Устройство для измерения нелинейности показателя преломления оптических сред Советский патент 1984 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к технике измерений физических свойств вещества и может быть использовано при стекловарении для аттестации оптических свойств материалов на коэффициент нелинейного показателя преломления икнпп).

Известно устройство для измере,ния нелинейности показателя преломления оптических сред, содержащее . последовательно расположенные источник мощного светового излучения, блок регистрации поперечного распределения излучения, исследуемый образец, поляризатор Рошона и два фотоприемника, оптически с ним соединенные. Измерения проводятся на основе явления самовращения эллипса поляризации и осуществляются путем соотношения сигналов, поступающих с фотоприемников til.

Недостатками известного устройств являются сложность конструкции и высокая трудоемкость измерений, нелинености показателя преломления.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения нелинейности показателя преломления оптических сред, содержащее источник светового излучения и последовательно расположенные по ходу излучения делительную пластину, блок регистрации нелинейного изменения показателя преломления и блок регистрации формы световых импульсов, оптически связанный с делительной пластиной.

Блок регистрации нелинейного изменения показателя преломления содержи.т последовательно расположенную фазовую пластину и поляризатор, а блок регистрации формы световых импульсов представляет собой коакси- . альные фотоэлементы.

Кроме того, в устройстве имеется блок регистрации поперечного распределения излучения, содержащий, например, делительную пластину и оптически соединенный с ней фотоаппарат. Этот блок служит для контроля за пространственным распределением светового импульса, создающего нелинейное изменение показателя преломления в исследуемом образце 21.

Низкая производительность измерений и высокая стоимость ( сложность конструкции) данного устройства обусловлены наличием блока регистрации поперечного распределения излучения, включающего фотоаппарат и приводящего к делительному процессу обработки результатов измерений на фотопленке.

Цель изобретения - повышение производительности измерений и снижение стоимости устройства путем упрощения его конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения нелинейности показателя преломления оптических сред, содержащем источник светового излучения и последовдтельно расположенные по ходу излучения делительную пластину, блок регистрации нелинейного изменения показателя преломления (НИПП, блок регистрации формы световых импульсов, оптически связанный с делительной пластиной, введены калиброванный делитель излучения, эталонный образец, второй блок регистрации НИПП, причем калиброванный делитель расположен по ходу излучения после делительной пластины и оптически соединен через эталонный образец с вторым блоком регистрации НИПП, блок регистрации формы световых импульсов дополнительно оптически связан с блоками регистрации НИПП через линии оптической задержки, а выход блока регистрации формы свето вых импульсов является выходом устройства.

Введение в устройство калиброванного делителя излучения, эталонного образца, второго блока регистрации НИПП и расположение их указанным обч разом исключает необходимость измере ния поперечного распределения мощного светового излучения. КНПП исследуемого материала определяется путем относительных измерений . Переход от абсо лютных измерений к относительным позволяет без снижения точности повысить их производительность. Использование одного блока регистрации световых импульсов вместо двух таких блоков, а также исключение из устройства блока регистрации поперечного распределения излучения при введении калиброванного делителя, эталонного образца и второго олока регистрации НИПП позволяет упростить конструкцию, а следовательно, снизить стоимость устройства , так как стоимость исключенных блоков значительно превышает стоимость вводимых элементов. Точность, измерений при этом возрастает, поскольку устраняется неконтролируемое различие передаточных функций блоков регистрации формы световых импульссэв.

В качестве калиброванного делителя может быть использовано лазерное диэлектрическое зеркало с коэффициентом пропускания на рабочей длине волны порядка 50%, поскольку лазерные диэлектрические зеркала являются наиболее удобными и распространенными делителями излучения, а значительное отступление коэффициента пропускания на рабочей длине волны .от значения 50% создает невыгодные условия для создания области НИПП в том образце, в который поступает меньшая доля энергии, так как НИПП пропорциональйо интенсивности излучения.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 и 3 - примеры его конкретного выполнения; на фиг. 4 - осциллограмма сигналов на выходе устройства.

Устройство содержит последовательно-расположенные источник мощного светового излучения 1, делительную пластину 2, исследуемый образец 3, блок регистрации НИПП в исследуемом образце 4, а также блок 5 регистрацчи формы световых импульсов, оптически соединенный с делительной пластиной 2. Перед исследуемьом образцом 3 помещен калиброванный делитель б излучения, выполненный в виде диэлектрического зеркала с коэффициентом пропускания на длине волны источника .излучения порядка 50%. С калиброванным делителем 6 через эталонный образец 7 оптически соединен блок регистрации НИПП в эталонном образце 8 Оптические пути от калиброванного делителя 6 до образцов равны. Требование равенства оптических путей обусловлено тем, что оно обеспечивает идентичную пространственную структуру излучения. При этом в обоих образцах формируются аналогичные: 1области НИПП, обусловленные подобными пространствами временными парамет рами излучения. Блок регистрации формы световых импульсов 5 дополнительн оптически соединен с блоком реги трации НИПП в исследуемом образце через линию оптической задержки .9 и с блоком регистрации НИПП в эталонном образце через линию оптической задержки 10. Линии оптической задержки построены с использованием лазерных диэлектрических зеркал. Оптическая длина линий задержки 9 и10 выбрана таким образом, .чтобы сигналы приходящие на блок регистрации формы световых импульсов 5 от -делительной пластины 2, от блока регистрации НИПП в исследуемом образце 4 и от блока регистрации НИПП в эталонном образце 8, не перекрывались во времени. Длина линий задержки полностью определяется параметрами светового излучения, а именно длительностью импульса , и составляет для линий оптической задержки 9 и 10 соответственно L сг,,„и L 2-Сгцмп где С- скорость света в вакууме.

. Примером наиболее целесообразного выполнения устройства служит устройство (фиг. 2, источник мощного светового излучения 1 которого содержит лазер ОГМ-100, последовательно соединенный поляризатором 8 и фазовым элементом. Блоки регистрации НИПП 4 и 8 выполнены в виде поляризаторов, , при этом блок регистрации формы световых импульсов 5 представляет собой коаксиальный фотоэлемент ФК-26. Калиброванный делитель излучения б .

устанавливают к направлению хода излучения под углом, не превышающим 10-12°.

Устройство работает следующим образрм.

Мощный световой импульс эллиптически поляризованного излучения от источника измерения попадает на делительную пластину 2, часть излучения отводится при этом в блок 5 для регистрации формы св-етового импульса, падающего на образцы. Прошедшее делительную пластину излучение попадает на калиброванный делитель 6, при этом часть излучения направляется на исследуемый образец 3, другая часть - ча эталонный образец 7. Иэза анизотропии показателя преломления, наведенной светом, в образцах происходит поворот эллипса полязирации. Расположенные за образцами блоки регистрации НИПП 4 и 8 регистрируют угол поворота эллипса поляризации, пропорциональный КНПП. Излучение, прошедшее блоки регистрации НИПП в образцах, через линии оптической задержки 9 и 10 попадает в блок регистрации формы световых импульсов 5. При длительности импульса ОГМ-100 порядка 3 их длина линий оптической Зсщержки 9 и 10 составляет соответственно 1 и 2м.

На фиг. 3 изображено устройство, в котором блоки регистрации НИПП в образцах 4 и 8 выполнены в виде гра|Ниц полного внутреннего отражения, а блок регистрации формы световых импульсов 5 представляет собой, например, элёктроннооптическую камеру

АГАТ-СФ.

Нелинейное изменение показателя преломления оптической среды под действием света можно записать в виде

а)

ДП-П2. ,

где Пг. - коэффициент нелинейного показателя преломления оптической среды;

. - амплитуда напряженности высокочастотного электрического поля.

КНПП исследуемой среды определяют иэ анализа форм световых импульсов, падающих на образцы и прошедших их 6ФИГ. 4).

На фиг..4 кривые 11, 12 и 13 изобржают формы световых импульсов соответственно падающего на образцы, прошедшего исследуемый образец, прошедшегр эталонный образец, где -„лауг величины сигналов с блока регистрации формы световых импульсов на максимуме интенсивности .световых импульсов соответственно падающего на образцы, прошедшего исследуе- . мый образец, прошедаиего эталонный образец; h,, ПГтк - величины сигналов солока регистрации ФОРМЫ световых импульсов на Полуширине св товых импульсов соответственно пада щего на образцы, прошедшего исследу мый образец и прошедшего эталонный образец. Регистрация НИПП в образцах осно вана на измерении изменения пропускания содержащего образец канала, обусловленного действием мощной све товой волны. При этом дТ-д..(2) где йТ - изменение пропускания. В свою очередь /AVKUA А Ч ) --(, коэффи(1иент нелинейного показателя преломления исследуемой среды можно найти из следующего соотношения . .ША где К - - коэффициент, определяемый при калибровке делителя. Использование в предлагаемом устройстве калиброванного делителя, эталонного образца, блока регистрации НИПП в эталонном образце выгодно отличает его от известных аналогов , так как исключает необходимость измерения поперечного распределения мощного светового излучения,. создаю-. щего НИПП и в исследуемом образце, и позволяет повысить производительность измерений, снизив при этом необходимое для одного измерения время до 10 ч., Это дает возможность усксрить процесс создания новых оптических материалов с заданной нелинейностью показателя преломления. Кроме того, отсутствие в предлагаемом устройстве блока регистрации поперечного распределения мощного излучения и наличие только одного блока регистрации формы световых импульсов П1 иводит к упрощению конструкции и снижению стоимости устройства.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СРЕД, содержание источник светового излучения, последовательно расположенные по ходу излучения деТТйтельную пластину, блок регистрации нелинейного изменения показателя преломления и блок регистрации формы световых импульсов, оптически связанный с делительной пластиной, отличающееся тем, что, с целью повы шения производительности измерений и снижения стоимости устройства путем упрощения его конструкции, в него введены калиброванный делитель излучения, эталонный образец, второй блок регистрации нелинейного изменения показателя преломления, причем калиброванный делитель расположен по ходу излучения после делительной пла- стины и оптически связан через эта- ф лонный образец с вторым блоком реги(Л страции нелинейного изменения прказателя преломления, блок регистрации с формы световых импульсов дополнитель но оптически связан с блоками регистрации нелинейного изменения пока- S зателя прел я4ления через линии оптической задержки, а выход блока регистрации формы световых импульсов является выходом устройства. « сд