Способ определения параметров когерентного излучения Советский патент 1993 года по МПК G01J9/00 G03H1/16 

Изобретение относится к области измерения параметров излучения и может быть использовано для оперативного дистанционного измерения среднего радиуса кривизны и пространственно-временных флуктуации фазы излучения.

Целью изобретения является увеличение информативности способа за одновременного измерения среднего радиуса кривизны волнового фронта излучения « дисперсии пространственных флуктуации фазы излучения относительно среднего радиуса кривизны волнового фронта излучения.

физическая сущность изоб1)етения заключается в использовании эффекта симметрии в пятнистой структуре интенсивности рассеянного поля при освещении сферической волной амплитудного модулятора. Симметрия обусловлена свойствами Фурье-преобразования, следовательно, плоскость регистрации для наиего случая должна совпадать с плоскостью Фурье-преобразования от объекта (в изобретении в Качестве объекта выступает ампли тудный модулятор). Как известно, данная плоскость для сферической волны в однородной среде.определяется плоскостью изображения точечного источника, при этом плоскость изображения строится по законам геометрической оптики и однозначно связана с кривизной волнового фронта формулой линзы. -При распространении сферической водны в случ айно-неоднород- ной среде радиус кривизны волнового фронта изменяется, при этом появляется эффективный радиус кривизны и плоскость настоящего изображения точечного источника смещается.относительно плоскости изображения точечного источника,найденного по законам геометрической оптики. В дальнейшем плоскость настоящего, изображения точечного источника будем.называть плоскостью фокусиррвки (если речь идет о сферической волне) или плоскостью перетяжки (если речь идет о гауссовом л,азерном пучке). При этом если применить формулу .линзы к известным параметрам (фокусное .расстояние f , расстояние от задней главной плоскости фокусирующей оптической системы до 1.гюс :ости фокусировки или перетяжки), постучим средний рл- днус кри}зизны из1 учения плоскс сти

входа т фокусирующую оптическую систему.-1 Пространственные флуктуации фазы относительно сферического волнового фронта приводят к нар дпешда сшлмет- рии в пятнистой структуре интенсивности плоскости фокусировки. Количественно нарушение симметр 1и можно описать корреляционной функцией

KI )и-) ()1(-д)(Л)Е (-1)(й)Е(-)Г ,„ а степень нарушения симметрии с ле- дует оценивать величиной- отношения Kt/Dl, где D1 - дисперсия интенсив- ност.и,

,1)(й)КА)1((Л)

, КЕ(л1е1:д)(й)Е(д)Г .,

При представлении Ъ1 и КI мы воспользовались нормалиэугошими свойствами амплитудного модулятора, это можно сделать если N 10 областей рассеяния в амплитудном модуляторе .

Довести расчеты К1 и Dl до аналитических вь фажений не составляет тру- |да, если востЮльзоваться известной (формулой

.p(f(abi)..xp{5;;:--l: -3if j;

-(л,In

о.Ь,

-где ЗС. . коммулянты шункции

jf (а,6), и предположением о тояедест- венности рассеивающих областей в амплитудном модуляторе (например, рас- сеиватели одинакового радиуса) то

3)1 AexpL ifvAX.i. А б

К1 ,

где А, - множитель одинаковый для KI и DI в случае, если приемники, иэлучения имеют одинаковую передаточ- ,ную функцию5 . усреднение по ансамблю реализаций. а In х и s опр5- де.пяются из представления нсследуёмо- I o волнового поля в виде

и(Д)йХр(СпХ.,5}, t-i X

- дисперсии величин PhXи S , которые обычно называют уровнем и фазой волнового поля. Следовател.но, KI /Ъ1 - ,}.

Иногда более удоб иэ воспользоваться выражением степени симметрии. этого вначг)ле неоГжодимо сформи- , ровать величину .Л 1 | Гд) - , )

3

и проводить ее статистическую обработку. При этом

м.,, ,

гдеЭ д - дисперсия д1.

Дополнительны анализ случайной величиныЛГ позволяет говорить о возможностях определения иных статистических характеристик фазы, например, о спектре флуктуации фазы 5 Вследствие малых размеров отдельных пятен пятнистой структуры, достигающих мкм, для реализации предлагаемого способа необходимо поместить плоскость фокусировки или перетяжки пучка в переднюю фокальную плоскость Фурье-преобразующей оптической системы, имеюп(ей фокальное расстояние f fi Cf фокальное расстояние фокусирующей оптической системы). При этом в задней фокальной плоскости преобразующей системы получаем Фурье-преобразования светового поля, существующего в плоскости фокусировки. Очевидно, что if силу, двойного Фурье-преобразования в задней фокал ной плоскости будет сформировано уменьшенное изображение освещенной области амплитудного модулятора, покрытое myi-iaMM пространственных флуктуации фазы исследуемого излучения. Дальнейшее распространение преобразованного светового поля за фокальной плоскостью подчиняется законам распространения в свободном пространстве. Во фраунгоферовой зоне относительно размеров изображения 5мплитудного модулятора будем иметь симметрию пятнистой структуры излу- «ёния за счет Фурье- Преобразования от амплитудного модулятора и наруще- ие симметрии за счет шумов от прост- 1ранственньгх флуктуации фазы в изобра- .жении амплитудного модулятора. Не трудно показать, что пятнистые структуры интенсивности в .этой области идентичны картине в плоскости изображения точечного источника, но имеют . |ИНЬй масщтаб.. Увеличение масштабов производят изменением параметров преобразующей системы или изменени зм местонахождения плоскости регистрации, при этом удается получить увеличенное, изображение пятнис той структуры в плоскости фокусировки в 10 раз и более, что является достаточньм для надежной регистрации пятнистой .стр гктуры.точечным источником. Конт- рпль совмещения п.гго1.кости фок счров20436 .х

ки исследуемого гтзлучения с фокусом преобразующей оптической системы ., может быть проведен разнообраз1П1 ми методами.

Например, визуальньп контрглем со:тещения фокуса преобразующей сис с областью каустики сформированного исследуемого излз ения; перемещением преобразующей оптической системы вдоль оптической оси до получения известного образа в плоскости регистрации, стоящей на расстояниях г ОТ фокусирующей оптической систе- №i,R,,p + 100флр) 7/1, Д - длина волны излучения, Ар- сечение амплитудного модулятора, ocвeщae.foe исследуемьм излучением и ограниченное размерами фокусир ощей системы.

Дпя случая одинаковых круглых рас- сеивателей в амплитудном модуляторе перемещение совершается до получения

10

15

0

известной функции распределения средней интенсивности в пятнистой стрзтс- туре - функции Эйри. Обоснование выражения для Rnp будет дано |Нг1же помещением на оптическую ось точечного приемника п определением каустики-путем перемещения фотопри- .- емника до нахождения его-положения с минимальными фл астуациями электрического сигнала, порожденного

световым излучениемi контролем совмещения плоскости фокусировки с фокусом по максимуму корреляции интег- сивпости в симметричных точках пятннстой структуры. . .

Определение среднего радиуса кривиз Ы волнового фронтл МОЖНО прог

вести, если измерить расстояние С. от задней главной плоскости фокусирующей оптической системы до плоскости фокусировки перетяжки по

f f формуле ,p 1

, или измерить рас

. стояние f, -между задней фокальной 5 плоскостью приемной cпcтe {ьt и перед- .- ней фокальной плоскостью преобразующей системы R.ni

iii-lLlkl

n о

C-i,.

Знак

определяется там, где расположена : плоскость фокусировки исследуемого излучения. Если до заднего фокуса фокусиру|ощей системы, то знак С, отрицательный, если за задним фокусом, то знак положительный. Эти выражения получаются из изпестиого соотношения геометричсскоГ; оптики формулы и, т.к. указанное соот™ ношение справедливо п рамкгх 7,п зксиального приближения геометрической оптики, возникают естественные ограничения на измеряемый диапазон рар,иу са кривизны волноворо фронта

- 2f,iR,|, .

которое нетрудно получить,.рассматривая схему экспериментальной установки, реализующей метод.

Учет ограничений на диапазон исследуемых радиусов кривизны излучения позволяет записать расстояние R. от приемной оптической системы до плоскости регистрации в зависимости от параметров оптических -систем

г

f. 2{ + 100{ , Выра- жеиие дляК„„получено в рамках геомет пррической оптики и описывает явление

только качественно. Установлено экспе риментально и теоретически, реально существенно меньше, Этот факт отражен в конкретном npi-iMepe реализации и объясняется отклонениями от законов геометрической оптики, Это соотношение позволяет фиксировать плоскость регистрации относительно приемной оптической системы при известньп параметрах схемы, pea- лизугощей cnoco6i Способ реализуется на устройстве, изображенном на чертеже, где имеются исследуемый фазовьй фронт 15 амплитудный модулятор 2, фоку сируЕощая оптическая система 3, фокаль- .ная плоскость 4 приемной оптической ситемы Зл плоскость фокусировки исследуемого излут ения 5, преобразующая оптическая система 6, задняя фокальная плоскость 7, ялоскость регистрации 8, устройство измерения интенсивности 9 и блок 10 обрабатывающей аппаратуры.

Способ может быть реализован следующим образом; исследуемое излучение пропускается через амплитудный модулятор (размеры модулятора 2 см в освещенном объеме находится 30 частиц диаметром мм),. Затег-г приемной фокусирующей системой, представляющей собой линзу диаметром 8 см с фокусным расстоянием «vSO см, излучение фокусируется. Линза

ВНИИПИ Заказ 1090 Тираж Подписное Филиал ПИП Патент, г. Ужгород,, ул. Проектная.. 4

10

152С

25

преобраjyiflineii опт1гческой системы с . фокусньтм расстоянием 2,5 см и диаметром м2 см устанавливается на оптической оси мажду плоскостью фокусировки исследуемого излучения и костью регистрации и.перемешается до совмешения ее переднего фокуса с плоскостью фокусировки, Плоскость регистрацкн устанавливается на расстоянии л/ 2.5 м от фокусирующей систе{4Ы. В плоскости регистрации 8 устанавливаются приемники симтнетрич- но оптической оси. Измеряются интенсивность в пространственной пятнистой структуре рассеянного излучения и дистанция Е между фокальной плоскостью фокусирующей системы и передней фокальной плоскостью преобразующей системы Ь, В блоке 10 определяются дисперсия DI . ( I Д)) -(и корреляция- К1 (й)Ы) (-Д) оптических сигналов в пятнистой структуре рассеянного излучения, по которым вычисляется дисперсия пространственных Ллуктуа- ций фазы из соотношения -i().)fh (Y )-

Из сэотногаения R.,

dp

L.iiik) е.

0

5

определяется радиус кривизны исследу емого излучения.

Способ может быть использован для иделедовакия характеристик лазерного излучения, в частности прошедшего через атмосферу. По из:мерениям характеристик этого излучения можно судить о как в чисто турбулянтной атмосфере, так и в атмосфере,содер жащей частицы примесей или осадкой.

По, сравнений с известиьтми предложенный способ позволяет существеино распгирить перечень измеряемых параметров, например, одновременно измерять радиус кривизны излучения, Qj дисперсию пространственных йшутстуаций фазы, спектр флуктуации фазы, он г озволяет получить информацию о фл уктуацивх амп.литуды. Кроме того, способ позволяет измерять мгновенную пространственкут дисперсию фазы отпосительно волнового фронта со средшм радиусом кривизны.