Способ определения контраста интерференционного поля Советский патент 1991 года по МПК G01N21/45 G01J9/02 G03H1/00 

Изобретение относится к оптическим измерениям и может быть использовано для определения степени когерентности излучения различных лазерных источников света, а также для определения контраста интерферен- ционно-голографических структур в схемах для регистрации голограмм.

Цель изобретения - упрощение и расширение спектральной области применения способа

На фиг.1 схематически представлена зависимость коэффициентов пропускания Т; на фиг.2 - отражения R от плотности энергии I для материала, скачкообразно изменяющего эти характеристики под действием излучения (порогового материала); на фиг.З - распределение плотности энергии в интерференционном поле; на фиг.4 - рас пределепне пропускания порогового материала, на котором зарегистрирована интерференционная картина;на фиг.З - схема экспериментальной установки для конкретной реализации способа, где 1 - СО -лазер, 2 - светоделитель ная германиевая пластина, 3 - плоское зеркало, 4 и 5 - вогнутые зеркала, 7 - светочувствительный материал, 7 - He-Ne-лазер, 8 - линза, 9 - фотодиод, 10 - гальванометр; на фиг.6 и 7 - микрофотографии фрагмен- та интерференционной картины, зарегистрированной на полупрозрачной алюминированной стеклянной пластине, при различных значениях плотности энергии.

Как видно из фиг.1 и 2 при 1 1„ор |Т Т0 и R R0, а при I 1пок Г |Т - Т0 н R R,.Г

Таким материалом являются, например, тонкие металлические слои, нанесенные на стеклянную подложку. При .их облучении.световым пучком с плот- ностью энергии, превышающей 1пор, происходит испарение металлического слоя, приводящее к скачкообразному изменению коэффициентов пропускания и отражения.

Светочувствительный материал, об- ладающий пороговыми свойствами, подвергают воздействию исследуемого интерференционного поля, распределение интенсивности в котором описывается выражением

I - I (1 4- р cos 2fr-g-) (1)

где d - период интерференционной

картины; х - координата.

5

Величина 1С представляет собой усредненную по площади плотность энергии в интерференционном поле.

Соответствующее распределение плотности энергии показано на фиг.Ч, где

We- ГСр 1 + Р « 1Мии Ч-РЬ В тех участках ннтерференцнон ной картины,где 1 I „„. для данного материала, происходит скачкообразное изменение его пропускания или отражения. Распределение пропускания в за-j регистрированной интерференционной

картине имеет вид, представленный на фиг.4.

Очевидно, что I „„- при значег

j. О

ниях х i-y, т.е.

./V а

пор 1вр 1 + Pcos7-2-).

(2)

Далее записанную на пороговом материале интерференционную картину освещают пучком света, диаметр сечения которого много больше периода интерференционной картины, и определяют усредненный по ее площади коэффициент пропускания Т (или отражения R), равный отношению интенсивности прошедшего (или отраженного) пучка к интенсивности падающего пучка. Нетрудно показать, что усредненные значения Т и R связаны с шириной светлых и темных полос соотношениями

т - TO d - -|-) 4 т,-|-; (3)

R R0 (1 - -f- 4 R|-J-. (4) Находя из выражений (3) и (4) значения --т- и подставляя его в выражение (2), получают

Ьор р 1 coef |-E-k.(

н

i«ro| icp 1 + p cos/ Ц-Е-ЦЧ 6

Найдя Р из формул (5) и (6), получают расчетные формулы для определения контраста

. .

f йГ 5 /

COS

т - т х 1е

(7)

I.ctop /Icp - 1

I I I iWp мЬи

( /R - R а ч

cos и (Ј)

к t - KO

(8)

Соотношения 7 и 8, дающие простую и однозначную связь между контрастом интерференционного поля и пропусканием (или отражением) зарегистрированной интерференционной картины,выполня ются именно для случая регистрации на материале, скачкообразно изменяющем оптические характеристики поч действием излучения. Как нанесIH , в случае работы на линейном у члстки характеристической кривой с.веточунгтни- тепьного материала усредненного по площади интерференционной картины пропускание Т пропорционально величине IСр и совсем не зависит от контраста интерференционного поля.

Для расчета контраста по формулам 7 п 8, кроме измеренного значения Т (или R), соответствующего определенному значению 1Ср, необходимо также знать Та, Т (или R o, R,) и I П0р , если они неизвестны из литературных данных, то они легко могут быть измерены, В частности, величины Т и Т, (R и RJ) находят путем непосредственного измерения коэффициента пропускания (или отражения) материала до его облучения (Т0 и RQ) и после облучения однородным полем при плотности энергии большей I п0Р (Т и RJ-) Что касается величины Ipop, то для ее измерения можно, например, подвергнуть материал интерференционной засветке при значениях плотности энергии IСр . как больших, так и мень Т-

Из совокупности зарегистрированных интерференционных картин выделяют ту, на которой ширина светлых и темных полос одинаковая, т.е. а

dТ ft + Т

При этом Т --г-- (или

I... т,.о;- .партии Т f p тм-педуемого инт Ь - пенци чН г м псчм , измерить усредненный пп площади литерферограм- мы коэффициент пропугкчния (или пт- рпжсння н рассчитать исьомып контраст по формулам 7 и 8.

В известном способа измеряются ло- кальнпе характеристики интерференцниннон картины, что существенно ограничивает его применение в случае интерференционных полей высокой прост панственной частоты. В предлагаема способе измеряют усредненные по

5 большой площади характеристики интерференционной картины и плотности энергии поля, что приводит к существенному упрощению как методики измерений, так и используемой аппаратуры.

Лногие материалы, такие, как ме- тиллизированные слои, скачкообразно мчменяют свое пропускание (отражение) вследствие нагрева падающим излучением. Такие материалы практически

5 неселективны и могут работать в широким спектральном диапазоне от ультрафиолетовой до далевой инфракрасной областей спектра. В этом случае ,;:.ос игается еще и существенное расши0 рент; спектрального диапазона его применимости.

Предлагаемый способ применялся для измерения контраста интерференци- онно-голографических структур при исследовании процесса записи голо5

граггм в ПК-диапазоне.

Изобретение откосится к оптическим измерениям и может быть использовано для определения степени когерентности излучения различных лазерных источников света, а также для определения контраста интерфе- ренционно-голографических структур в схемах для регистрации голограмм. Цель - упрощение и расширение спектральной области применения способа. Способ состоит в регистрации интерференционной картины на светочув- ствительном материале. В качестве светочувствительного материала используют материал, обладающий скачкообразным изменением пропускания или отражения под действием излучения. Измеряют усредненную по площади плотность энергии Ic« исследуемого интерференционного поля, освещают зарегистрированную интерференционную картину и определяют величину усредненного по площади коэффициента пропускания Т или отражения R, а искомый контраст, находят из зависимостей Р (Inop/ cp O/cos/iT(T- -Т,,)/ - Т0) или Р (1„ор/1ср - 1)/cosff(R - R0)(R, - R0), где I pop - плотность энергии излучения, при которой происходит скачкообразное изменение коэффициента пропускания от То до Т, или коэффициента отражения от R0 до R, TO - исходный коэффициент пропускания, Т, - конечный коэффициент пропускания, RO - исходный коэффициент отражения , R - конечный коэффициент отражения. 7 ил. с е (Л О5 сл 00

R

R o+ R

--). Плотность энергии, при

которой зарегистрирована эта картина, соответствует I пор . то следует из формул 5 и 6, в которых при указанных соотношениях для Т, То и Tj (или R, R0 и RJ) будет выполняться равенство I П0р 1Ср независимо от значения контраста. Величины Т., Т (или R0 и RJ ) и I.pop являются характеристиками данного порогового материала и повторного их измерения при каждом акте определения контраста интерференционного поля не требуется. Таким образом, для измерения контраста интерференционного пол необходимо зарегистрировать интерференционную картину на материале, обладающем скачкообразным изменением коэффициента пропускания или отражения, измерить усредненную по площади

Пример. В качестве порогово- го материала используют полупрозрачнос алюминированное зеркало с исходными коэффициентами пропускания Т0 50% и отражения RO 45%. Оптическая схема показана на фиг.5. Источником света для создания ннтерференционно-голографических структур является импульсный СО -лазер 1, излучение которого на длине волны 10,6 мкм с помощью германиевой пластины 2 делится на два пучка. Плоскнм зеркалом 3 и вогнутыми зеркалами 4 и 5 модовая структура пучков совмещается в плоскости регистрации голограммы. Для определения контраста интерференционно-голографической

структуры в ту же плоскость помещают светочувствительный материал 6 - полупрозрачное алюминированное зеркало, на поверхности которого регистрируют интерференционно-голографи716

ческую структуру. Ее частота 12 лин/мм.

Для пределенин порогового значения плотности энергии 1пор материал подвергают последовательно интерференционной засветке восемью лазерными импульсами с плотностью энергии 1С« , в диапазоне 0,1-0,8 Дж/ /см . Измерение I ср осуществляется с помощью измерителя энергии и мощности лазерного излучения ИМО-2Н. Из совокупности зарегистрированных интерференционных картин выделяют ту, у которой ширина светлых и тем- ных полос одинаковая. Плотность энергии, при которой зарегистрирована эта картина, и является пороговой и в этом случае составляет 0,2 Дж/см При данном значении I Ср I ло « 0,2 Дж/см происходит скачкообразное изменение коэффициента пропускания от Т0 - 50% до Т { - 95% и коэффициента отражения от Re ™ 45% и R - 4%.

. В качестве примера на фиг.6 и 7 представлены фотографии микроструктуры интерференционной картины, зарегистрированной на данном материале при значениях плотности энергии 1ср I пор ™ 0,2 Дж/см (см. фиг.6) и 1Ср - 0,36 Дж/см2 (см.фиг.7).

После регистрации одна из интерференционных картин -освещается пучком Не-Не-лазера 7. Например, вы- бирают картину, зарегистрированную при Ice a 0,36 Дж/см . С помощью линзы 8 все дифрагированные на интерференционной картине пучки направляются на фотодиод К-19 9, фото- ток которого измеряется гальванометром 10. Определяется усредненный по площади коэффициент пропускания Т, для чего измеряется интенсивность падающего и прошедшего через интер- ференционную картину лазерного пучка. Для определения усредненного по площади коэффициента отражения Р интерференционная картина освещается пучком Не-Не-лазера со стороны от- ражающего слоя и измеряется интенсивность падающего и отраженного излучений.

Для интерферограммы, показанной на фиг.7, коэффициент пропускания Т 83%, а коэффициент отражения R

15Z. Подставив значения Т - 83%, Ј Т0 - 50%, Т - 957, и Inop-° 2 в формулу 7, получают для контраста

8

величину Р 0,7. Подставив значения R 15%, R0 - 50%, R, 4% Inep 0,2 Дп/смг в формулу 8, получают для контраста ту же величину Р - 0,7.

Таким образом, с помощью предлагаемого способа определен контраст интерференционного поля в ИК-области спектра, при этом существенно упрощена как процедура измерения контраста, так и применяемая аппаратура.

Предлагаемый способ может быть использован для определения степени когерентности лазерного излучения,в когерентной оптике и голографии. Формула изобретения

Способ определения контраста интерференционного поля, заключающийся в регистрации интерференционного поля на светочувствительном материале, измерении плотности энергии излучения, отличающийся тем,- что, с целью упрощения и расширения спектральной области применения способа, в качестве светочувствительного материала используют материал, обладающий скачкообразным изменением пропускания или отражения под действием излучения, измеряют усредненную по площади плотность энергии 1м исследуемого интерференционного поля, освещают зарегистрированную .интерференционную картину и определяют величину усредненного по площади коэффициента пропускания Т или отражения R, а искомый контраст находят из зависимостей

ifilL - t р „ lie.

costf ) АО

«

или

где I

лор

, - RO

плотность энергии излучения, при которой происходит скачкообразное изменение коэффициента пропускания от Ть до Tj или коэффициента отражения от RO до R(; коэффициент пропускания до облучения материала однородным полем при плотности энергии большей I,0pj

- коэффициент пропускания после облучения;

- коэффициент отражения до облучения материала однородным полем при

3flop

плотности энергии, большей 1пор;

коэффициент отражения после облучения.

Фиг.2

Фиг Л

Фиг.5

О df 02 0,3 О 0,5 0,6(мп) Фиг. 6

9 Ю

а

.7