Дисперсионный интерферометр Советский патент 1992 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к устройствам для измерения дисперсионной части показателя преломления фазового объекта и может быть использовано в оптической промышленности и для диагностики плазмы.

Известны интерферометры для диагностики плазмы, работающие одновременно на двух и более длинах волн 1

Известны также интерферометры 4, обладающие рядом существенных преимуществ:во-первых, в них непосредственно измеряется дисперсионный вклад в показатель преломления (в плазме он определяется электронами), а не вычисляется как разность двух больших величин; во-вторых, они обладают меньшей чувствительностью к паразитным вибрациям оптических элементов. Такие интерферометры называют дисперсионными.

В качестве прототипа выбран дисперсионный интерферометр 2, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник

излучения с частотой (У, два нелинейных оптических удвоителя частоты на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, светофильтр и регистрирующее устройство.

Возможен вариант выполнения интерферометра, согласно которому после первого нелинейного элемента, на расстоянии, обеспечивающем размещение исследуемого объекта, перпендикулярно оптической оси расположено плоское зеркало.

Схема устройства включает в себя источник излучения с частотой ш, первый нелинейный элемент, после которого размещены исследуемый объект, второй нелинейный элемент, светофильтр и регистрирующее устройство.

Во втором варианте за исследуемым объектом по ходу луча установлено зеркало, полупрозрачное зеркало, светофильтр и регистрирующее устройство.

Регистрирующее устройство в 2 представляет собой объектив и регистрирующий

t/

С

VI VI ел о ю го

материал. Возможна фотоэлектрическая регистрация как в 3, 5, где объектип и регистрирующий материал заменяется фотоприемником.

Работа устройства по первому варианту осуществляется следующим образом, При освещении интерферометра лазерным излучением с частотой ftXj часть этого излучения преобразуется в излучение гармоники с частотой (У2 1щ в первом нелинейном элементе. Таким образом, исследуемый обьект просвечивается двумя длинами волн AI и А2 с частотами щ и У2 При прохождении через второй нелинейный элемент частота Uf частично преобразуется в длину волн Л/ с частотой . Светофильтр обрезает излучение основной частоты. Следуя описанию, приведенному в 2, на выходе интерферометра остаются две длины волны -А2 и Аг излучения гармоники, одна из которых { Аа) преобразована из wi до прохождения через объект, а вторая ( Аг ) после прохождения через него. Картина интерференции этих двух волн регистрируется в плоскости изображения объекта, образованного объективом.

Согласно второму варианту излучение с частотой wi, освещающее интерферометр, частично преобразуется в излучение с частотой иц-1(й при первом прохождении через удвоитель частоты. Объект просвечивается двумя волнами AI иА2 с частотами и й2, однако, каждая из этих волн в результате отражения от зеркала второй раз проходит через исследуемый объект и удвоитель частоты, при вторичном прохождении через удвоитель частоты волна AI с частотой од преобразуется в волну Аг с частотой 0)2. После отражения от полупрозрачного зеркала излучение основной частоты срезается фильтром. Следуя описанию, приведенному в 2, в плоскости изображения объекта, образованного объективом, регистрируется картина интерференции волн А2 и Аг . Как известно, зависимость общей интенсивности интерферирующих волн от их разности фаз ty 2 р имеет вид

I И + 2 +2 VHI2COSV,

где И, 2 - интенсивности и 1ф (ал) , (pi (2 GM) - фазы волн, В работе устройства по первому и по второму варианту для определения абсолютных значений измеряемых величин используется следующий из (1) факт, что расстояние между максимумами интерференционной картины соответствует 2 л.

При фотоэлектрической регистрации 3, 4 используется тот же факт, либо то, что (сМ/с1у5)тэх/)1тах - 1тт) 1.

Недостатком устройства является низ5 кая точность, обусловленная неоднозначностью интерпретации результатов регистрации. Действительно , согласно численному решению системы уравнений для генерации второй гармоники с произ10 РОЛЬНЫМИ начальными условиями 5, 6(ана- литическое решение в некоторых предельных случаях приведено в приложении), период функции l2i( ) зависит от интенсивности основного излучения, длин

15 кристаллов и может быть 2 я, л. Нормированная максимальная производная также может быть гораздо больше 1. Ошибочность описания работы устройства в том, что преобразование во вторую гармонику системой

20 из двух произвольно взятых и произвольно ориентированных кристаллов нельзя рассматривать как интерференцию двух волн, рожденных независимо в каждом из кристаллов. Это связано с изменением диспер25 сионной разности фаз 1р pz в процессе преобразования. Изменения становятся существенными, когда длина второго кристалла l W (обозначения в приложении). Таким образом, устройство,

30 описанное в прототипе, является нелинейным дисперсионным интерферометром.

В отличие от других нелинейных интерферометров не имеет собственную нелинейность даже при линейной исследуемой

35 среде, поскольку нелинейным является интерференционный элемент (второй кристалл),

Целью предложенного изобретения является повышение точности дисперсионно40 го интерферометра.

Поставленная цель достигается тем, что в известный дисперсионный интерферометр, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник излучения с часто45 той (о, два нелинейных оптических удвоителя частоты на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, светофильтр и регистрирующее устройство дополнительно введены

50 поляризационный светоделитель, установленный по ходу излучения за светофильтром, и второе регистрирующее устройство, при этом оба регистрирующих устройства оптически связаны с выходами светоделите55 ля, удвоители частоты и поляризационный светоделитель ориентированы так, что

l2 Iz ш - а углы между с ш 1г2ш - а также

уи линейной поляризации излучения источника составляет 45° соответственno, где (i) единичный вектор поляризации

излучения источника, Ш и Ш единичные векторы поляризации второй гармоники, генерируемой первым и вторым удвоителями частоты соответственно, 1с единичный вектор поляризации излучения, прошедшего светоделитель. При этом в первом нелинейном элементе преобразуется не более поло- вины интенсивности зондирующего излучения. Отметим, что под оптическим удвоителем частоты понимается элемент, изготовленный и съюстировэнный так, чтобы оптимальным образом генерировать вторую гармонику зондирующего излучения, проходящего через удвоитель в направлении синхронизма без заметного смещения и изменения поляризации. Способы их изготовления известны 5.

Совокупность существенных признаков, изложенных в отличительной части формулы, является новой и обеспечивает положительный эффект, состоящий в повышении точности измерений вследствие устранения неопределенности регистрации.

Действительно, задание взаимно ортогональной ориентации нелинейных элементов и введение линейного интерференционного элемента в виде поляризационного светоделителя позволяет получать интерференционную картину, для которой зависимость интенсивности второй гармоники от дисперсионной разности фаз вида

I И + 2 +2 Vlil2CosV ,(I)

не меняется при любых мощностях зондирующего излучения и длинах нелинейных элементов. Это происходит благодаря тому, что удвоение частоты во втором нелинейном элементе не зависит от второй гармоники генерируемой первым нелинейным элементом.

Предлагаемое устройство изображено на фиг, 1а. На фиг, 16 схематично обозначена ориентация элементов и направление поляризации излучения (вид по ходу луча).

Схема дисперсионного интерферометра включает в себя первый нелинейный эле- мент 1, после которого установлен оптический клин 2, исследуемый объект 3, второй нелинейный элемент 4, светофильтр 5, поляризационный светоделитель 6, объективы 7, 9 и регистрирующий материал 8, 10, На схеме ориентации элементов указаны Р f, PS направления поляризаций быстрой и медленной волн в нелинейном элементе (показатели преломления нели0

нейных элементов для этих волн удовлетворяют условию rif ns);

. , ОАШ , ,

lu), Id; , 1С ,lcjj- единичные векторы поляризаций зондирующего излучения, второй гармоники, генерируемой первым и вторым нелинейным элементом излучения пропускаемого поляризационным светоделителем и ортогональный ему.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При освещении интерферометра лазерным излучением с частотой а) и поляризацией 1, составляющей угол 45° с Pf часть этого излучения преобразует- ся в излучение гармоники с частотой 2(ом ректором поляризации b HP.1 г черт-м нелинейном элементе. Таким образом, по следуемый объект и оптический „/шн просвечиваются двумя волнами с частотами о и

„ 2 (t). При прохождении через второй нелм нейный элемент, ориентированный ортогонально первому, то есть Pf1 L Pf . зондирующее излучение вновь преобразуется в волну гармоники с частотой 2 (

t- поляризацией т L. Процесс преобразования не зависит от гармоники, генерируемой первым нелинейным элементом, т.к.

ti о

l2ujJ,Pf Светофильтр 5 обрезает излучение основной частоты. Остаются две волны часд тоты 2 й, ортогонально поляризованные, одна из которых преобразована до прохождения через объект, а другая - после. Каждая из волн раскладывается поляризационным светоделителем в прямом и пер5 пендикулярном направлениях по поляризациям, параллельным 1си Icj, составляющим угол 45° с bij и I2Q . В каждом из направлений регистрируется картина интерференции этих двух аолн в ортогональных поляризациях в плоскостях изображения объекта 8, 10, образованных объективами 7, 9. Для калибровки используется оптический клин. Вектор поляризации зондирующего излучения I со не должен совс падать с Pf и Ps . Так как максимальный контраст интерференционной картины достигается при равных интенсивностях интерферирующих волн, то оптимальный угол

между ton Ijil (|Ш совпадает с Р/) 45°.

0 Если преобразование во вторую гармонику I I типа, то угол в 45° оптимален для эффективного преобразования.

Из приведенного описания ясно, что преобразование зондирующего излучения

5 во вторую гармонику происходит в ортогональных поляризациях, а потому независимо в обоих нелинейных элементах. В этом случае период интерференционной картины всегда 2 я, а отнормированная максимпль0

ная производная I (V)/Omax - Imin) всегда 1 независимо от длины и нелинейной восприимчивости элементов И плотности мощности зондирующего излучения.

Необходимо дополнительно отметить технико-экономические преимущества данного устройства перед прототипом. Из описания следует, что регистрируются две интерференционные картины во взаимно ортогональных поляризациях и смещены по фазе друг относительно друга на л, то есть Јс (V) lЈcj.(V 4- я). При фотоэлектрической регистрации это обстоятельство позволяет без затрат компенсировать нестабильность мощности зондирующего излучения, используя разностный сигнал между прямым и перпендикулярным каналом. Это обеспечивает высокую чувствительность измерений - лучше полосы.

10 интерференционной

Таким образом, рассматриваемый дисперсионный интерферометр лишен неопределен ности интерпретации результатов регистрации и позволяет обеспечить высокую точность абсолютных и относительных измерений.

Формула изобретения Дисперсионный интерферометр, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник излучения с частотой СУ . два

нелинейных оптических удвоителя частоты на расстоянии, обеспечивающем размещение { между ними исследуемого объекта, светофильтр и первое регистрирующее устройство, отличающийся тем, что, с

целью повышения точности измерений, в него введены поляризационный светоделитель, установленный по ходу излучения за светофильтром, и второе регистрирующее устройство, при этом оба регистрирующих

устройства оптически связаны с выходами светоделителя, удвоители частоты и поляризационный светоделитель ориентированы

так, что |ЈЩ.1Й, а углы между 1С и 1(2)2«л а также 1ц) и ) при линейной поляризации излучения источника составляют 45° соответственно, где lujr единичный вектор поляризации излучения источника; ы и ) - единичные векторы поляризации второй гармоники, генерируемой первым и вторым удвоителями частоты соответственно: 1с - единичный вектор поляризации излучения, прошедшего светоделитель.

Использование: в технике интерферо- метрических измерений для диагностики плазмы и в оптической промышленности Сущность: в дисперсионный интерферометр, содержащий два нелинейных оптических удвоителя частоты, расположенных на одной оптической оси на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, дополнительно по ходу луча вводится светоделитель и задается взаимная ориентация элементов, обеспечивающая независимую генерацию волн второй гармоники в каждом из удвоителей частоты и последующую интерференцию этих волн в ортогональных поляризациях. 2 ил.

«

/

#

CO

/У

0/ c&/0 f//ae V3jy /e#t/e,&/}

ee/stysy&v&ff &Ј/7 yo6//

MG.4Ј/&eЈ/S/6/Af .

/u ccf

Фиг. 2