Способ измерения пространственной когерентности источников света и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК H01S3/00 G03H1/00 

оси не изменяется,. Включив в данную схему исследуемый источник света , голограмма-интерферометр создаст в первом порядке дифракции два о.цинаковых, но сдвинутых волновых поля, Интенсивность интерференционных :joлос, возникающих в области перекрытия этих полей, измеряется фотоумножителем-, Наиболее близок по технической cyi-цности к предлагаемому способу определения пространственной когерентности голографический способ,.- заключающийся в записи гологра 1мы диффузного экрана, на который проецируется исследуемое сечение волнового поля источника, например;торец ла зера 2. Одновременно это же сечение проецируется на. плоскость голо, референтным пучком. Если посл довательно восстанавливать небольшие участки такой голограммы узким лазера, то распределение интенсивкос тк в восстановленном изображении будет меняться в соответствии со степ€: нью когерентности точек источника, принадлежащих к просвечиваемому учас ку голограммы. В линейном приближешн интенсивность Зцд(К) в изображении ди фузного экрана.- восст 1нов.ленном мгшы участком голограммы с координатами г:, определяется исходным распределением интекслвности 3 (R) промодулиЕЮванным квадратом функции пространстве ч н о и к о г е р е к т к о с т i : гда постоянный мно ;:нте.лъ, который определяется ycj;OBnHMK запис:И го лограммы к Еосстановления кзобрз.жения и характеризует эФфективност-ь этого двукэтапного процЕсс а vipeCiCpaзоээния. Таким образом, зная ис ;одное: распределение вктпнсизности и измеряя распределение интенсивнсхт;; в восстановленно.м изображении мъ1 i.-зо Кроме того, было получено простое соотношение, позвол.ЯгОгоее оггрз-.целит ь пространс ТВ ей ную коге ре наностЬ J , не измеряя отдельно кс-.хсдное распределение иитенсивкости, Де ствительно , восстанавливая голограм му через точку, с коор.щ-;натс1ми R,, , мы для. точки восстановленного изобра.же ния;с теми же координатами определяем величину (R), поскольку сте пень прСютранственной когервиткССти точек волнового фронта по отношеняю к самой себе равна 1.Проводя измерения для всех точек изобразкен.и Определяют необходимое первоиа1а.льн распределение интенсивности, зная которое находят функцию простраиственкой когерентности. В этом случае вычисляют функцию ространственной когерентности по форулеi Г(г.о(т -g-i . - . 1JLJL QЧЛо acv-r vair r-) де J ( rj ) интенсивность изображеия в точке г при восстановлении в очке г; голограммы; 0(г: г.- ) - интенивность изображения в точке г.; при осстановлении в точке голограммы; .-) - интенсивность изображения точке r.j при восстановлении в точе . Способ осуществляют устройством ля измерения пространственной когеентности исследуемого лазера, содер-а1дим блок записи голограмм диффузного экрана, на. который проецируется исследуемое сечение волново.го поля источнк ка, блок восстановления волнового поля источника, состоящий из (восстанавливающего) лазера, двух диафрагм, голограммы диффузного экрана, фотоумножителя с координатным устройством для перемещения источника света, блок регистрации дифференциальной интенсивности и блок вычисления степени пространственной когерентности, причем фотоумножитель через блок регистрации интенсивности связан с блоком вычисления степени пространственной ко.герентности. Однако при построении функции пространственной когерентности необходимо проводить большое число измерений, что ЯЕ.ляется достаточно сложной экспери.5екта.льной задачей. Так, например, число измерений п, необходимое для определения функции пространственной когерентности N точек торца лазера относительно друг друга, равно К . Кроме того, практически сложно точно совместить координаты точек торца лазера на голограмме и в восстановленном изображении. Цель изобретения - ускорение процесса измерений пространственной когерентности излучения непрерывных и импульсных оптически.х квантовых генераторов , Рд1Я этого измеряют исходное распределение интенсивности исследуемого источника света, регистрируют интегральную интенсивность от всего восстановленного изображения путем сканирования по голограмме узким пучком восстанавливающего лазера и определяют степень пространственной когерентности излучения иссле.цуемого источника с в е т а. по формуле г 2иШ Р -2 -„рГ р , Т(.,, Jd-pe Japtne P dV где 3|.j(r) - интегральная интенсивность восстановленного изображения источника света; v3o(j) исходное распредел ние интенсивности исследуемого источ ника, света; Cj - константа, определя емая из условия 1.° В устройство для реализации спосо ба вводят дополнительно линзу, распе женную между голограммой и фотоумножителем, и блок регистрации исходног распределения интенсивности исследуе мого источника света, соединенный вх дом с блоком записи голограмм, а выходом с блоком вычисления степени пр странственной когерентности. Запись голограммы ведется по известной схеме. Однако на этапе восст новления изображения малым участком голограммы, измеряется не дифференциальная интенсивность в точке R изо ражения, восстановленного при освеще нии точки г голограммы -71 (R, г) , а интегральная интенсивность от всего изображения Оу,(г) JD(R, г) d R, что достигается фокусировкой всего изображения на входе ФЭУ. Тогда имеет сле дующее соотношение, связывающее 3ц(г и |Г(К,г)| )--Ja(R,r)a R--ca сна jDptwiTlVR, (i) где 3 - интенсивность восстанавливающего луча; (R) - интенсивность излучения в точке R торца лазера. Предположив, что У зависит лишь от х - R , перейдем к правой части фор мулы (1) от интегрирования по d R к интегрированию по d х. Тогда llS-- pt- nruild. Значение константы с может быть рассчитано, но как легко увидеть, условие нормировки JTtojp делает величину этой константы несущественной для построения распределения |у-(г)| Уравнение (2) является интегральным уравнением с разностным ядром и может быть решено разложением в интег рал Фурье. Тогда имеется г ЗиСИ ipr а X . -l-f.--b..,P) где константа С непосредственно опре деляется из условия jJ(o)|2. 1. Таким образом, для вычисления аппраксимационной однородной функции 1ЗГ(х)) необходимо экспериментально определить значение интегральной интенсивности vly,(r) и распределение интенсивности по торцу-лазера OQ(г), Дальнейшие расчеты могут быть проведены на ЭВМ или аналитически с использованием аппроксимаций функции Оу, иЗо . На фиг. 1 дана схема устройства, реализующего предл агаемый способ и- мерения пространственной когерентности источников света; на фиг. 2 и 3 представлены кривые зависимости функции пространственной когерентности (ФПК) от расстояния между точками на торце лазера, определенные предлагаемым и известным способами соответственно. Устройство для реализации способа состоит из блока 1 записи голограмм диффузного экрана, блока 2 регистрации исходного распределения интенсивности исследуемого источника света, блока 3 восстановления волнового попя источника, блока 4 регистрации интегральной интенсивности, блока 5 вычисления степени пространственной когерентности, входами подключенного к выходам блока 4 регистрации интегральной интенсивности и блока 2 регистрации исходного распределения интенсивности. Блок 1 записи голограмм состоит из исследуемого ,лазера 6, прямоугольной диафрагмы 7, поворотных зеркал 8 и 9, линзы 10, проецирующей изображение торца лазера на диффузный экран 11, линзы 12, проецирующей изображение торца лазера 6 на фотопленку 13 (Микрат-900). Блок 3 восстановления волнового поля источника состоит из измерительного лазера 14, диафрагмы 15, голограммы 16 диффузного экрана, собирающей линзы 17, фотоумножителя 18. Измерительный лазер перемещается с помощью координатного устройства в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Запись голограмм диффузного экрана 11, на который проецируется исследуемое -сечение источника свёта производилась в блоке 1 записи, изображенном на фиг. 1. В качестве исследуемого источника света использовался лазер б на красителе родамине 6 G с лазерной накачкой. Вплотную к торцу лазера располагалась прямоугольная диафрагма 7. Световой пучок лазера на красителе делили на два с помощью зеркал 8 и 9, Линзы 10 и 12 проецировали торец лазера 6 на диффузный экран 11 и на фотопленку 13, типа Микрат-900, на которой осуществлялась голографическая запись. Исходное распределение интенсивности по торцу лазера 6 определялось в блоке 2 методом фотографической фотометрии. Затем изображение диффузного экрана 11 восстанавливалось малым участком голограммы 16. Пучок He-Ne (гелий-неонового) восстанавливающего лазера 14, проходя через диафрагму 15, диаметром 1 мм, переме г1ался по голограмме 16 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вся интенсивность восстановленного изображения диффузного экрана фокусировалась линзой 17 на вход фотоумножителя 18, который связан с блоком . 4 регистрации интегральной интенсивности, С блока 2 регистрации исходного распределения интенсивности Оо блока 4 регистрации интегральной интенсивности dulr) информация поступает н блок 5 вычисления, где производится расчет функции-пространственной когерентности . Результаты измерения Э, (г) н Оо(г) (см, формулу 3) показали, что они могут быть аппроксимированы гауссовым законом /а 1 (.} -(&-Ы wN,-;, w-( Vo apCrV-j te ° где х, у , Хр, УО - соответствующие экспериментально определенные констан ты. Тогда для |У(х)( имеем 1 ° К .i &.-к . I Подставляя в формулу (5) значение XQ и Х(, находим среднее значение ()|. Сравнивая кривые на фиг, 2 и 3, видим, что хотя ряд деталей в поведе нии fy не отражается в интегральной кривой, в целом обе кривые фиг, 2 и фиг, 3 имеют .сходный вид. Так зона когерентности, определенная из условий fJrl 1/2, полученная интегральным методом, составляет 0,57 MJVI, а голографическим методом 0,50 мм. Измерения степени пространственной когерентности были проведены для одной и той же вспышки лазера на красителе родамине 6 G с лазерной накачкой. Дл сравнения чувствительности интеграль ного (описываемого) и голограф:аческо го способов измерения проводились ка дым способом по отдельности относительно одной и той же точки то:рца ла зера , Наблюдаемые расхождения во ;чногом могут быть связаны с простейгией аппр симацией распределений Oj., и OQ - гауссовгз м законом, В этом простейшем при ближении связь между полуширигсами Зц ,ао,1Гзадается соотношением ) О и Описываемый интегральный метод определения функции пространствяннэй когерентности (ФПК) позволяет определить точный вид у- для однородных ФПК, а в случае, когда ФПК неоднород ,на, он дает значение аппроксимирующей однородной, функции . Проведенные голографическим к интегральным способами измерения функции пространственной когерентности лазера на красителе родам} не 6 G с лазерной накачкой .показали, что оба эти способа достаточно хорошо описывают функцию пространственной когерентности исследуемого лазера. Описанная принципиальная схема осуществления способа исследования пространственной когерентности излучения источников света доказывает, что этот способ может быть использован для определения функций пространственной когерентности кав: непрерывных, так и импульсных источников света. Этот способ позволяет определить точный вид функции пространственной когерентности, если функция исследуемого источника однородная, если же она неоднородна, то получим среднее значение функции пространственной когерентности излучэния, что является достаточно информативной характеристикой состояния когерентности. Для подтверждения преимущества предлагаемого изобретения перед известным голографическим способом приводятся расчеты: 1 . Для определения функции пространственной когерентности излучения между N точками торца лазера друг с другом голографическим способом необходимо N измерений, поскольку i,,, T-M)h| .г,)гЗ(.) где D(r r-f) - интенсивность изображения в точке г при восстановлении в точке голограммы; 0(, г-) - интенсивнбсть изображения в точке Г грагч1мы; 0(г.,г.;) - интенсивность изображения 3 точке г; при восстановлении в точке г- голограмгч1ы, 2, Для определения функции пространственной когерентности между точками торца лазера интегральным методом потребуется 2 N измерений r(.) JapCne P-d где Оц1г)- интегральная интенсивность восстановленного изображения источника света (г) - исходное распределение интенсивности источни- к а света ;ся- кож: танта, определяемая из условия Iy (О) j г 1. В исследования с функции пространственной когерентности (ФПК) излучения лазеров число точек торца лазера, между которыми устанавливается корреляция N порядка 200, следовательно при использовании предлагаемого интегрального метода необходимо -400 измерений, при использовании голографического метода -40000 измерений. Применение предлагаемого технического решения по сравнению с известным даст возможность на два порядка уско рить процесс измерения пространстве ной когерентности излучения как непр рывных, так и импульсных оптических квантовых генераторов за счет измерения интегральной интенсивности вос становленного изображения исследуемого источника света. Формула изобретения 1. Способ измерения пространствен ной когерентности источников света, заключающийся в записи голограммы диффузного экрана, на который проецируется исследуемое сечение волново го поля источника, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса измерений, измеряют исходное распределение интенсивности исследуемого источника света, регист рируют интегральную интенсивность от всего восстановленного изображения путем сканирования по голограмме узким пучком восстанавливсиощего лазера и определяют степень пространственной когерентности излучения исследуемого источника света по формуле , .2 , . гф11 2 р1Ъу-,г bp( где (r) - интегральная интенсивнос восстановленного изображения источни ка света; Ло(г) - исходное распределе ние интенсивности исследуемого источника света; Cg - константа, непосредственно определяемая из условия if(o} 1. 2, Устройство для реализации спосоia по п. 1, содержащее блок записи голограмм диффузного экрана, блок вос« становления волнового поля источника, состоящий из лазера, диафрагмы, голограммы диффузного экрана, фотоумножителя, координатного устройства для перемещения источника света, блок регистрации интенсивности, блок вычисления степени пространственной когерентности, причем фотоумножитель через блок регистрации интенсивности связан с блоком вычисления степени пространственной когерентности, отличающееся тем, что в него введены линза, расположенная между голограммой и фотоумножителем, и блок регистрации исходного распределения интенсивности исследуемого источника света, соединенный входом с блоком записи голограмм, а выходом с блоком вычисления степени пространственной когерентности. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Голография, Методы и аппаратура. - Под. ред, В. м. Гинзбург, Б. М. Степанова. - М.: Советское раио, 1974, с. 309-314. 2.Стаселько Д. И. и др. Голографический метод измерения функций протранственной когерентности. - Оптика спектроскопия, 1973, т. 34, 3, , 561 (прототип).

(МН

-0.8 -as -ол -0.2 о 0,2 0,1} 0,6 ом

0,8-0,6 -0,l -0,2 О III ОЛ 0,6 0,8

.2

Фиг.5