * 2002-02-08 2003-09-18 Riza Nabeel Agha Digital optical beam profiler
US6922233B2 (en) * 2002-02-08 2005-07-26 Nuonics, Inc. Digital optical beam profiler

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3927944A (en) Spectrophotometer
CN107884903A (en) With the zoomar for focusing on monitoring and control
CN111504612B (en) Testing arrangement of many light sources laser damage threshold value
US3447874A (en) Apparatus for testing lenses and method
US3528748A (en) Alignment of adjustable parts of a structure
RU2699921C1 (en) Method of determining mutual position of overlapping optical beams
CN207456742U (en) GRIN Lens transmission wavefront measuring device
US4125778A (en) Apparatus for laser anemometry
CN109297585B (en) Optical experiment system and method for measuring laser spot focusing diameter based on spot offset method
JP2902421B2 (en) Interferometer
RU166499U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF THE INTEGRAL LIGHT SCATTERING FACTOR BY THE MIRROR SURFACE
CN108593625A (en) A kind of all -fiber confocal Raman spectra measurement method based on energy back
US20040227941A1 (en) Particle size distribution analyzer
JPS63295945A (en) Glossiness measuring apparatus
JP2004271365A (en) Aberration-measuring apparatus, aberration-measuring method, optical head rigging apparatus, and optical head adjusting method
JPS5897008A (en) Positioning method for semiconductor laser and collimator lens
RU2757471C1 (en) Method for calibration/verification of the laser radiation power measuring instrument
JPH0614008B2 (en) Particle analyzer
JPH0262181B2 (en)
JP2654366B2 (en) Micro polarimeter and micro polarimeter system
RU2086945C1 (en) Method of measurement of divergence angle of collimated bundle of rays
RU2243581C1 (en) Method and device for monitoring information control channel
JP2007183111A (en) Light intensity detection device, optical device provided with same, and microscope
CN115993238A (en) Plane grating diffraction efficiency testing device and method
JPS59100835A (en) Method and apparatus for measuring focal distance of focusing optical system

Legal Events

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

Effective date: 20201116