Способ определения оптической плотности фазовых объектов и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01J9/02 

2. Устройство для определения оптической плотности фазовых объектов, содержащее двухлучевой интерферометр со скрещенными поляризаторами в плечах последнего,.кювету с красителем, оптически связанную через линию задержки с блоком накачки, и зеркало, плотность которого расположена параллельно плоскостям 77 зеркал интерферометра, образующих с последними и кюветой лазер на красителе, отличающееся тем, что в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластинка, а между блоком накачки и клиновидной пластинкой раепс ложен блок внешнего инициирующего поляризованного излучения.

1. Способ определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двухлучевой интерферометрии,заключакм1№й4ся в :Том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, .поляризуют во взаимно перпендикулярных направлениях, отличающийся .тем, что, с целью повышения чувствительности при. расширении спектральной области измерений путем обеспечения когерентности поляризациойных составлякяцих излучения активной среды, .излучение активной среды инициируют внешним источником поляризованного света. СдЭ ;о ;о

Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано при исследованиях свойств прозрачных сред, например, при измерениях величины аномальной дисперсии, значений показателя преломпения, изучении процессов, происходящих в плазме, а в ряде других интерферометрических задач, когда.информацию необходимо извлекать из спектрального распределения

измеряемых величин. I. -.

Известны способы определения

оптической плотности фазовых объектов, согласно которым зондирукнцее излучение делится по амплитуде на два приблизительно -равных по интенсивности пучка лучей, один из которых проходит через исследуемый фазовый объект, и затем по виду картины интерференции, возникающей при введении световых пучков, судят о параметрах исследуемого объекта il

Однако известные спектроинтерференционные методы обладают относительно низкой чувствительностью (по сравнению, с мет.рдами, основанными, например, на излучении и поглощении света) .

Извест.ен также способ определения оптической плотности амплитуднофазовых объектов путем внутрирезонаторной спектроскопии, заключающийся в том, что исследуемый амшштудно-фазовый объект помещают внутрь резонатора-лазера на красителе. При этом достигают высокой чувствительности к амплитудным изменениям спектра генерации 2j .

Однако информацию о фазовых изменениях, вызываемых действием исследуемого объекта, указанным способом получить невозможно, поскольку в нем невозможно наблюдение спектроинтерференционных эффектов.

Наиболее близким к предлагаемому является интерференционньш способ селекции продольных типов колебаний влазерах, основанный на частотной зависимости эффективного значения коэффициента отражения одного из зеркал резонатора, функцию которого вьшолняет двухлучевой интерферометр. Способ позволяет обеспечить в пределах ширины атомной линии генерации : высокую добротность резонатора для рабочего типа колебаний и низкую для всех остальных,., что приводит к дискриминации всех типов колебаний, кроме одного-двух,-для которых эффективный коэффициент отражения интерферометра имеет максимальное зна leHHe. Согласно данному способу осуществляется внутрирезонаторная двухлучевая интерферометрия в пределах спектральной ширины излучения генерирующего атомного перехода, з ключающаяся в том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, поляризируют во взаимно перпендикулярных направлениях, кроме того возможно определение оптической плотности фазовых объектов в одночастотном режиме..

j Способ осуществляется устройством для й нтерференционной селекции продольных типов колебаний, содержащим двухлучевой интерферометр с кристаллическим двоякопреломпяющим .расщепителем излучения на два луча (со взаимно перпендикулярными направляющими поляризации), активную газовую

3

среду и зеркало резонатора, соосного с отражающими зеркалами интерферометра 3J .

Однако известный способ позволяет получить интерференцию световых колебаний лишь в пределах ширины генерирующего атомного перехода. Замена активной газовой среды красителем не позволяет получить интерференционную картину в широкой области спектра из-за некогерентности поляризационных составляющих в излучении красителя. Таким образом, измерение указанньм способом оптической плотности фазовых объектов возможно лишь в одночастотном режиме. При этом чувствительность определения минимального значения оптической плотности относительно низка (по сравнению с методами, основанными на излучении и поглощении света) и равна чувствительности обычных спектроинтерференционных методов исследования фазовых объектов, что связано с перемешиванием пучков/света, многократно проходящих поочередно через разные плечи интерферометра и активную газовую среду. Однако при измерениях оптической плотности фазовых объектов и ее распределении по длинам волн необходимо получать информацию одновременно в широком спектральном диапазоне с максимально возможной чувствительностью, существенно расширяющей круг объектов и явлений, доступных указанным спектроинтерферёнционшл ; методом исследования.

Цель изобретения - повышение чувствительности внутрирезонаторной интерферометрии и возможность реализации способа одновременно.в широком спектральном диапазоне.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двухлучевой интерферометрии, заключающемуся в том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, поляризуют во взаим но перпендикулярных направлениях, излучение красителя, генерирукнцего в широкой области спектра, инициируют внешним источником поляризованного света.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для внутрире99774

зонаторной интерферометрии, содержащем двухлучевой интерферометр со скрещенными поляризаторами для вза-имно перпендикулярной поляризации . излучения в плечах последнего, кювету с красителем, оптически связанную через линию задержки с блоком накачки, и зеркало, установленное соосно с отражающими зеркалами интерферометра и образуюсцие с последними резонатор лазера на красителе, в резонат.ор лазера на красителе введена клиновидная пластИнка, а между блоком накачки и клиновидной пластинкой расположен блок внешнего инициирующего поляризованного излучения. На чертеже представлено устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит блок оптической накачки 1, (обведен пунктирной линией), оптически связанный через линию задержки 2 (обведена пунктирной линией) и через зеркало 3 с двухлучевым интерферометром Майкельсона со о светоделителем 4, между которым и зеркалом 3 расположена кювета 5-С красителем, и зеркалами 6 и 7, установленными соосно с зеркалом 3 и образующими с ним два связанных резонатора лазера на красителе, в плечах которого расположены поляроиды 8 и 9 со взаимно перпендикулярными направлениями паля ризации и ирследуемый объект 10, причем в резонатор лазера

5 на красителе введена клиновидная

пластина 11, осуществляющая соосность лазерного резонатора и блока внешнего инициирующего поляризованного излучения 12 (обведен пунктирной ли0 нией), связанного с блоком накачки клиновидной пластиной 13,.а интерферометр Майкельсона через поля- . роид 14 оптически связан с системой наблкщенйя картины интерференции

15 (обведена пунктирной линией).

Способ получения спектроинтерферограмм осуществляют следую1ф1м образом.

Импульсное излучение блока накач0 ки 1, пройдя через оптическую линию задержки 2 и зеркало 3, создает инверсию заселенности молекул красителя в кювете 5. Часть излучения накачки за счетотражения от передней 5 поверхности клиновидной пластинки 13 вводится в блок инициирупцего излучения 12, который вьфабатывает под ее воздействием импульс поляризованного излучения с длительностью, равной длительности импульса накачивающего излучения. С помощью клиновидной, пластинки 11 поляризованное излучение блока 12 вводится в резонатор лазера на красителе и иницииру ет вынужденные переходы молекул последнего, ориентированные под разными углами к оси резонатора. При этом спомощью оптической линзы за-: держки 2 обеспечивают такое частичное наложение во времени инициирующего излучения и излуче1дая оптическо накачки красителя, что индуцированное излучение молекул имеет дпитель ность, меньшую или равную 21,/с сек, где L - длина резонатора лазера на красителе, с - скорость света. Таким образом, в направлении светоделителя интерферометра Майкельсона распространяется импульс ивдуцированного -излучения красителя, поляри заш онные составляющие которого ког рентны (в отличие от случая возникновения индуцированного излучения з

счет начальных спонтанных переходов возбужденных молекул, когда поляризационные составляю1цие ивдуцированного излучения между собой некогерентны) . Индуцированное излучение красителя делится на светоделителе 4 на два пучка лучей приблизительно равной интенсивности. Поляроиды 8 и 9 выделяют из всей совокупности лучей лучи со взаимно пер пендикулярнь1ми плоскостями колебаний, которые затем независимо распространяются внутри двух связанных лазерных резонаторов, усиливаясь после каждого прохождения активной среды. При этом эффективная длина исследуемого фазового объекта 10 увеличивается в число прохождений излучения внутри резонатора,, которое определяется длительностью ге н рации красителя и длиной лазерного резонатора. После, каждого прохождения часть излучения красителя, состоящая из двух пучков, света со взаимно перпендикулярными .поляризациями, выходит из интерферометра э направлении системы регистращи.- Исходная длительность индуцированного излучения, меньшая 2L/C сек, обеспечивает такое независимое распространение коротких цугов световых колебаний внутри i связанных резонаторов 3-6 и 3-7,

среду красителя сначала в направлении зеркала 3, а затем к светоделителю 4s значительно отличается по интенсивности от излучения предьиущего прохождения, вследствие чего система регистрации регистрирует развернутую в спектр картину интерференции, в основномсоответствующую интерференщи двух пучков света с максимальным числом прохождений через исследуемьм фазовый объект 8.,

Пример, Блок, оптической накачки 1 состоит из импульсного рубинового лазера ОГМ-20-16, одноосного двоякопреломпяющего кристалла 1ШД217 и фильтра УФС-1-18. В качестве линии оптической задержки используются две прямоугольные кварцевые призмы 16 и 17. Сложный лазерный резонатор состоит из зеркала 3, пропускающего ультрафиолетовое излучение и отражакяцее видимьй свет, и двухлучевого интерферометра Майкельсона. Покрытия зеркал и светоделителя диэлектрические.

.Кювета 5 содержит спиртовой раствор красителя родамина 6Ж. Блок внешнего инициирующего излучения 12 соединен оптически с блоком накачки 1 с помощью клиновидной пластинки 13 и содержит источник излучения 18 лазер на спиртовом растворе красителя родамина 6Ж, поляроид 19 и что цуг п-го прохождения не накладывается на цуг (n-l)-to прохождения,- исключая тем самьм возможность интерференции световых пучков прошедших одно и то же плечо интерферометра, но разное число раз. Таким образом, в направлении системы регистрации 15 последовательно, не накладываясь одни на другие, выходят пары пучков света.со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний, прошедшие все увеличивающееся число раз каждый свое плечо интерферометра. .Поляроид 14, ориентированный под углом 45 к плоскостям поляризации поляроидов 8 и 9, пропускает только соответствующие составляющие электрических векторов этих пучков, обеспечивая возможность их интерференции с максимальной контрастностью. При этом лазер на красителе работает в режиме усиления света с таким коэффициентом, что каждое последующее прохождение излучения через активную

четвертьволновую слкадяную пластинку 20, Система наблюдения картины интерференции состоит из объектива 21 и спектрографа ДАС 22, в фокальной плоскости которого расположена кассе та с фотопластинкой.

Спектроинтерферограмму получают следующим образом..

Излучение импульсного рубинового лазера, генерирукицего на длине волны 7 694,3 нм в течение приблизительно 30 НС, преобразуется кристаллом .КПД в излучение в два раза меньше длины волны ( 347,15 нм), фильтр УФС-1 пропускает излучение с Oi 347 нм (излучение, накачивающее краситель) и отрезает излучение с 694 нм. Накачивающее излучение, пройдя регулируемую путем перемещения призмы 17 оптическую линию задержки 2, через зеркало 3 вводится в кювету 5 с красителем. Зеркало 3 имеет такое диэлектрическое покрытие что коэффициент его пропускания для X 347 нм имеет значение приблизительно 90%J в то время как для более длинноволнового излучения оно хорошо отражает (коэффициент отражения составляет величину около 97%). Таким образом, накачивающее излучение беспрёпятственно проходит внутрь лазерного резонатора, а для излучения красителя в области длин волн около 600 нм коэффициент отражения зеркала

|3 имеет большое значение,

.

Часть излучения рубинового лазера (около 10%) отражается от передней поверхности клиновидной пластинки 13 и попадает в дополнительный источник поляризованного излучения 23: через зеркало 24 вводится в кювету 25 с красителем, в качестве которого используется спиртовой раствор родамина 6Ж. Кювета 25 помещена в лазерный резонатор, состоящий из зеркал 24 и 26, которые вместе образуют источник света 23. Зеркало 24 имеет диэлектрическое покрытие, аналогичное покрытию зеркала 3, т.е. хорошо пропускает накачивающее излучение - вторую гармонику излучения рубинового лазера с 91 347 нм - и отражает излучение красителя в области длин волн около 600 нм. Поляроид 19, ориентированный под углом 45 к плоскости поляризации поляроидов 8 и 9, вьщеляет из импульса Генераций красителя, /

выходящего через частично пропускающее зеркало 26 в направлении клиновидной пластинки 11, одну линейно поляризованную составляющую. Последняя, пройдя четвертьволновую слюдяную пластинку. 20, преобразуется в циркулярно поляризованное излучение, которое вводится с помощью пластинки 11 в резонатор основного лазера на красителе и инициирует импульс индуцированного излучения красителя, поляризационные составляющие которого вследствие инициирования когерентны (инициирование излучения красителя может производиться и непосредственно линейно поляризованной составлякицей дополнительного источника света, однако, в этом случае эффективность иниции- различных поляризационных, составляюпрх излучения тфаснтепя будет неодинаковой). В качестве фазового 10 используется геометрическое неравенство длин плечей интерферометра Майкельсона.

Выходящие из интерферометра, по направлению к системе регистрации пары пучков света разного числа прохождений значительно отличаются по интенсивности друг от друга.

Максимальной интенсивностью обладает пара пучков света, прошедщая наибольшее число раз внутри лазерньк резонаторов. Вследствие этого на фотопластинке (с учетом также и нелинейности кривой почернения), помещенной в фокальной плоскости спектрографа, регистрируется развернутая в спектр картина интерференции, в основном соответствующая интерференции двух пучков света с максимальным числом прохождения через исследуемый фазовый объект.

Предлагаемый способ осуществим в реальных условиях при исследовании любых прозрачных фазовых объектов При осуществлении способ значительно (в число раз, определяемое длительностью генерации красителя и длиной одного из связанных резонаторов) увеличивается чувствительность традиционных спектроинтерференционных методов измерения оптической плотности фазовьсс объектов.

Увеличение длительности оптической накачки кюветы с красителем либо за счёт применения ламповой накачки, лябо за счет замены в предпа91

гаемом устройстве рубинового лазера на лазер с большей длительностью генерации не подходящей для накачки красителя длиной волны излучения, позволяет еще больше увеличить чувст вительность определения минимального значения оптической плотности фазовых объектов.

Повьппение чувствительности измере ния малых значений оптической

ности исследуемых фазовых объектов существенным образом расширяет круг объектов и явлений, доступных классическим спектроинтерференционным. ме тодам исследований. Появляется возможность измерения относительных зна

13997710

чений сил осцилляторов Спектральных линий, возникающих при переходах с возбужденных состояний различных атомных систем.

Кроме Toroi предлагаемый способ позволяет исследовать ряд злементарных процессов, просходящих в низкотемпературной плазме, когда необходимо измерять с высокой степенью точности соответствующие изменения заселенности возбужденных атомных состояний, что недоступно для обычных спектроинтерференционных методов исследования, вследствие их относи1тельно невысокой чувствительности.