АВТОКОРРЕЛЯТОР СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК G01J11/00 G02B27/10 

Изобретение относится к устройствам для измерения одной из основных характеристик оптического излучения - функции автокорреляции световой волны во времени.

Известно устройство для осуществления способа измерения оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов, которое содержит пространственно-когерентный источник белого света, создающий пучок параллельных лучей, полупрозрачное плоское зеркало, освещающее плоскопараллельный прозрачный объект, бипризму Френеля (в одном из вариантов изобретения) и пространственно-чувствительный многоэлементный фотоприемник.

Недостатками этого устройства является недостаточная стабильность для использования в переносных устройствах, полевых условиях, на подвижных объектах, в системах, предназначенных для работы в условиях повышенной вибрации. Две причины вызывают понижение ее вибростойкости и чувствительности. Первая обусловлена наличием большого расстояния между призмой и фотоприемником. Вторая связана с недостаточно большой величиной светового потока, что обусловлено требованием высокой пространственной когерентности пучка и, соответственно, использованием узкой щели в коллиматоре пучка. Кроме того, устройство обладает малым диапазоном изменения разности хода, что обусловлено противоречивыми требованиями между величиной угла призмы при вершине и размерами призмы, или разрешающей способности пространственно-чувствительного фотоприемника.

Известен автокоррелятор световых импульсов, содержащий делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации. (Патент РФ 2057357, G 02 B 27/28, G 01 J 11/00, опубл. 27.03.96)
Недостатком указанного автокоррелятора также является его низкая стабильность и трудность настройки, обусловленные наличием большого числа степеней свободы конструктивных элементов.

В основу изобретения положена задача создания стабильного автокоррелятора световых импульсов за счет выполнения делителя световых импульсов, линии задержки импульсов, узла совмещения пучков и системы регистрации в едином светоделительном кубике и размещения фотоприемника непосредственно на выходной поверхности кубика.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в известном автокорреляторе световых импульсов, содержащем делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, и приемник излучения, регистрирующий мощность волны, делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения пучков выполнены в виде светоделительного кубика со светоделительным слоем, размещенным на диагонали кубика, при этом входная и выходная грани кубика выполнены плоскими и ортогональными друг к другу, а две другие изготовлены таким образом, чтобы разность хода различных участков волнового фронта менялась по определенному точно известному закону, а также на них нанесено отражающее покрытие, при этом фотоприемник выполнен пространственно-чувствительным и совмещен и оптически сопряжен с выходной гранью кубика.

Выполнение всех составных частей автокоррелятора в едином светоделительном кубике позволяет максимально увеличить стабильность устройства.

Изобретение поясняется фиг.1. На фиг.1 источник света 1, имеющий низкую степень когерентности во времени, освещает с помощью ахроматического конденсора 2, который может быть и линзовым, и зеркальным, малую диафрагму 3, размеры которой выбираются из условия обеспечения достаточной пространственной когерентности для излучения всех измеряемых частот. Диафрагма 3 помещается в передней фокальной плоскости коллиматора 4, который может быть совмещен со входной поверхностью кубика, создающего параллельный пучок света 5. Параллельный пучок направляют на светоделитель 6, находящийся внутри светоделительного кубика 7, изготовленного из вещества, прозрачного во всем необходимом диапазоне длин волн излучения. Кубик имеет две грани - входную 8 и выходную 9 - плоскими и ортогональными друг другу, а две другие - 10, 11 - изготовленными так, чтобы разность хода различных участков волнового фронта параллельных пучков менялась по определенному и точно известному закону, в частности, на фиг.1 разность хода меняется линейно вдоль одной из координат, перпендикулярных оси пучка света (пунктиром на фиг.1 указаны плоскости, параллельные входной и выходной поверхности). В последнем случае поверхности кубика являются плоскостями, нормали к которым наклонены по отношению к оси пучков. На грани 10, 11 наносится отражающее покрытие с высоким показателем отражения во всей рабочей спектральной области, направляющее отраженные пучки назад на светоделитель. Прошедший через светоделитель пучок, отраженный от грани 10, и пучок, отраженный от грани 11 и отраженный затем от светоделителя 6, складываясь в пространстве за светоделителем, образуют в пространстве переложения пучков, показанном на фиг.1 штриховкой, интерференционную картину, которая регистрируется с помощью пространственно-чувствительного фотоприемника 12 непосредственно за светоделительным кубиком. Ее можно также спроецировать на фотоприемник с помощью дополнительной оптической системы. Функционирование фотоприемника управляется электронной системой 13. Сигнал фотоприемника обрабатывается либо той же электронной системой, либо специализированной 14.

В устройстве могут использоваться светоделительные кубики, изготовленные как с полированными под заданным углом гранями, так и с гранями ортогональными, обладающими нанесенными на поверхностях клиновидными слоями прозрачного вещества. Вместо наклонных плоских поверхностей могут использоваться малые плоскопараллельные слои различной толщины, размещенные на плоских поверхностях кубика, выполненных ортогонально оптической оси. Количество, размер и толщина слоев выбираются в соответствии с необходимым набором значений разностей хода и с учетом возможного влияния дифракции. Возможно также применение волновых фронтов с поверхностью, искривленной по точно известному закону (например, сферических).

Для согласования разрешающей способности многоэлементного фотоприемника со структурой интерференционной картины между фотоприемником и выходной гранью кубика может размещаться оптическая система, формирующая действительное изображение интерференционной картины на поверхности фотоприемника, в том числе с переменным фокусным расстоянием (трансфокатор).

Работу автокоррелятора можно пояснить следующим образом.

В данном изобретении при получении интерференционной картины для измерения автокорреляционной функции вместо деления волны по фронту используется метод деления световой волны по амплитуде. С этой целью создают коллимированный световой пучок и направляют его на полупрозрачное зеркало, формирующее два когерентных пучка, полностью совпадающие по распределению амплитуды волны по фронту. Отметим, что вместо деления по амплитуде может использоваться деление исходного пучка на два различающихся ортогональными состояниями поляризации (две плоскополяризованные волны, или две волны противоположно-направленной круговой поляризации). Вводят задержку между различными областями волновых фронтов, различную и точно известную для разных участков фронта. Затем с помощью того же, или второго специального полупрозрачного зеркала, или поляризационной призмы сводят эти два пучка так, чтобы соответственные различные области волновых фронтов были сведены в том же порядке, как они находились в исходном пучке. В результате интерференции амплитуды участков фронта волны, испытавших разную задержку, будут различными. Измеряют пространственное распределение освещенности поля интерференции с помощью пространственно-чувствительного фотоприемника и разделяют освещенность на постоянную и переменную по полю составляющие. Выделяют переменную составляющую и находят ее зависимость от заранее известной разности хода между пучками. Полученная зависимость есть функция автокорреляции светового потока, с точностью до постоянного коэффициента, который зависит от интегральной яркости источника света и геометрии оптической системы.

Для исследования автокорреляционной функции светового потока от источника света с иной геометрией светового пучка в устройстве могут использоваться другие схемы освещения входной диафрагмы 3. Общим для них является создание малого изображения источника и однородного заполнения коллиматора светом.

В корреляторе, показанном на фиг.1, интерференционная картина имеет одномерный характер, показанный на фиг.2: освещенность фотоприемника постоянна по одной из координат (у) и меняется по ортогональной ей (х). Использование двумерного пространственно-чувствительного фотоприемника в этом случае приводит к неоправданному завышению требований, этому сопутствует увеличение мощности шумов. Противоречие разрешается в устройстве, показанном на фиг.3, где приведена схема устройства, действующего по описанному выше принципу, дополненного цилиндрической линзой 15, установленной на выходе кубика. Линза может быть совмещена с выходной поверхностью кубика, вместо линзы может использоваться цилиндрическое или тороидальное зеркало. Фокусировка осуществляется по направлению (у), ортогональному направлению измерения разности хода пучков. Вместо двумерного матричного фотоприемника в этом случае используется линейный, ориентированный вдоль направления (х), что приводит к уменьшению площади фотоприемника и уменьшению уровня собственных шумов. За счет этого увеличивают точность измерения автокорреляционной функции и повышают чувствительность, а также расширяют диапазон возможных фотоприемников.

Дальнейшим развитием устройства является одновременное использование деления волновых фронтов по амплитуде и по фронту. С этой целью на наклоненные внешние грани кубика 10, 11 наносится система полос прозрачного вещества одинаковой ширины, ориентированных в направлении изменения разности хода и изготовленных так, что каждая последующая имеет оптическую толщину больше предыдущей на величину, равную разности оптических толщин кубика в крайних точках интерференционной картины. Упрощенно форма светоделительного кубика показана на фиг.4. В результате этого поле интерференции оказывается состоящим из системы параллельных друг другу полос. В каждой из полос разность хода меняется по линейному закону, а разность хода в одной из полос отличается от соседней на постоянную величину, равную полному изменению разности хода в этой полосе. Обрабатывая распределение освещенности в интерференционной картине с помощью устройства 14, конец распределения одной из полос математически "сшивают" с началом другой. Полное изменение разности хода в интерференционной картине равно сумме изменений разности хода во всех полосах.

Между выходной гранью описанного сложного светоделительного кубика, показанного на фиг. 4, и пространственно-чувствительным фотоприемником может устанавливаться дополнительная оптическая система, формирующая действительное изображение интерференционной картины на поверхности фотоприемника. Такая система может состоять из линейного растра, образованного параллельными друг другу цилиндрическими линзами, ориентированными своей образующей в направлении, параллельном направлению развертки интерференционной картины. Сужение изображений освещенных полос позволяет использовать фотоприемник меньшей эффективной площади, что приводит к увеличению отношения сигнал/шум в зарегистрированной автокорреляционной функции. Растр, изготовленный в виде системы параллельных друг другу плоско-выпуклых цилиндрических линз, может быть своей плоской поверхностью механически совмещен с выходной поверхностью кубика.

Применение многоэлементных фотоприемников с дискретным набором элементов (пикселов) приводит к дискретизации интерферограммы по изменению разности хода. Данное обстоятельство позволяет использовать интерференционный кубик, создающий дискретный набор величин разностей хода, состоящий из N значений. Число и величины разности хода выбирают из тех же условий, что и при работе фурье-спектрометров с дискретным сканированием. С этой целью кубик мысленно разбивают на N независимых "элементарных кубиков", каждому из которых соответствует заданное значение разности хода. Кубик изготавливают с ортогональными друг другу гранями и под отражающими покрытиями наносят плоско-параллельные прозрачные слои вещества, площадь каждого из которых соответствует одному или несколькими элементам (пикселам) фотоприемника, а оптическая толщина соответствует заданной для данного "элементарного кубика" разности хода. Упрощенно структура подобного кубика показана на фиг.5 для N = 4. Изображение элемента интерференционной картины регистрируют с помощью одного элемента фотоприемника, или определенной совокупности элементов, при этом может использоваться дополнительная оптическая система, формирующая действительное изображение интерференционной картины на поверхности фотоприемника, в том числе растровая.

Значительная часть информации о характере волнового процесса регулярного типа при известной средней частоте спектра может быть получена из формы огибающей автокорреляционной функции. В качестве примера можно привести устройство, где для измерения толщины пленки достаточно определить положение максимумов огибающих системы боковых интерференционных полос. В этом случае разрешающая способность многоэлементного фотоприемника может быть значительно меньше, чем период осцилляции автокорреляционной функции. Простое уменьшение разрешающей способности ведет к сглаживанию интерференционной картины и полной потере информации о структуре как высокочастотных, так и низкочастотных составляющих. Для того, чтобы обеспечить возможность измерения низкочастотных характеристик при пренебрежении высокочастотными, можно ввести в промежуток между выходной гранью кубика и фотоприемником среду с нелинейными характеристиками пропускания, либо использовать нелинейный фотоприемник. Возможны следующие варианты нелинейного устройства регистрации интерференционной картины.

В любом участке между фотоприемником и выходной гранью кубика помещаем среду, обладающую пороговыми характеристиками пропускания, например повышенным пропусканием для излучения большой мощности обладают фильтры из стекла типа НС, либо вещество, обладающее свойством нелинейной люминесценции в результате многофотонного поглощения, или используемое при решении задач ап-конверсии излучения (например, нелинейные стекла и кристаллы). Под действием достаточно мощной засветки исследуемым излучением, или комбинации вспомогательного и исследуемого излучения, происходит частичное просветление нелинейного фильтра в областях поверхности, где напряженность поля световой волны в интерференционной картине максимальна, или в тех же местах возникает индуцированная многофотонным поглощением люминесценция. Отклик комбинации фильтр + фотоприемник, или самого фотоприемника приобретает нелинейный характер. Изменение характера интерференционной картины иллюстрирует фиг.6. На ней в качестве примера показан вид автокорреляционной функции излучения "почти белого" источника. Фиг.2,а демонстрирует отклик линейной системы, а фиг. 2, б -пороговой, причем величина порога указана на фиг.2,а пунктиром. Ухудшение разрешающей способности фотоприемника до ширины одной полосы в первом случае приведет к тому, что он покажет постоянную засветку, равную среднему уровню сигнала, а во втором - воспроизведет приближенно форму огибающей.

Для снижения порога предпочтительно размещать нелинейные оптические элементы вблизи плоскости фокусировки выходящего из кубика излучения, применяя при использовании люминесценции дополнительную оптическую систему, проецирующую область люминесценции на поверхность фотоприемника.

Применение нелинейного фотоприемника, в частности, с регулируемым порогом чувствительности предпочтительно, поскольку обеспечивает большую чувствительность, оперативность и простоту управления устройством.

Автокоррелятор световых импульсов содержит делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации. Делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения пучков выполнены в виде светоделительного кубика со светоделительным слоем, выполненным на его диагонали, при этом входная и выходная грани выполнены плоскими и ортогональными друг к другу, а две другие изготовлены таким образом, чтобы разность хода различных участков волнового фронта менялась по определенному точно известному закону, а также на них нанесено отражающее покрытие, при этом многоэлементный фотоприемник совмещен и оптически сопряжен с выходной гранью кубика. Технический результат - создание стабильного автокоррелятора световых импульсов. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Автокоррелятор световых импульсов, содержащий делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающийся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения пучков выполнены в виде светоделительного кубика со светоделительным слоем, выполненным на его диагонали, при этом входная и выходная грани выполнены плоскими и ортогональными друг к другу, а две другие изготовлены таким образом, чтобы разность хода различных участков волнового фронта менялась по определенному точно известному закону, а также на них нанесено отражающее покрытие, при этом многоэлементный фотоприемник совмещен и оптически сопряжен с выходной гранью кубика. 2. Автокоррелятор по п. 1, отличающийся тем, что две другие грани наклонены по отношению к оси пучков. 3. Автокоррелятор по п. 1, отличающийся тем, что на наклонные грани кубика наносят систему полос прозрачного вещества одинаковой ширины, ориентированных в направлении изменения разности хода и изготовленных так, что каждая последующая имеет оптическую толщину больше предыдущей на величину, равную разности оптических толщин кубика в крайних точках интерференционной картины. 4. Автокоррелятор по п. 1, отличающийся тем, что между выходной гранью описанного сложного светоделительного кубика и фотоприемником установлена дополнительная оптическая система, включающая линейный растр, образованный параллельными друг другу цилиндрическими линзами, ориентированные своей образующей в направлении, параллельном направлению развертки интерференционной картины. 5. Автокоррелятор по п. 1, отличающийся тем, что в промежуток между выходной гранью кубика и фотоприемником введена среда с нелинейными характеристиками или нелинейный фотоприемник.