Способ измерения диаметра лазерного пучка Советский патент 1993 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к области оптико-физических измерений и может быть применено для дистанционного измерения диаметра лазерного пучка, в том числе в сечениях, прямой доступ к которым невозможен.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности дистанцион: нота проведения измерений.

Заявляемый способ основан на том, что при интерференции двух пучков, распространяющихся под небольшим углом между собой, вследствие перераспределения мощности в поперечном сечении создается пространственная модуляция интенсивности, проявляющаяся в виде интерференционных полос. Суммарная мощность интерферирующих пучков зависит от положения системы полос в поперечном сечении, т.е. фазы пространственной модуляции. При изменении разности хода между пучками интерференционные полосы смещаются, что приводит к изменению фазы пространственной модуляции и изменению суммарной мощности в диапазоне от Pmin до Ртах. Величина интерференционных вариаций суммарной МОЩНОСТИ (Ртах - Pmin) ЗЭВИсит от диаметра 2W пучка в измеряемом сечении, где пересекаются оси интерферирующих пучков, и угла между ними. Это позволяет, разделив на расстоянии от измеряемого сечения пучок на два подобных ему пучка и обеспечив пересечение их осей в измеряемом сечении под углом yi2 , дистанционно определить диаметр пучка в измеряемом сечении по результату измерения интерференционных вариаций.

Согласно способу исследуемый пучок разделяют на расстоянии Z от измеряемого сечения на первый и второй пучки с мощностями Pi и Р2, подобные по геометрическим параметрам измеряемому, так, что расстоя- ние между ними а 12 и угол yi2 обеспечивают пересечение осей первого и второго пучков в измеряемом сечении. С учетом правила знаков

ai2/yi2 -Z.(1)

оказывается-связанной с диаметром перетяжки измеряемого пучка 2wo, который может быть рассчитан по формуле (при aiz 0)

2 coo I ai2|V2/ln 4 Vpt р2/( Pmax- pmln )

(6)

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может быть использовано в оптико-физических измерениях для дистанционного измерения диаметра лазерного пучка. Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения.возможности проведения дистанционного измерения диаметра. Для этого на заданном расстоянии Z от сечения измерения разделяют пучок на два подобных пучка, оси которых отстоят друг от друга на расстоянии 312, и направляют пучки в измеряемое сечение. Изменяют фазу пространственной индукции в измеряемом сечении путем изменения разности хода разделенных пучков, определяют максимальное и минимальное значения мощности и по их значениям определяют диаметр пучка. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула (1) учитывает возможность расположения измеряемого сечения как по, так и против направления распространения света относительно сечения, в котором расстояние между пучками составляет ai2. Угол У12 следует выбирать малым, порядка угла расходимости исследуемого пучка, иначе интерференционные вариации будут исче- зающе малы.

Угол пересечения волновых фронтов интерферирующих пучков равен , а величина интерференционных вариаций, регистрируемых при изменении разности хода равна

Pmax-Pmln,4VP1P2 ехр ( -Я2 W2 $2/2 А2 ),

. (2) где Я- длина волны излучения. Из (2) можно получить формулу для расчета диаметра пучка в измеряемом сечении

2 Я

V21n 4VP P2

П. У12 I. . Ртах - Pmin

(3)

Если ввести коэффициент светоделения m Pi/P2, то расчетную формулу (3) можно представить в виде

2w

V

2 In

(

2 VrnTРтах + Pmin

т + 1 Ртах - Pmin

(4)

Физический смысл выражения под знаком логарифма следующий: 2 VnT/(m+1) - контраст интерференционных вариаций двух кол- линеарных ПЛОСКИХ ВОЛН, (Ртах - Pmin)/(Pmax +

-.+ Pmin) контраст наблюдаемой интерференционной картины.

Если угол yi2 устанавливается равным нулю, то величина интерференционных вариаций

max

- Pmin

Р2 ехр(-а212/2й) (5)

являющихся аналогами формул (3) и (4). На фиг, 1, 2 и 3 приведены примеры

15 схем реализации способа.

Для разделения интерферирующих пучков и изменения разности хода между ними может быть использован интерферометр типа Маха-Цендера. Устройство содержит оп20 тически связанные первую и вторую полупрозрачные и первую и вторую зеркальные пластинки, установленные по схеме Маха-Цендера, фотоприемник, а также соединенный с ним регистрирующий при25 бор, причем первая зеркальная пластинка установлена с возможностью смещения в плоскости падения, вторая зеркальная пластинка установлена с возможностью возвратно-поступательного смещения в

30 плоскости падения, а вторая полупрозрачная пластинка установлена с возможностью поворота в плоскости падения.

Работа устройства поясняется схемой (фиг.1), где показаны: 1 - измеряемый лазер35 ный пучок, 2 - плоскость измеряемого сечения, 3 - плоскость сечения наблюдения, 4 - фотоприемник, 5, б - первый и второй интерферирующие пучки, 7 и 9 - первая и вторая полупрозрачные пластинки, 8 и 10 40 первая и вторая зеркальные пластинки. Устройство работает следующим образом. Измеряемый лучок делится пластинкой 7 на первый и второй пучки, обозначенные 5 и 6, которые зеркалами 8 и 10 направляются на

45 пластинку 9 и затем на фотоприемник 4. Сигнал с фотоприемника пропорционален интегралу по поперечному сечению от картины интерференции пучков 5 и 6. Для модуляции разности хода пластинку 10

50 периодически смещают на величину порядка Я /2 в плоскости падения. Смещая зеркало 8 в плоскости падения устанавливают необходимое расстояние ai2 между пучками 5 и 6, а поворотом пластинки 9 - угол .

55 Точка пересечения осей пучков 5 и 6 задает положение измеряемого сечения 2. Если пластинки 8 и 10 идентичны, то диаметр пучка в измеряемом сечении рассчитывается по формуле (4) с коэффициентом светоделения m 1. Установив поворотом

пластинки 9 пучки 5 и 6 параллельными (при 312 ()), диаметр пучка 1 в перетяжке определяется по формуле (7) при m 1.

Клиновидная пластинка также может быть использована для ответвления интерферирующих пучков и создания разности хода. Работа устройства поясняется схемами (фиг. 21 и 3), на которых соответственно показаны его варианты для проходящего и отраженного света. Здесь 11- клиновидная пластинка. Для изменения разности хода между пучками 5 и 6 пластинку 11 смещают, перпендикулярно падающему пучку. Для пластинок с малым углом клина ©угол между пучками 5 и 6 слабо зависит от угла падения а, т.е. jywl 2©Vn2+(n2-1)tg2a 2 ©п. Расстояние Z между плоскостями наблюдения и измерения регулируется углом падения по формуле

IZI

h sin a cos a

0nVnzsln2a

где п - коэффициент преломления материала пластины, h -толщина пластинки в месте падения.

При п 2 в формуле (4) можно положить m 2г, (где г - френелевский коэффициент отражения) в случае работы в проходящем свете (фиг.2) и m 1 - в отраженном свете (фиг.З).

Устройство с клиновидной пластинкой, реализующие заявляемый способ, является более простым чем устройство на основе интерферометра Маха-Цендера, но обладает более ограниченными возможностями, что связано с квазипостоянством yi2 . В ча|-i

i

-z

8

стности, измерение диаметра пучка в перетяжке вс ..можно только путем замены пластинки на плоскопараллельную.

Изобретение может быть использовано 5 для дистанционного измерения диаметра лазерного пучка, в том числе в сечениях, доступ к которым невозможен физически, например, расположенным в резонаторе лазера, или затруднен по габаритным услови- 10 ям.

Формулаизобретения

15 интенсивности пучка, измеряют фазу пространственной модуляции, определяют максимальное и минимальное значение мощности и по их значениям рассчитывают диаметр пучка, отличающийся тем, что,

20 с целью расширения эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности проведения дистанционного измерения диаметра, при осуществлении пространственной модуляции разделяют пучок на рас25 стоянии Z от измеряемого сечения на два подобных пучка, оси которых отстоят друг от друга на расстоянии ai2# направляют пучки под углом 712 , выбираемым из условия пересечения пучков в измеряемом сечении, а

30 изменение разности фаз осуществляют изменением разности хода разделенных пучков.

тем, что, с целью измерения диаметра пере35 тяжки пучка, расстояние ai2 между осями

пучков выбирают отличными от нуля, а угол

У12 равным нулю.

Vi 3{ . n

Фиг. 2.

Фиг. З.