SU516303A1

SU516303A1 - Polarization interferometer

Info

Publication number: SU516303A1
Application number: SU7502097088A
Authority: SU
Inventors: И.А. Рокос; Л.А. Рокосова
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений
Priority date: 1975-01-14
Filing date: 1975-01-14
Publication date: 1977-12-25

Description

1one

Изобретение относитс к прикладной оптике и измерительной технике и предназначено дл измерени параметров плазмы и высокотемпературных газовых потоков, в частности концетрации нейтральных атомов и электронов. Предлагаемое устройство может быть использовано в метрологии при прецизионных линейных измеренн х-,а также при исследовании оптических параметров, прорачных сред.The invention relates to applied optics and measurement technology and is intended to measure the parameters of plasma and high-temperature gas flows, in particular the concentration of neutral atoms and electrons. The proposed device can be used in metrology with precision linear measurements of x-, as well as in the study of optical parameters, training media.

Известны пол ризационные интepфepo eтры , дл которых общим вл етс наличие двух лучей с различными направлени ми колебаний электрического вектора, / разность фаз между которыми измер етс .Polarizing interferons are known, for which it is common to have two beams with different directions of oscillations of the electric vector, / the phase difference between which is measured.

Проуотипом --предпаг емого устройства вл етс пол ризационный интерферометр с двум ортогонально пол ризованными лучами , содержащий лазер, модул тор, компенсатор , светоделительный элемент, два.глухих зеркала.фотоприемник, узкополосный усилитель и регистрирующее устройство.The prototype -predoped device is a polarization interferometer with two orthogonal polarized beams, containing a laser, a modulator, a compensator, a beam-splitting element, two deaf mirrors, a photo-receiver, a narrow-band amplifier and a recording device.

Принцип работы его заключаетс в следующем .The principle of its operation is as follows.

Луч лазера дегГитс с погугошью дво копреломл юшей призмы на обыкновенныйи необыкновенный лучи, которые благодар глухому зеркалу дважды проход т соответственно через исследуемый и этапонный объекты. Сложение лучей происходит с помощью линзы той же призмы, затем суммарный луч проходит через модул тор, роль которого выполн ет вращающа с четвертьволнова фазова пластинка, компенсатор, в качестве которого применен анализатор, и попадает на 1фотЬприемник;. Компенсиру поворотом анализатора переменную составл ющую фототока , определ ют разность хода лучей.A degigits laser beam with a scattering of a two prism of prism on ordinary and extraordinary rays, which, thanks to a deaf mirror, twice pass respectively through the test and stadium objects. The rays are folded using a lens of the same prism, then the total beam passes through the modulator, the role of which is performed by a rotating quarter-wave phase plate, a compensator, which is used as an analyzer, and falls on a 1-receiver ;. By compensating the variable component of the photocurrent by rotating the analyzer, the path difference of the rays is determined.

Точность измерений в прототипе, котора составл ет 5 х1О Л недостаточна, например , при измерении концентрации электронов слабр ионизированных газов. Кроме того,) модул ци и компенсаци осуществл ютс механическим способом, что пони: ает точность измерени и исключает его применение при исследовании импульсных процессов. The measurement accuracy in the prototype, which is 5x1OL, is insufficient, for example, when measuring the electron concentration of weakly ionized gases. In addition, modulation and compensation are carried out mechanically, which means that measurement accuracy and excludes its use in the study of pulsed processes.

Цель изобретени - повышение точности измерени . Это достигаетс тем, что в интерфероме введены делитель луча, расположенный на пути луча, выход щего из модул тора, попу волнова фазова пластинка, установленна на пути одного нз лучей, идущих от делите л , и четыре четвертьволловые фазовые пластинки, расположенные перед глухими ко иевыми зеркалами дл получени двух пар ортогональных лучей, на пути которых уста лены четыре эпектрооптические кристалла, включенных параллельно с ос ми, повернуты ми на 45° по свА1ошению к плоскости пол ризации луча лазера, причем два кристал расположенные нЬ пути каждой пары ортого нальных лучей, проход щих соответственно через исследуемый и этаплонный объекты, имеют разные длины, выбираемые в отношении ( 1): 10 , где , два друг.их кристалла имеют одинаковую длину. На фиг, 1 изображена схема предлагаемого пол ризационного интерферометра; на фиг. 2 изображены направление колебани электрического вектора луча лазера П| и направлени -оптических осей кристаллов и фазовых пластинок П , где п -номер эле мента на фиг. 1. Устройство содержит в качестве источника света лазер 1, модул тор 2 эллиптичности луча, делитель пуча, выполненный в виде глу хого зеркала 3 и полупрозрачного зеркала 4, глухие зеркала 5, 6, 7 и 8 попупрозрач ное зеркало 9, фазовую пластину , фазовые пластинки -ф 11, 12, 13, 14, . электрооптические, кристаллы 15, 16, 17, 18, нсспедуекгый объект 19, эталонный объект 20, фотоприемник 21,;, узкополосны усилитель 22, схему 23 обратной св зи н регистрирующее устройство 24. Луч лазера проходит через модул тор у, в качестве которого применен э ектрооптический кристалл, ось которого повернута на 45 относительно плоскоета пол ризации излучени лазера которое становитс эллип тически пол ризованным с модулированной эллиптичностью. Зеркала 3, 4, Э дел т луч лазера на четы-.рв пуча, два из них & и 2 проход т сквозь исследуемый объект, а два других ftj и а;, сквозь ; с алонный .объек Фазовые пластинки 10, 11, 12, 13 образуют две пары ортогонально попс ризован- ных лучей-а,, (Sj иа, &if. В результате соложени лучей а,и aj а возникают два взаимно ортогонал.ных луча а-н Sg , которые попадают на фотоприемник 21,j Нарушение ортогональности происходит при наличии исследуемого вещества в исследуемом объекте, при этом переменна составл юща tfaoTOTOKa имеет вид, 3-C-|siii oSCnfe J V -)cos(), где С - чувствительность фотопрнемника, А - амплитуда излучени лазера, Л - измер ема разность Фаз. АftftЛЛ О t Оц - фазовые смещени между обыкновенными и необыкновенными составл ющими лучей, создаваемые соответственно электрооптнческими кристаллами 2, 15, 16, 17, 18, Кристаллы 16 и 18, которые раслоло жены соответственно на пути лучей а и , одинаковые, и поскольку к ним приложено одинаковое напр жение, то фазовые смещени , создаваемые ими, равны, т.е. 8 - &цКристаллы 16 и 4.7, расположенные соответственно на пути луней а выполн ют роль фазового нониуса, поскольку длина кристаллов отличаетс на небольшую величт ну, характеризующую точность измерени , причем разность фаз пропорцио- . нальна приложенному напр жению U . Огнощение длин кристаллов 16 и 17 составл ет (Ю + 1): 10 , причем величина 10 вл етс ценой .делени фазового -нониуса. Пёрелтенна составл юща фототока KOMneHv сируетс с помощью фазового-нониуса, который восстанавливает ортогональность выходных лучей интерферометра gg и Sg. Условием компенсации вл етс выражение . .-, Л..Я)-0, при этом на выходе узкополосного i/усилител 22 напр жение равно О. Измер емую величину X «определ ют по напр жению U, приложенному к кристаллам 15, 16, 17, 18 от схемы обратной св зи 23, на выходе которой подключено регистрирующее устройство 24. Из выражени дл переменной составл ющей фототока следует, что поскольку fit (где 2. -частота, на которую настроены модул тор 2 и узкополос- ный усилитель 22), интерферометр работает в режиме нулы-индикатора, Как видно из уравнени , дл того, чтобы фазовый нониус посто нно работал в режиме максимальной чувствительности , необходимо, чтобы при любых напр жени х S - . 45°. -.-Измерение очень малых значений К, когда компенсаци осуществл етс напр жением, при котором S. и & пор дка нескольких градусов, можно производить без кристаллов 15 и 18. Применение четырех.попарно ортогональых пол ризованных лучей с модулированной эллиптичностью совместно с алектрооптичесКИМ фазовым нониусом позвол ет, повысить точность измерений в 4x10 раз-по сравнению с прототипок). Показатель п выбираетс в федепах Tl 1-5 с учетом предлагаемого значени измер емой величины, попувопного напр жени эпектрооптическнх кристаллов и условий термостатированк и помехоустойчивости (интерферометра. Например, использу в качестве фазового нониуса кристаллы с полуволновым напр жением 50О1, ... длина которых составл ет 100 мм и 100,1мм ( /°3), измер ема разность фаз пор дка 10 Д компенсируетс лрипожением относительно большого нвпр женй 4 5 Таким образом, предлагаемое устройство позвол ет преоб- ,5 разовать весьма ма ые фазовые смешени в относительно большие электрические напр жени , К преимуществам устройства можно отнести не только его высокую точность и чувствительность, но и отсутствие какой- 2о либо механики при осуществлении модул ции и компенсации измер емой величины, что позвол ет использовать устройство при испедовании импульсных процессов,The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy. This is achieved by introducing in the interferome a beam divider located on the path of the beam going out of the modulator, the waveband of the phase plate mounted on the path of one ns beam coming from the dividers and four quarter-wave phase plates located in front of the deaf channels. mirrors to produce two pairs of orthogonal rays, in the path of which four electro-optical crystals are laid, connected in parallel with the axes rotated by 45 ° in relation to the plane of polarization of the laser beam, and two crystals located The paths of each pair of orthogonal rays, passing respectively through the object under study and the stage one, have different lengths, chosen with respect to (1): 10, where two different crystals have the same length. Fig. 1 shows the scheme of the proposed polarization interferometer; in fig. 2 shows the direction of oscillation of the electric vector of the laser beam P | and the directions of the optic axes of the crystals and phase plates P, where n is the number of the element in FIG. 1. The device contains a laser 1, a beam modulator 2, a beam ellipticity, a beam divider made in the form of a deep mirror 3 and a translucent mirror 4, deaf mirrors 5, 6, 7 and 8, a translucent mirror 9, a phase plate, phase plates - 11, 12, 13, 14,. electro-optical, crystals 15, 16, 17, 18, unfolded object 19, reference object 20, photodetector 21,;, narrowband amplifier 22, feedback circuit 23 and recording device 24. Laser beam passes through the modulator y, which is used as An electro-optical crystal whose axis is rotated 45 relative to the plane of the polarization of the laser radiation that becomes elliptically polarized with the modulated ellipticity. Mirrors 3, 4, E divides the laser beam by four-pb beams, two of them & and 2 pass through the object under study, and the other two ftj and a ;, through; With the alon. block Phase plates 10, 11, 12, 13 form two pairs of orthogonally populated rays, a (Sj anda, & a. As a result of the convergence of the rays a, and aj a, two mutually orthogonal rays arise Sg, which fall on the photodetector 21, j Violation of orthogonality occurs in the presence of the test substance in the object under study, and the variable component tfaoTOTOKa has the form, 3-C- | siii oSCnfe JV -) cos (), where C is the sensitivity A, A is the amplitude of the laser radiation, and L is the measured difference of the phases. АftftLL О t Оц - phase shifts between ordinary and extraordinary components of rays, created respectively by electro-optic crystals 2, 15, 16, 17, 18, Crystals 16 and 18, which are soldered respectively on the paths of rays a and are the same, and because to them the same voltage is applied, the phase shifts created by them are equal, i.e. 8 - & Crystals 16 and 4.7, located respectively in the path of the moon, perform the role of phase nonius, since the length of the crystals differs by a small amount characterizing the measurement accuracy, the phase difference being proportional to. applied voltage U. The fencing of the lengths of the crystals 16 and 17 is (10 + 1): 10, with the value of 10 being the price of the separation of the phase -nonius. The krene component of the KOMneHv photocurrent is coupled with a phase-nonius, which restores the orthogonality of the output rays of the interferometer gg and Sg. The condition for compensation is expression. .-, Л .. Я) -0, while the output of the narrow-band i / amplifier 22 is equal to O. The measured value X "is determined by the voltage U applied to the crystals 15, 16, 17, 18 from the reverse circuit connection 23, the output of which is connected to a registering device 24. From the expression for the variable component of the photocurrent, it follows that since fit (where 2. is the frequency to which modulator 2 is tuned to and narrowband amplifier 22), the interferometer operates in the zero mode -indicator, As can be seen from the equation, in order for the phase nonius to work continuously in the maximum sensitivity, it is necessary that when any voltages S -. 45 °. -.- Measurement of very small K values, when compensation is performed by a voltage at which S. and & on the order of several degrees, it is possible to produce without crystals 15 and 18. The use of four. pairwise orthogonal polarized rays with modulated ellipticity together with electro-optical phase vernius allows for an increase in the accuracy of measurements 4x10 times as compared to the prototype). The indicator n is chosen in the Tl 1-5 departments based on the proposed value of the measured value, the voltage of electrically-optic crystals and the thermostat conditions and noise immunity (interferometer. For example, using as a phase vernier crystals with half-wave voltage 50O1, ... the length of which is 100 mm and 100.1 mm (/ ° 3), the measured phase difference of the order of 10 D is compensated for by the compression of a relatively large injection 4 5 Thus, the proposed device allows for very small phase transitions. The differences in relatively large electrical voltages. The advantages of the device include not only its high accuracy and sensitivity, but also the absence of any mechanics when modulating and compensating for the measured value, which allows the device to be used when ejecting impulse processes,

Claims

1. A polarization interferometer with orthogene, optically polarized rays, containing a laser, a modulator, a compensator, an optical system, including a beam-splitting element and two; deaf end mirrors, photodetector, | uekopolosny

an amplifier and a regenerating device, an op-amp, and so that, in order to improve measurement accuracy, a half-wave phase plate inserted in the path of one of the beams coming from the light separator and four quarter-wave phase plates are inserted into it located in front of the blind end-mirrors dp for producing two pairs of orthogonal rays, on the way of which four electro-optical crystals are installed, connected in parallel with axes rotated 45 ° relative to the plane of polarization of the laser beam, and two crystals, aspolozhennye in the path of each pair of orthogonal beams extending respectively through the test and reference objects are of different lengths, and other crystal doa have the same length.

2. The interferometer according to claim 1, wherein the lengths of two Cristaples having different lengths are referred to as (1): 10, where.

1

l gffr f 4tt, -,

516303

fj

FIG. 2