СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ ФЛУКТУАЦИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ И/ИЛИ ПОГЛОЩАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТЕЙ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к технической физике и аналитическому приборостроению, предназначено для корреляционных спектральных измерений и может быть использовано для исследования статистических свойств объектов и их отклика на периодические внешние воздействия в широком интервале частот от СВЧ до оптического диапазонов.

Известен способ изучения статистических свойств объектов, заключающийся в том, что при помощи быстродействующего фотодетектора измеряется число фотоимпульсов, вызванных излучением, рассеянным или испущенным объектом за определенный промежуток времени, как функция времени. Анализируя затем временное распределение фотоотсчетов, получают информацию о флуктуациях интенсивности излучения. На основании этой информации делаются выводы о статистических свойствах изучаемого объекта [1]
Известно устройство, с помощью которого этот способ реализован [1] включающее лазерный источник излучения, свет от которого посылается на объект, и квантовый приемник излучения для детектирования рассеянного объектом света в режиме счета фотонов.

К недостаткам этого способа и устройства следует отнести наличие у детектора конечного времени срабатывания, что ограничивает снизу доступный изучению интервал времен релаксации флуктуаций объекта величины -10^-7 с, наличие в обычно используемых детекторах (фотоумножителях) паразитных послеимпульсов, вносящих дополнительные корреляции в исследуемые временные зависимости, а также нестабильность частоты лазера и флуктуации усиления его активной среды, приводящие к дополнительным шумам в регистрируемом сигнале.

Известен также способ изучения статистических свойств объектов, заключающийся в том, что рассеянное объектом излучение направляется на детектор одновременно с частью падающего на образец излучения таким образом, что интерференция этих двух пучков порождает биения интенсивности результирующего пучка света. Измерение спектра мощности фототока позволяет восстановить спектральный состав излучения, рассеянного объектом [1]
Известно также устройство, с помощью которого этот способ реализован, включающее лазерный источник видимого излучения, пространственный фильтр и коллиматор, служащие для освещения объекта (газа в кювете) плоскопараллельным пучком света, фокусирующую оптику и фотоэлемент, служащий для детектирования излучения [1] В качестве когерентного оптического поля, которое смешивается с исследуемым сигналом на фотокатоде ФЭУ, служит лазерный свет, упруго рассеянный на окнах кюветы.

Однако в данных способе и устройстве измеряется не амплитуда флуктуаций (или колебаний) объекта, а спектр этих флуктуаций. Последний неизбежно содержит спектр флуктуаций источника излучения и спектр шумов приемника. Кроме того, данный метод имеет низкую чувствительность на частотах выше 100 МГц, что в пересчете на время колебаний соответствует минимальным детектируемым временам порядка 10^-8с.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения временных корреляционных функций флуктуаций отражательной и/или поглощательной способностей исследуемых объектов, заключающийся в использовании метода двухлучевой интерферометрии, в котором измерительный пучок света при помощи светоделителя расщепляют на два когерентных пучка, составляющих два плеча интерферометра, в одном из плеч интерферометра устанавливают отражатель с возможностью перемещения вдоль оптической оси пучка, один из пучков направляют на исследуемый объект, затем оба пучка вновь объединяют на светоделителе и направляют на приемник излучения [2]
Наиболее близким к предлагаемому интерферометру является способ-прототип, с помощью которого реализован интерферометр, содержащий источник излучения, отражатели, светоделитель и фотоприемник (интерферометр Майкельсона) [2]
Однако в этом способе и устройстве результатом измерений является свертка корреляционной функции флуктуаций образца с корреляционной функцией падающего на него излучения. Поэтому для получения информации о корреляционной функции флуктуаций образца требуется решение некорректной задачи обратной свертки.

Технический результат изобретения получение результатов измерений в реальном масштабе времени, повышение точности и временного разрешения измерений за счет исключения интерференционного сигнала измерительного пучка света и измерения приемником непосредственно временных корреляционных функций флуктуаций отражательной и/или поглощательной способностей исследуемого объекта, а не их спектра.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения второй когерентный пучок также направляют на исследуемый объект, при этом на пути обоих пучков устанавливают подвижный отражатель, оба интерферирующих скоррелированных пучка света, провзаимодействовавших с исследуемым объектом в разные моменты времени t₁ и t₂ и прошедших одинаковый оптический путь, принимают на фотоприемнике и регистрируют сигнал как функцию t₁-t₂, пропорциональную корреляционной функции отражательной или поглощательной способности исследуемого объекта.

Технический результат достигается в устройстве тем, что двухлучевой интерферометр, содержащий источник излучения, отражатели, светоделитель и фотоприемник, снабжен отражателем с возможностью перемещения вдоль оптической оси, оптически связанным со светоделителем и исследуемым объектом таким образом, что разность оптических длин пути пучков от светоделителя до исследуемого объекта зависит от положения подвижного отражателя, при этом полная оптическая разность хода пучков в плечах интерферометра остается постоянной при различных положениях подвижного отражателя.

Способ измерения временных корреляционных функций флуктуаций отражательной и/или поглощательной способностей исследуемых объектов выполняется следующим образом.

Измерительный пучок света при помощи светоделителя расщепляют на два когерентных пучка, составляющие два плеча интерферометра, оба пучка направляют на исследуемый образец, при этом на пути обоих пучков устанавливают подвижный отражатель, оба интерферирующих скоррелированных пучка света, провзаимодействовавших с исследуемым объектом в разные моменты времени t₁ и t₂, прошедших одинаковый оптический путь, принимают на фотоприемнике и регистрируют сигнал как функцию t₁-t₂, пропорциональную корреляционной функции отражательной или поглощательной способности исследуемого объекта.

На чертеже представлен двухлучевой интерферометр.

Двухлучевой интерферометр содержит источник 1 излучения, светоделитель 2, исследуемый образец 3, подвижный отражатель 4, неподвижный отражатель 5, детектор 6 и отражатели 7-9. Интерферометр позволяет измерять корреляционную функцию флуктуаций отражательной способности образцов.

Двухлучевой интерферометр работает следующим образом.

Излучение теплового (или лазерного) источника 1 расщепляется светоделителем 2 на два луча, движущихся по и против часовой стрелки по оптической схеме. Оба луча достигают образца 3 с задержкой по времени один относительно другого. Эта задержка зависит от взаимного расположения подвижного 4 и неподвижного 5 уголковых отражателей. После отражения от образца при помощи отражателей 7-9 каждый из лучей проходит путь другого луча до отражения от образца, компенсируя первоначальную задержку, после чего оба луча интерферируют на детекторе 6. Таким образом, оба луча, пройдя от светоделителя до детектора один и тот же путь, несут информацию о состоянии образца в разные моменты времени, соответствующие моментам их отражения от образца. Варьируя положение вдоль оптической оси отражателя 4, оператор может наблюдать изменение амплитуды сигнала на детекторе, что будет свидетельствовать о зависимости коэффициента отражения образца от времени на соответствующих временных масштабах.

Рассмотрим работу устройства в случае монохроматического входящего излучения.

Пусть после прохождения (отражения от) светоделителя амплитуды поля в пучках, огибающих схему по и против часовой стрелки, соответственно равны
А_с=k₁A_o; A_i=k₂A_o.

Один из пучков (Ас) отразился от образца в момент времени to, a другой в момент времени t₁=t_o+ Δ t (Δ t=(x_o-x₁)/c разность хода лучей от светоделителя до образца, поделенная на скорость света). После отражения от образца амплитуды соответствующих полей равны
A_c'=k₁A_o ˙ r(t_o) ˙ exp(ikx_o);
A_i'= k₂A_o ˙ r(t₁) ˙ exp(ikx₁), где r(t) зависящий от времени коэффициент отражения для амплитуды поля.

От образца до светоделителя пучки света снова проходят разное расстояние так, что первоначальная задержка оказывается скомпенсированной. После второго прохождения (отражения от) светоделителя амплитуды полей равны
A_c''=k₁²A_o ˙ r(t_o) ˙ exp[(ik(x_o+x₁)]
A_i''=k₂²A_o ˙ r(t₁) ˙ exp[(ik(x_o+x₁)]
Сигнал на детекторе пропорционален интенсивности падающего пучка света
I(A_c''+A_i'') ˙ (A_c''*+A_i''*)=A_o²(k₁²< r(t_o) >+
+k₂²< r(t₁) >+2A_o²k₁k₂Re<r(t_o) ˙ r(t₁)>= A_o²(k₁²+k₂²)<r²>+2A_o²k₁k₂Re< r(t_o) ˙ r(t₁)>.

Здесь знак < > означает усреднение, "*" комплексное сопряжение и "" знак модуля величины.

Таким образом, результирующий сигнал зависит от средней величины коэффициента отражения (среднего по времени отклика приемника) и от временной корреляционной функции коэффициента отражения.

Использование предлагаемого способа измерения и устройства обеспечивают по сравнению с прототипом получение результатов в реальном масштабе времени, повышение точности и временного разрешения измерений.

Предложенные решения могут быть использованы для прикладных исследований и при производстве полупроводниковых приборов, контроля шумовых характеристик электрооптических устройств, а также при производстве устройств оптического гетеродинирования и преобразования частоты.

Сущность: изобретение позволяет получать результаты измерений в реальном масштабе времени, повысить точность и временное разрешение измерений за счет исключения интерференционного сигнала измерительного пучка света и измерить приемником непосредственно временные корреляционные функции флуктуаций отражательной и/или поглощательной способностей исследуемого объекта, а не их спектра. В способе используется метод двухлучевой интерферометрии, в котором измерительный пучок света при помощи светоделителя расщепляют на два когерентных пучка, составляющих два плеча интерферометра. Один луч направляют на подвижный отражатель, исследуемый объект, неподвижный отражатель и вновь на светоделитель. Второй луч на неподвижный отражатель, исследуемый объект, подвижный отражатель и вновь на светоделитель. Оба интерферирующих скоррелированных пучка света, провзаимодействовавших с исследуемым объектом в разные моменты времени t₁ и t₂ которые соответствуют разным положениям подвижного отражателя, прошедших одинаковый путь, регистрируют сигнал как функцию t₁-t₂ пропорциональную корреляционной функции. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения временных корреляционных функций флуктуаций отражательной и/или поглощательной способностей исследуемых объектов заключающийся в том, что формируют светоделителем два когерентных пучка света, проходящих два оптических пути в интерферометре, оптический путь первого пучка изменяют подвижным отражателем, второй оптический путь включает взаимодействие пучка света с исследуемым объектом, формируют интерференционную картину, направляют ее на приемник излучения и регистрируют временную коррелляционную функцию флуктуаций отражательной и/или поглощательной способностей исследуемого объекта, отличающийся тем, что интерферирующие когерентные пучки проходят одинаковый оптический путь, при этом взаимодействуют с исследуемым объектом в разные моменты времени t₁ и t₂, а приемник излучения регистрирует сигнал как функцию t₁ t₂, пропорциональную корреляционной функции отражательной или поглощательной способности исследуемого объекта. 2. Двухлучевой интерферометр, включающий оптически связанные источник излучения, отражатели, светоделитель, исследуемый объект и фотоприемник, формирующие оптические пути, отличающийся тем, что один из отражателей выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси и оптически связан со светоделителем и исследуемым объектом так, что разность оптических длин пути пучков от светоделителя до исследуемого объекта зависит от положения подвижного отражателя, при этом полная оптическая разность хода пучков в плечах интерферометра остается постоянной при различных положениях подвижного отражателя.