Способ измерения угловой расходимости лазерного излучения Советский патент 1993 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к способам измерения и контроля параметров лазерного излучения.

Один из известных способом измере- 5

ния расходимости лазера заключается в том, что ответвители, установленные в двух сечениях, проектируют изображение диаметров пучков на два экрана соответственно. В каждом экране вдоль диаметра на 0 одинаковом расстоянии от друга расположены точечные приемники излучения. Тогда диаметр пучка в каждом сечении преобразуется в число импульсов с выходов точечных приемников излучения, амплитуда 15 которых превышает заданный уровень измерения. Из р азности числа импульсов, зарегистрированных экрзнамйу можно рахусодиМость йзлуч1вНия. .

Недостатками такого метода является 20 трудность выполнения условия измерения в дальней зоне, а наличие большого числа фотоприемников, что требует Их относительной градуировки.

Наиболее близким техническим реше- 2В нием к Предлагаемому изобретению является способ измерения углОвой расходимости лазерного излучения, основанный на пространственном разделении исследуемого излучения на опорный и предметный потоки 30 и их регистрации.

Цель изобретения - расширение диапазона длин волн исследуемого излучения и повышение точности измерения.35

Поставленная цель достигается благодаря тому, что преобразуют опорный поток в излучение с плоским фронтом волн. Изменяют направление опорного потока по отно- Р шению К оси предметного М производят посл овательное фотосмешение предмет , ного потока с опорным для каждого его направления.

Сущность Способа заключается в том; 5 что измеряемый поток разделяют на предметный и опорный. Предметный пучок, расходимость которого хотят измерить с . помощью соответствующих оптических элементов направляют на фотоприемник, пло- 50 щадь которого больше плОщади сечений пучка, а чувствительность по Поверхности постоянна. Опорный пучок с помощью телескопической системы преобразуют в плоскую волну, а затем направляют на систему 55 качания луча, которая изменяет направление плоской волны на угол заведомо больший угла расходимости. Затем направляют опорный пучок на фотоприемник.

Комплексная амплитуда поля в точке с

координатой г н поверхности фотоприемника равна

; -

E{r)Ei((r,f),

- . . . , , :. -

где Ei(r) - поле предметного пучка в точке г, (для простоты рассмотрим сначала стацио ч : . .:.-, нарный случай), E2(r,t) поле опорного пучка в той же точке. Поле опорного пучка-функция времени, так как волновой вектор его изменяется пО углу вследствие его качания. Фототок l(t) на выходе фотоприемника пропорциОнален потоку излучения i(t}, падающего на всю приемную площадку S

l(t) «1(0- а / d2rl (nt)l2. где « - коэффициент пропорциональности, S - поверхность приемника

l(t) o:/d27(Eio2+E2tf +

. . ,. - . - -

+ 2Eio(r)E2o(f)cOsK(Or,.

,, - ..- . .

где Eio(r) и Е20 (г) - амплит ды сигнаяьного и опорного полей,,

. - . . , , к (t) - разность волновых векторов основного и опорного пучка.

Выделим переменную во времени со ставляющую фототока in(t)

, ,.,., ; - .,-,-- - -

n(t 2 о: / Ею (г) Е20 (г) cos К (t) rd г

. . 5 .. ,,:

так как опорный пучок представляет собой плоскую волну с расходимостью меньшей, чем требуемая точность измерения в преде..:.

лах апертуры приёмника, поле Е2о(г) постоянно и его можно вывести за знак интеграла

. - .

ln{t) 2 а Е20 / EIQ (г) cos К (t) г d г

, , . , S : ./ . ..,

Полученное выражение представляет собой двумерное преобразование Фурье. Следовательно, как и в методе фокального пятна измеряемого угловое распределение излучения эквивалентно значению, измеренному в дальней зоне. В данном случае измеряемое поле излучения можно записать как систему плоских волн, распределенных по углам, и в каждый момент времени с помощью опорной волны выделяется та составляющая, которая совпадает по направлению с направлением опорной волны.

Таким образом, если угловая скорость перемещения опорного пучка постоянна (например, при равномерном вращении призмы, то осциллограмма тока фотоприемника будет повторять угловое распределение поля. При этом угловое распределение интенсивности будет определяться по следующей формуле:

l(0 )i(t).

где в-угол, отсчитанный от оси симметрии сигнального пучка,

(О- угловая скорость вращения опорного пучка,

При другом законе качания необходим соответствующий пересчет. Амплитуда качания угла должна быть больше или равна полному линейному углу расходимости. В случае непрерывного лазерного излучения, пространственное распределение которого не изменяется во времени, на скорость сканирования по углу не накладывается огра ничений.

В случае, импульсного сигнала время сканирования угла должно быть меньше длительности импульса. Если в течение импульса расходимость изменяется значительно, то время сканирования не должно превышать промежутка времени, в течение которого расходимость можно Считать неизменной. Используя двухлучевой осциллограф можно одновременно регистрировать как временные, так и npoctpaHCTCteHHue характеристики лазерного излучения.

Блок схема устройства, реализующего данный способ, приведена на чертеже.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Часть излучения лазера 1 с помощью ответвителя 2 (если это необходимо) отвоФормула изобрётения СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ РАСХОДИМОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на пространственном разделении исследуемого излучения на опорный и предметный потоки и их регистрации, отличающийся тем,что, с целью расширения диапазона длин волн исследуемого излуч

дится в измерительный какал и с помощью делителя 3 пучок делится на опорный и Предметный. Для уменьшения расходимости опорного пучка по сравнению с предметным примерно на порядок применяется телескопическая система 4. Далее опорный пучок попадает на систему качания 5 (плоское зеркало, поворачивающееся относительно оси, проходящей через плоскость

0 зеркала). Отразившись от зеркала 5, пучок .попадает на полупрозра -ное зеркало 6 и, в свою очередь, отразившись от последнего, пропадает на фотоприемник 7 (например, мозаичный пироэлектрически, выходы всех

б элементов которого соединены параллельно). Предметный пучок, отразившись от зеркала 8 и провидя через полупрозрачное зерке1ло б, также попадает на поверхность фотоприемника 7. Зависимость переменной. составляющей тока фотоприемника регистрируется на осциллографе 9 или другом регистраторе (например числовом).

В данном способе, что является одним из его достоинств, не требуется многокаS нального регистратора (фотопленка, матричное пироэлектрическое устройство), что существенно облегчает процесс регистрации и обработки данных, а также повышает точность измерения. Достаточно иметь

0 обычный фотоприемник (ФЭУ в видимом диапазоне, rfиpoэлeкtpичecкий приемник в ИК-области). Информация об угле расходимости визуально количественно наблюдается на осциллографе, а случае

5 необходимости может быть заведена на сетное устройство без предварительных преобразований. . 45 : ;ния И повышения точности измерения, преобразуют опорный поток -в излучение с плоским фронтом волн, изменяют направление. опорного потока по отношению к. отй предметного vi производят последовательное фотосмешение предметного потока с опорным для каждого, его 1направления.