АВТОКОРРЕЛЯТОР СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1996 года по МПК G01J11/00 

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для измерения параметров лазерного излучения.

В лазерной технике известны автокорреляторы, предназначенные для измерения длительности сверхкоротких световых импульсов методом регистрации корреляционной функции интенсивности двух импульсов, полученных делением амплитуды исходного импульса, причем один из импульсов следует с регулируемой задержкой [1]
Схема автокоррелятора аналогична схеме интерферометра Майкельсона и содержит делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, вносящую регулируемое запаздывание в один из пучков, узел совмещения прямого и задержанного пучков и приемное устройство, осуществляющее функцию перемножения интенсивностей пучков на основе эффекта генерации второй гармоники в нелинейном кристалле. Известные схемы автокорреляторов различаются устройством линии задержки.

Недостатком известных автокорреляторов является сложность конструкции и настройки, связанная с необходимостью точной взаимной юстировки всех элементов схемы.

Наиболее близким к заявляемому устройству является принятый за прототип автокоррелятор [2] Прототип содержит делитель пучка, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, два концевых отражателя, один из которых может поступательно перемещаться, образуя линию переменной оптической задержки, и приемное устройство. Два пучка, полученные после делителя, отражаются от концевых отражателей, совмещаются на полупрозрачном зеркале по сечению и направлению и направляются на приемное устройство.

Недостатком прототипа, как и других автокоррелятором, является сложность конструкции и юстировки схемы.

Задача, которая решалась при разработке заявляемого устройства, заключалась в том, чтобы разделить исходный пучок на два и внести заданное запаздывание одного пучка относительно другого, оставляя их пространственно совмещенными. Результатом этого явилось бы существенное упрощение конструкции и юстировки автокоррелятора.

Указанный результат достигается в автокорреляторе световых импульсов, содержащем делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающемся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки.

Сущность изобретения заключается в том, что деление светового пучка на два и задержка одного пучка относительно другого реализуются в двулучепреломляющей пластинке, при этом один пучок является обыкновенной волной, а другой необыкновенной, каждая из волн распространяется со своей групповой скоростью. Величина относительной задержки зависит от угла между оптической осью пластинки и осью пучка и меняется при повороте пластинки. Вышедшие из пластинки пучки совмещены и имеют заданную относительную задержку; пучки поляризованы в ортогональных плоскостях. В конструкции автокоррелятора отсутствуют сложные юстировочные узлы, максимально упрощена линия задержки, величина задержки может устанавливаться и контролироваться с высокой точностью.

На чертеже показана оптическая схема устройства.

На схеме и в тексте приняты следующие обозначения:
1 оптическая ось пучка,
2 плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка,
3 приемное устройство.

Устройство состоит из расположенных на оптической оси пучка 1 подвижной двулучепреломляющей пластинки 2 и приемного устройства 3. Пластинка 2 совмещает в себе функции делителя пучка, линии переменной оптической задержки и узла совмещения пучков. Примем для определенности, что главная плоскость пластинки 2 горизонтальна. Пластинка 2 может поворачиваться вокруг оси О-О, перпендикулярной к главной плоскости пластинки 2. Плоскость поляризации пучка на входе в устройство наклонена под углом 45^о к главной плоскости пластинки 2.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Падающее на пластинку 2 излучение делится в пластинке 2 на две волны, обыкновенную и необыкновенную, поляризованные соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Каждая из волн распространяется со своей групповой скоростью. На выходе из пластинки 2 задержка одной волны относительно другой составляет
τ₃-sin²Φ
где r толщина пластинки 2 вдоль оси пучка 1;
с скорость света;
Δ η η_o η_e разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн;
λ длина волны излучения;
Φ угол между оптической осью пластинки 2 и оптической осью пучка 1 в пластинке 2.

Два импульса на выходе из пластинки 2 имеют одинаковую амплитуду, совмещены по сечению и направлению распространения и имеют относительный временной сдвиг τ₃.

При вращении пластинки 2 вокруг оси О-О задержка периодически изменяется от нуля, когда оптическая ось пластинки 2 и ось пучка 1 совпадают (Φ=0), до максимальной величины, когда указанные оси перпендикулярны друг другу (Φ= 90^о), что позволяет регистрировать автокорреляционную функцию светового импульса за каждый оборот пластинки 2.

Два пучка, прошедшие пластинку 2, поляризованы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Если в приемном устройстве 3 для генерации второй гармоники используется 2-ой тип взаимодействия, ось нелинейного кристалла ориентируется в вертикальной или горизонтальной плоскостях, если используется 1-ый тип взаимодействия, ось кристалла ориентируется в плоскости, наклоненной под углом 45^о к указанным плоскостям.

Для измерения длительности спектрально-ограниченных импульсов могут использоваться автокорреляторы с регистрацией корреляционной функции амплитуд (интенсивности интерференции прямого и задержанного импульсов). В этом случае генератор второй гармоники не используется, а для обеспечения интерференции прямого и задержанного импульсов перед приемником излучения 3 устанавливается соответствующим образом ориентированный анализатор.

По данному техническому решению были проведены расчеты величины относительной задержки между импульсами и уширения импульсов за счет дисперсии групповых скоростей в материале пластинки. Расчеты проводились для группы кристаллов, широко используемых в нелинейной оптике. Расчеты показывают, что при толщине пластинки 2-5 мм (кристаллы ВВО, DKDP) задержка достигает 600 Фс при уширении импульсов менее 10 Фс в диапазоне длин волн 1,1-1,3 мкм. В данном спектральном диапазоне работает фемтосекундный лазер на форстерите с примесью ионов хрома (Сr⁴⁺:Mg₂SiO₄).

Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и расчетные характеристики устройства.

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для измерения длительности сверхкоротких лазерных импульсов методом регистрации автокорреляционной функции интенсивности. Применение изобретения позволит упростить конструкцию и юстировку автокоррелятора. Данный результат достигается тем, что в автокорреляторе, содержащем делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки. 1 ил.

АВТОКОРРЕЛЯТОР СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающийся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки.