СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РЕФРАКЦИОННОГО ИНДЕКСА И ИЗМЕНЕНИЙ ДВУПЕРЕЛОМЛЕНИЯ, ПРОИЗВОДИМАЯ НЕЛИНЕЙНЫМ ЭФФЕКТОМ В ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛЬНЫХ МИКРОЗОНАХ Российский патент 2014 года по МПК G01N21/45 G01N21/23 

Объект изобретения представляет собой систему измерения изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами в микрообластях оптического материала, для применения в метрологии параметров оптического материала, спектроскопии, метрологии дисперсии фазового сдвига и технологии материалов, в исследовании нелинейного эффекта в оптических материалах, особенно в наноматериалах.

Интерферометрические системы, такие как интерферометр Маха-Цандера, интерферометр Майкельсона и их варианты, используются в измерениях показателя преломления и двойного лучепреломления. Также применяются поляризационные и интерференционные микроскопы VAWI (интерферометрия переменной длины волны), разработанные в Институте прикладной оптики, основанные на методе переменной длины волны. В описании патента США 7663765 представлена система измерения, включающая в себя камеру получения изображения для измерений двухлучевым методом. Луч света определенной длины волны проходит через оптическую систему, включающую в себя светоделительный элемент, размещаемый на входе системы, поляризаторы и систему зеркал. Испытуемый объект помещается на пути распространения одного луча света. Оба луча на входе оптической системы направляются в устройство захвата изображения, которое регистрирует изображение, возникающее вследствие интерференции двух поляризованных лучей, и отправляет его компьютеру, который обрабатывает и анализирует зарегистрированные данные.

Известные методы измерения, применяемые для измерений изменений показателя преломления, вызванных нелинейными эффектами, возникающими вследствие взаимодействия вещества с импульсами лазера высокой мощности, используют системы для измерений «Z-Scan». В данных системах сходящийся луч света лазера высокой мощности проходит через образец испытуемого материала. В результате нелинейных изменений показателя преломления материала, сходимость луча, проходящего через изменения материала, который воздействует на интенсивность света, измеряемую посредством зафиксированного устройства обнаружения, размещаемого в оптической оси Z. Измерения интенсивности света при разных положениях образца, перемещаемого в направлении распространения луча света, позволяет вам определить изменения показателя преломления образца, вызванные нелинейными эффектами. Система Z-Scan позволяет вам измерять изменения оптических параметров только в макрообластях, что делает невозможным ее использование для измерений микрообъекта. Более того, система измеряет усредненный световой эффект на веществе и, следовательно, измеряется среднее значение показателя нелинейного преломления.

Также известны другие однолучевые или двухлучевые системы измерения показателя нелинейного преломления, включающие в себя интерферометрические системы, однако они позволяют пользователю измерить только усредненный параметр во времени и в пространстве и не позволяют пользователю измерить нелинейные оптические параметры в микрообластях

Недостаток известных систем заключается в том, что они не позволяют вам измерить показатель нелинейного преломления и нелинейное двойное лучепреломление в микрообластях оптического материала, и воздействие условий окружающей среды на результаты измерения, которое не позволяет вам измерить нелинейные параметры с соответствующей точностью.

Также известные способы формирования изображения с высоким разрешением. Они используются, наряду с прочим, в нелинейной оптике, спектроскопии и оптической томографии, основанных на генерации суперконтинуума в системе, содержащей фемтосекундный лазер, фотонное оптическое волокно и камеру с анализатором волнового фронта. Распространение коротких импульсов фемтосекундного лазера в фотонном оптическом волокне позволяет пользователю получить когерентный и широкий непрерывный спектр высокого разрешения. Данные системы не подходят для измерений изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами в микрообластях оптического материала.

Цель изобретения заключается в разработке модифицированной интерферометрической системы, позволяющей проводить точные измерения показателя нелинейного преломления и нелинейного двойного лучепреломления оптических материалов в областях меньше, чем несколько микрометров при использовании лазерных импульсов.

Система измерения изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами, состоящая из фемтосекундного лазера, фотонного оптического волокна, оптической системы, включающей в себя светоделительный элемент, два оптических канала и интерферометрическую систему, в частности, в виде интерферометра VAWI, расположенного в оптической оси луча измерения, выходящего из оптической системы, в соответствии с изобретением, отличается тем, что первый оптический канал содержит монохроматор с конденсатором формирования луча измерения, а монохроматор на входе соединяется с фотонным оптическим волокном. Второй оптический канал содержит систему зеркал, включающую в себя подвижное зеркало, которое изменяет длину оптического пути второго луча во втором оптическом канале. Испытуемый материал помещается в область измерения, расположенную на пересечении луча измерения и второго луча, выходящего из оптического канала.

Предпочтительно поместить оптический фильтр между испытуемым материалом и интерферометром VAWI для отсечки второго луча лазерного света.

Предпочтительно включить фокусирующий элемент в первый оптический канал, в частности, в виде первой линзы, помещаемой на входной поверхности торца фотонного оптического волокна.

Предпочтительно включить второе оптическое волокно во второй оптический канал, оснащенный оптическим фокусирующим элементом на входе, в частности, в виде второй линзы.

Также предпочтительно включить второе зеркало, расположенное между светоделительным элементом и подвижным зеркалом в системе зеркал, включающей в себя подвижное зеркало, тогда как подвижное зеркало представляет собой прямоугольную систему, состоящую из двух плоских отражающих поверхностей.

В соответствии с изобретением система позволяет проводить измерение показателя нелинейного преломления и нелинейного двойного лучепреломления оптических материалов в областях меньше, чем несколько микрометров в области лазерного импульса, проходящего через испытуемый материал перпендикулярно оптической оси луча измерения, передаваемого монохроматором в направлении интерферометра VAWI. Более того, система позволяет проводить измерение изменений оптического параметра, вызванных нелинейными эффектами и тепловыми эффектами, вызванными взаимодействием вещества с импульсами лазера высокой мощности, в то время как нелинейные эффекты и тепловые эффекты можно различить. Применение монохроматора позволяет пользователю получить точные спектральные характеристики показателей нелинейного преломления и нелинейного двойного лучепреломления во всем спектре, предлагаемом монохроматором. Лазерные импульсы, вызывающие нелинейные оптические эффекты, можно сконфигурировать разными способами, например, с точки зрения мощности или длины волны, что позволяет пользователю проводить более углубленные испытания, уделяя внимание усилению и ослаблению наблюдаемых явлений и их корреляции с длиной волны.

Объект изобретения показан на фигуре, представляющей диаграмму системы измерения изменения показателя преломления и двойного лучепреломления.

Как показано на фигуре, импульсный луч света монохроматического лазера, передаваемый фемтосекундным лазером FS, разделяется светоделительным элементом DW на два луча, проходящих через отдельные оптические каналы KO1 и KO2. Первый оптический канал KO1 определяется первым путем лазерного луча в оптической системе от светоделительного элемента DW до интерферометра VAWI. Второй оптический канал KO1 определяется вторым путем лазерного луча в оптической системе от светоделительного элемента DW до области измерения, где помещается испытуемый материал M.

На первом пути луча помещаются первое зеркало Z1, первая линза Ob1 и фотонное оптическое волокно SF, соединенные последовательно с монохроматором MCR, оснащенным конденсатором K. Суперконтинуум, генерируемый фотонным оптическим волокном SF, вводится в монохроматор MCR через входную щель S1, в то время как луч монохроматического света, выходящий из монохроматора MCR через выходную щель S2, образуется конденсатором K. Область измерения, куда помещается испытуемый материал M, находится за конденсатором K. Луч монохроматического света после прохождения через область измерения проходит через оптический фильтр F, который отсекает лазерный свет второго луча от интерферометра VAWI.

На пути второго луча находится второе зеркало Z2, подвижное зеркало ZP, вторая линза Ob2 и второе оптическое волокно SM, излучающее луч лазера высокой мощности в испытуемый материал M. Подвижное зеркало ZP используется для синхронизации импульсов.

Испытуемый материал M помещается в область измерения, расположенную на пересечении второго луча и луча монохроматического света, излучаемого монохроматором MCR, проходящего по оптической оси интерферометра VAWI.

Луч монохроматического света представляет собой луч измерения, анализируемый в интерферометре VAWI. Луч света, проходящий через первый оптический канал KO1, вводится первой линзой Ob1 в фотонное оптическое волокно SF, которое преобразует импульсы монохроматического света в импульсы полихроматического света, в частности, белый свет, который называется суперконтинуумом.

Полихроматический свет, выходящий из фотонного оптического волокна SF, проходит через входную щель S1 перестраиваемого монохроматора MCR, в котором он разделяется на разные длины волн и направляется в выходную щель S2. Монохроматический свет выбранной длины волны в пределах диапазона измерения монохроматора MCR, выходящий из выходной щели S2, преобразуется конденсатором K в параллельный луч монохроматического света, который освещает испытуемый материал M.

Импульсы луча монохроматического лазера высокой мощности из второго оптического канала KO2 передаются через линзу Ob2 во второе оптическое волокно SM, которое доставляет их к испытуемому материалу M. Луч также можно ввести в испытуемый материал M без второго оптического волокна SM. Импульсы высокой мощности из оптического канала KO2, воздействующие на испытуемый материал M, локально изменяют его оптические параметры - показатель преломления и двойное лучепреломление - куда и когда они проникают в материал.

Мгновенные изменения показателя преломления и двойного лучепреломления материала вызывают мгновенные изменения потери фазы светового луча измерения в микрообластях испытуемого материала M, пронизанных импульсами высокой мощности.

Измерение заключается в синхронизации световых импульсов из двух оптических каналов KO1, KO2 в пространстве и времени для того, чтобы оба импульса поступали к испытуемому материалу M, одновременно анализируемому интерферометром. В таком случае область материала, через которую импульс высокой мощности проходит в заданный момент времени, одновременно освещается импульсом луча измерения, выходящим из монохроматора MCR.

Подвижное зеркало ZP используется для синхронизации. Перемещение зеркала в направлении, указанном стрелкой, приводит к изменению длины оптического пути, проходимого импульсами луча во втором оптическом канале KO2.

После прохождения через испытуемый материал M луч измерения приближается к автоматизированному интерферометру VAWI через фильтр F. Благодаря синхронизации импульсов из двух каналов KO1, KO2, интерферометр регистрирует мгновенные изменения оптических параметров, вызванные нелинейными эффектами, возникающими вследствие взаимодействия импульсов луча лазера высокой мощности с веществом.

Перестраиваемый монохроматор MCR позволяет осветить испытуемый материал M при помощи луча монохроматического света предварительно заданной длины волны, что делает возможным измерение мгновенных изменений спектрального распределения показателей преломления и двойного лучепреломления по всему спектру видимого света, то есть в диапазоне от 400 нм до 700 нм. Применение интерферометра VAWI вместо системы Z-Scan и фотонного оптического волокна SF, генерирующего суперконтинуум, существенно повышает точность измерения и позволяет проводить измерения в микрообластях материала.

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для измерения изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами. Система состоит из фемтосекундного лазера (FS), фотонного оптического волокна (SF), двух оптических каналов (KO1, KO2) и интерферометрической системы, в частности, в виде интерферометра VAWI. Первый оптический канал (KO1) включает в себя монохроматор (MCR) с конденсатором (K), образующим луч измерения. Монохроматор (MCR) на входе соединяется с фотонным оптическим волокном (SF). Система зеркал второго оптического канала (KO2) включает в себя подвижное зеркало (ZP), которое изменяет длину оптического пути второго луча во втором оптическом канале (KO2). Испытуемый материал (M) помещается в область измерения, расположенную на пересечении луча измерения и второго луча, передаваемого через оптический канал (KO2). Изобретение обеспечивает повышение точности измерений параметров оптических материалов в областях, меньших нескольких микрометров. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система измерения изменений показателя преломления и двойного лучепреломления, вызванных нелинейными эффектами, состоящая из фемтосекундного лазера, фотонного оптического волокна, оптической системы, включающей в себя светоделительный элемент, два оптических канала и интерферометрическую систему, в частности, в виде интерферометра VAWI, расположенного в оптической оси луча измерения, выходящего из оптической системы, отличается тем, что первый оптический канал (KO1) включает в себя монохроматор (MCR) с конденсатором (K), образующим луч измерения, и монохроматор (MCR) на входе соединяется с фотонным оптическим волокном (SF), а второй оптический канал (KO2) содержит систему зеркал, включающую в себя подвижное зеркало (ZP), которое изменяет длину оптического пути второго луча во втором оптическом канале (KO2), в то время как испытуемый материал (M) помещается в область измерения, расположенную на пересечении луча измерения и второго луча, передаваемого через оптический канал (KO2).

2. Система по п.1, в которой оптический фильтр (F), отсекающий второй луч лазерного света, помещается между испытуемым материалом (M) и интерферометром VAWI.

3. Система по п.1, в которой первый оптический канал (KO1) включает в себя фокусирующий элемент, в частности, в виде первой линзы (Ob1), помещаемой на входной поверхности торца фотонного оптического волокна (SF).

4. Система по п.1, в которой второй оптический канал (KO2) включает в себя второе оптическое волокно (SM), оснащенное оптическим фокусирующим элементом, на входной поверхности торца, в частности, в виде второй линзы (Ob2).

5. Система по п.1, в которой система зеркал с подвижным зеркалом (ZP) включает в себя второе зеркало (Z2), расположенное между светоделительным элементом (DW) и подвижным зеркалом (ZP), тогда как второе зеркало (ZP) представляет собой прямоугольную систему, состоящую из двух плоских отражающих поверхностей.