Измеритель флуктуаций диаметра лазерного пучка Советский патент 1979 года по МПК H01S3/00 

Изобретение относился к квантрвой электронике, в частности к устройствам для измерения и контроля парамет ров излучения ОКГ непрерывного действия и может быть использовано в тех областях техники и исследований, где необходимы точные автоматические измерения и контроль флуктуации диаметра лазерного луча света с гауссовским распределением интенсивности по сечению. Известно устройство, предназначенное для измерения диаметра лазерного луча, которое позволяет получать, кроме того, информацию об изменениях диаметра пучка света излучаемого ОКГ I. Однако быстродействи,е такого устройства невелико. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой ство, которое позволяет измерять и регистрировать величину флуктуации диаметра лазерного пучка и его угловую расходимость, содержащее систему Измерения расстояния между двумя точ ками 2 . Такое устройство содержит ослабитель, телескопическую систему, линзу в фокальной плоскости которой помещен экран передающей телевизионной трубки. Размер пятна на экране трубки пропорционален угловой расходимости излучения. Телескопическая система предназначена при этом для увеличения точности измерений. Передающая трубка работает в режиме линейной развертки. В результате на выходе трубки получается электрический имnyj bc, форма и длительность оторого линейно связаны с формой и распределением интенсивности излучения в фокальной плоскости линзы. Далее электрический импульс поступает на систему измерения длительности импульса по заданному уровню амплитуды (систему измерения расстояния между двумя точками) и на цифровой регистратор. Длительность импульса линейно связана с размерами пятна (угловой расходимостью) излучения ОКГ. Высокое быстродействие устройства позволяет следить за быстрыми изменениями размера пятна (угловой расходимости) лазерного излучения. Однако такое устройство имеет дискретность-характера измерений, период которых обусловлен частотой развертки передающей телевизионной трубки, а также малую точность измерений, обусловленную конструкцией передающей те3левизионной трубки. Например, для передающей телевизионной трубки типа диссектор размер отверстия диафраТмы (щели) составляет 0,1-0,05 мм, что, в свою очередь, накладывает ограничения на величину измеряемых флуктуации диаметра лазерного луча. Кроме того, устройство имеет сложную конструкцию, связанную с необходимостью использования телевизионной аппаратуры Цель изобретения обеспечение во можности непрерывных измерений, повышение .точности и упрощение констру ции измерителя флуктуации диаметра лазерного пучка. Для. этого предлагаемый измеритель снабжен устройством для пространственного дифференцирования электромаг нитного поля по поперечной координате, состоящим из двулучепреломляющего кристалла и поляроида, орнентированного под углом 45 к плоскости поляризации обыкновенного луча. На фиг,.1 представлена блок-схема измерителя флуктуации диаметра-лазер ного пучка; на фиг, 2 а - распределе ние полей, соответствующих обыкновен ному и необыкновенному лучам; на фиг, 2 б - пример сложения векторов для различных значений координаты х. Предлагаемый измеритель содержит лазер 1 непрерывного действия, работающий в режиме ТЕМ колебаний. поляроид 2, двулучепреломляющий крис талл 3, поляроид 4, модулятор 5 интенсивности светового.потока, светоделительную пирамиду б, позиционночувствительные продольные элементы 7 и 8, синхронные детекторы 9 и 10, генератор-11 переменного напряжения, сумматор 12, индикатор 13. При этом поляроид 2, кристалл 3 и поляроид 4 образуют устройство, распределение интенсивности на выходе которого про порционально квадрату .производной от распределения поля по поперечной координате, а остальные элементы (5-13 образуют систему, предназначенную для определения расстояния между центрами двух световых пятен. Излучение ОКГ проходит поляроид 2 и поступает на двулучепреломляющий кристалл 3, ось которого непараллель на направлению лазерного луча. Толщи на .кристалла 3 выбрана таким образом чтобы разность фаз между обыкновен, ным и необыкновенным лучом была бы1 кратна четному числу Л, а расстояние на которое разнесены обыкновенный и необыкновенный лучи, много меньше раз меров пятна излучения лазера (оптичес кую длину путем указанных лучей можно изменять с помощью ориентации кристалла). Поляроид 2 служит для выравнивания интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей. Поляроид 4 ориентируется под углом плоскости поляризации обыкновенного или необыкновенного луча. Можно пока7зать, что распределение интенсивности на выходе поляроида 4 пропорционально квадрату производной от распределения поля по поперечной координате, а расстояние между максимумами интенсивности - размеру пятна излучения ОКГо Затем лазерное излучение, промодулированное по интенсивности с помощью модулятора 5, поступает на светоделительную пирамиду 6, которая направляет световые пятна, соответствующие максимумам в распределении интенсивности, соответственно на два позиционно-чувствительных элемента 7 и 8, дискриминаторные характеристики которых имеют равные по величине, но противоположные по знаку углы наклона, С выхода позиционно-чувствительных элементов 7 и 8 электрические сигналы поступают на два синхронных детектора 9 и 10, на которые с генератора 11 переменного напряжения поступают опорные сигналь:. Генератор 11 осуществляет питание модулятора 5, Сигналы с выхода синхронных детекторов зависят от положения на поверхнести позиционно-чувствительных элементов 7 и 8 максимумов интенсивности света, а сумма сигналов пропорциональна диаметру лазерного луча.Затем с выхода синхронных детекторов 9 и 10 сигналы поступают на 12 и на индикатор 13, показания которого линейно связаны с величиной диаметра лазерного луча и ее флуктуациями. Распределение интенсивности на выходе поляроида 4 может быть описано аналитически. Если кристалл 3 представляет плоско-параллельную пластину, вырезанную из кристалла, обладающего двойным лучепрело1Углением, то на выходе этой пластинки имеют место два пространственно-разнесенных луча с взимно ортогональной поляризацией поля - обыкновенный и необыкновенный лучи. Величина пространственного расщепления обыкновенного и необыкновенного лучей на много меньшая диаметра лазерного луча может быть обеспечена выбором толщины двулучепреломляющей пластины. Если разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами крат.на целому числу fr , что обеспечивартся выбором толщины или ориентацией кристалла поотношению к направлению излучения ОКГ, то результирующее поле на выходе кристалла может быть найдено как результат векторного сложения полей, соответствуюидах обыкновенному и необыкновенному лучам в некотарЪй плоскости Ъез учета влияния фазовых членов. . На фиг. 2 а представлено распределение полей, соответствующих обыкновенному и необыкновенному лучам, интенсивности которых при этом равны.

Выравнивания интенснвностей можно добиться ориентацией поляроида 2.

Если f (х) - функция, описывающая закон распределения поля обыкновенного и необыкновенного лучей по поперечной координате х, то для напряженности поля обыкновенн ого луча Е„ и необыкновенного луча Е можно записать выражения

5 f (X), Е„д 2 f ( +

где д X - расстояние, на которое разнесены в пространстве обыкновенный и необыкновенный лучи;

I-4Ш

Е; (i 1,2) - единичные векторы направление которых совпадает с направлением поляризации обыкновенного и необыкнове1нного луча соот ветственно, причем ортогонален t.

На фиг. 2 б представлен пример сложения векторов- Е и для различных значений координаты х. Штрихпунктирная линия соответствует положению плоскости пропускания поляроида 4 и составляет угол 45 с направлением поляризации обыкновенного луча.

Для нахождения напряженности поля Е на выходе поляроида 4 необходимо спроектировать результат сложения веторов Е„ и jj на штрих-пунктирную прямую

Е ()-(х) .

Приращение функции f(х) можно заменить (в случае, если мало) произведением ее производной на приращение аргумента

... df Е. -5-:7-Дх . d 2 dx

Соответственно интенсивность света на выходе поляроида 4

i (di 2

3,ЛГЖ..2 -d-2l-d7)

Известно, что пространственное распределение поля излучения ОКГ, работающего в режиме ТЕМ,, колебаний, может быть описано функцией Гаусса.

Таким образом, можно считать, что

v5

X ZJ2

(х) е

где со - размер пятна излучения лазера.

Следовательно

ю

Соответственно интенсивность света на выходе поляроида 4

2х

2 2хГТ5.

дх

d и)

Расстояние i между максимумами интенсивности Ц пропорционально размеру пятна излучения лазера

EVI- oj

Испытания экспериментального макета измерителя флуктуации диаметра лазерного луча показывают, что минимально измеряемые смещения световых пятен, получаемых после поляроида 4, при мощности излучения Не - Ne.лазера 0,5 мВт составляют величину порядка 5 мкм, что позволяет измерять относительные флуктуации диаметра лазерного луча порядка 0,5%.

Формула изобретения

Измеритель флуктуации диаметра лазерного пучка, имеющего гауссово распределение интенсивности, содержащий систему измерения расстояния между двумя точками, отличающийс я тем, что, с целью обеспечения возможности непрерывных измерений, повышения точности и упрощения конструкции, он снабжен устройством для пространственного дифференцирования электромагнитного поля по поперечной координате, состоящим из двулучепреломляющего кристалла и поляроида, ориентированного под углом 45 к плоскости поляризации обыкновенного луча.

Источники информации, принятые во

внимание при экспертизе

. J. of Physics К. Sci tlnfetrum., 1972, 5, 3, p. 237-238.

2. Авторское свидетельство СССР № 376851, кл. Н 01 S 3/00, 1971.