Способ измерения кривизны фазового фронта пучка электромагнитного излучения Советский патент 1984 года по МПК G01J1/42 

i Изобретение относится к способам измерения кривизны фазового фронта пучков электромагнитного излучения и может использоваться в квантовой электронике. Известен способ определения кривизны фазового фронта, согласно которому в лазерный пучок помещают непрозрачный зкран с двумя отверстиями, который перемещают вместе с фотоприемником в поперечном сечении пучка. Затем измеряют интенсивность сигнала от двух и от каждого из отверстий, рассчитывают сначала производную от распределения фазы, а затем фазовое распределение lj , Недостатком данного способа яв ляются невозможность быстрого получения информации о фазовом распределении пучка излучения, а также сложность выполнения устройств, его реализующих. Указанный способ измерений неприменим для импульсного излучения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения кривизны фазового фронта пучка электромагнит ного излучения, включающий облучение пучком дифракционной структуры, регистрацию параметров дифракционной картины в фиксированных плоскос тях и определение по результатам регистрации искомой кривизны. По изменению периода дифракционной каЬ тины определяют радиус кривизны фазового фронта. Указанный способ применим для исследования импульсны волновых пучков 2 . Недостатками известного способа являются невозможность измерений в процессе работы лазера по основному назначению (больщие искажения пучка транспарантом), большие затраты вре мени на микроскопическую обработку дифракционных изображений. Цель изобретения - уменьшение искажений пучка и сокращение времени измерения. Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения кривизны фазового фронта пучка электромагнитного излучения, включающему облучение пучком дифракционной струк туры, регистрацию параметров дифракционной картины в фиксированных плоскостях и определение по результа там регистрации искомой кривизны. 802 проводят облучение неэквидистантной дифракционной структуры, регистрацию проводят в одной из плоскостей, расположенных на расстояниях Г, (If 1, 2, 3,..) от дифракционной структуры, соответствуюп5их положению ее фокальных плоскостей при облучении плоским фронтом, определяют номер m дифракционного порядка, имеющего минимальный диаметр в плоскости регистрации, а радиус кривизны определяют по соотношению где п - номер плоскости регистрации, На фиг. 1 показана схема одного из вариантов реализации способа, на фиг. 2 общий вид неэквидистантной дифракционной структуры. Зависимость фокусного расстояния от номера дифракционного порядка, ;,а также зависимость положения фокальной плоскости от кривизны фронта пучка электромагнитного излучения позволяют провести оценку кривизны фазового фронта. В качестве неэквидистантной структуры может применяться, например, такая, в которой расстояния между соседними рассеивающими элементами изменяются по квадратичному или линейному закону . . Направим на решетку пучок излучения с радиусом кривизны фазового фронта R в направлении оси у . Вблизи фокуса П -го дифракционного порядка комплексную амплитуду поля можно записать исходя из принципа ГюйгенсаКирхгофа, аппроксимируя решетку квадратичным фазовым корректором с фокусным расстоянием Fj, . Если функция изменения амплитуды пучка излучения на решетке (х -а, а) равна U(x), точка наблюдения - х„ располо-i жена в зоне Френеля, то с точностью до несущественного постоянного комплексного множителя для упомянутой комплексной амплитуды получим (зависимость от времени exp(4dt)) v(f,V.h.l«p(«(ti-y.-., 31 Видно, что максимальная фокусировка не получается при L плоскости L регистрируется несколько дифракционных порядков с близкими фокусными расстояниями (что обеспечивается выбором закона изменения расстояния между соседними рассеивающими элементами). Пусть из регистрируемых дифракционных порядков максимальная фокусировка будет относиться к W -му порядку в точке наблюдения у, где .l.(.b.p{%,(;i-il.%.,( Условие максимальной фокусировки имеет вид ГЧ г с Р . Таким образом, регистрируя часть дифрагированного спектра в заданной плоскости L Г и фиксируя номер максимально сфокусированного дифрагированного порядка, по известному его фокусному расстоянию из (3), находим радиус кривизны фазового фронта. Когда имеет возможность визуального наблюдения дифрагированно го спектра, определение J может производиться без регистрации излуч ния на носителеинформации. Предварительной калибровкой можно поставить в соответствие каждому дифрагированному порядку измеряемый радиус кривизны. Пучок с радиусом кривизны п Fn-Fnt, неразличим от плосковолнового пучка Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1). Исследуемый пучок света 1 направ ляют на незквидистантнзто дифракцион ную структуру 2, общий вид которой приведен на фиг. 2. В качестве дифракционной структуры используют фазовую решетку, в которой расстояние 80 между рассеивающими элементами из1 1 меняется по закону - -j -;; . tri. о где TO - начальное расстояние между рассеивающими элементами, соответствующее краю решетки, г - значение радиуса кривизны рассеивающих элементов, 00 1,22.10 мм. Фокальные плоскости для данной решетки в случае падения излучения с плоским фазовым фронтом расположены на расстояниях от нее, равных р Д - длина волны излучения. Экспериментальное определение фокусных расстояний проводят калибровкой с по мощью эталонного излучения. Затем регистрируют картину дифракции исследуемого пучка на неэквидистантной, структуре в плоскости, удаленной от нее, например, на расстояние F . Из полученной дифракционной картины определяют, что минимальный диаметр отпечатка соответствует, например, номеру № 11. Искомый радиус кривизны R определяют из соотно.шения -р - 856,8 мм, R R О - со1-011ответствует сходящемуся падающему пучку. В отличие от известного способа в данном способе измерений регистрируется не основной пучок, а незначительная часть его ответвленной энергии, что и позволяет сохранить характеристики пучка неизменными (без значительных искажений). Малые искажения исследуемого пучка позвопяют использовать практически всю энергию излучения для облучения мипени, обеспечивая при этом непрерывный контроль радиуса кривизны фазового фронта. Предлагаемый способ исключает необходимость в микроскопическом определении размеров дифракционной картины, так как при этом достаточно зафиксировать номер порядка, дающего минимальный диаметр отпечатка на дифракционной картине, что значительно сокращает время измерений. Кроме того, способ позволяет путем дополнительных операций получить исчерпывающую информацию о пучке. Измерив угловое распределение интенсивности в И -м дифракционном порядке, получаем диаграмму направленности. Измерение пространственного распределения амплитуды в порядке, имеющем минимальньй диаметр отпечатка, при помощи ее обратного преобразования Фурье позволяет восстановить амплитудное распределение пучка излучения в плоскости дифракционной струк 1,806 туры, а при помощи дифракционного интеграла определить пространственное распределение сфокусированного излучения исследуемого пучка, в том числе длину перетяжки и форму каустической поверхности.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИВИЗНЫ ФАЗОВОГО ФРОНТА ПУЧКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗ ЛЗ ЧЕНИЯ, включающий облучение пучком дифракционной структуры, регистрацию параметров дифракционной картины в фиксированных плоскостях .и определение по результатам регистрации искомой кривизны, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажения пучка и сокращения времени измерения, проводят облучение неэквидистантной дифракционной структуры, регистрацию проводят в одной из плоскостей, расположенных на расстояниях f -( k 1, 2, 3 ,..) от дифракционной структуры, соответствующих положению ее фокальных плоскостей при облучении плоским фронтом, определяют яоме| m дифракционного порядка, имекяцего минимальный диаметр в плоскости ре-, гистрации, а радиус кривизны R определяют по соотношению .РП ; где п -.номер плоскости регистрации. Фаг.1 Л7«/