Способ измерения кривизны фазового фронта пучка электромагнитного излучения

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИВИЗНЫ ФАЗОВОГО ФРОНТА ПУЧКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗ ЛЗ ЧЕНИЯ, включающий облучение пучком дифракционной структуры, регистрацию параметров дифракционной картины в фиксированных плоскостях .и определение по результатам регистрации искомой кривизны, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажения пучка и сокращения времени измерения, проводят облучение неэквидистантной дифракционной структуры, регистрацию проводят в одной из плоскостей, расположенных на расстояниях f -( k 1, 2, 3 ,..) от дифракционной структуры, соответствующих положению ее фокальных плоскостей при облучении плоским фронтом, определяют яоме| m дифракционного порядка, имекяцего минимальный диаметр в плоскости ре-, гистрации, а радиус кривизны R определяют по соотношению .РП ; где п -.номер плоскости регистрации. Фаг.1 Л7«/

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

NUHVNt

РЕСПУБЛИН ае а) ! зов 6

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ е дифракционного порядка, имеющего минимальный диаметр в плоскости ре- Я гистрации, а радиус кривизны " определяют по соотношению

С:

„. ь

Е Р э

I где 0 †.номер плоскости регистрации:. ф

@@1

ЯТЕЙ!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ .ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3624979/18-25 (22) 21. 07 ° 83 (46) 15. 11. 84. Бюл. 11 42 (72) В.А.Епишин, В.Я.Заславский, M.Â.Íåoéèòíûé и С.С.Пржевский (7 1) Харьковский ордена Трудового

Красного Знамени и ордена Дружбы народов государственный университет им. А.М.Горького (53) 535.24(088.8) (56) 1. Бергер И. и др. Измерение распределения фазы в лазерном пучке. ПТЭ. 1978, К 1, с. 197.

2. Patorski К. Measurement of the

wavefkont curvature of Small diameter laser beams using the Forxrzer

imaging phenomenon. Optics and Laser

technology> Ч. 11, У 2, 1979, р,91-94. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИВИЗНЫ

ФАЗОВОГО ФРОНТА ПУЧКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий облучение пучком д фракционной структуры, регистрацию параметров дифракционной картины в фиксированных плоскостях .и определение по результатам регистрации искомой кривизны, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения искажения пучка и сокращения времени измерения, проводят облучение неэквидистантной дифракционной структуры, регистрацию проводят в одной из плоскостей, раепо" ложенных на расстояниях F> .(k

2, 3 ...) от дифракционной структуры, соответствующих положению ее фокальных плоскостей при облучении плоским фронтом, определяют номер

t 1124

Изобретение относится к способам измерения кривизны фазового фронта пучков электромагнитного излучения и может испсльэоваться в квантовой электронике. 5

Известен способ определения кривизны фазового фронта, согласно которому в лазерный пучок помещают непрозрачный экран с двумя отверстиями, который перемещают вместе с 10 фотоприемником в поперечном сечении пучка. Затем измеряют интенсивность сигнала от двух и от каждого из отверстий, рассчитывают сначала производную от распределения фазы, а затем фазовое распределение ft) .

Недостатком данного способа яв ляются невозможность быстрого получения информации о фазовом распределении пучка излучения, а также сложность выполнения устройств, его реализующих. Указанный способ измерений неприменим для импульсного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения кривизны фазового фронта пучка электромагнитного излучения, включающий облучение пучком дифракционной структуры, регистрацию параметров дифракционной картины в фиксированных плоскосч тях и определение по результатам регистрации искомой кривизны. По изменению периода дифракционной кар35 тины определяют радиус кривизны фазового фронта. Указанный способ применим для исследования импульсных волновых пучков (2).

Недостатками известного способа

40 являются невозможность измерений в процессе работы лазера по основному назначению (большие искажения пучка транспарантом), большие затраты времени на микроскопическую обработку

45 дифракционных изображений.

Цель изобретения — уменьшение искажений пучка и сокращение времени измерения.

Поставленная цель достигается тем,50 что согласно способу измерения кривизны фазового фронта пучка электромагнитного излучения, включающему облучение пучком дифракционной структуры, регистрацию параметров дифрак- 55 ционной картины в фиксированных плоскостях и определение по результа" там регистрации искомой кривиэны,проводят облучение неэквидистантной дифракционной структуры, регистрацию проводят в одной из плоскостей, расположенных на расстояниях F (P

1, 2, 3...) от дифракционной структуры, соответствующих положению ее фокальных плоскостей при облучении плоским фронтом, определяют номер rn дифракционного порядка, имеющего минимальный диаметр в плоскости регистрации, а радиус кривизны определяют по соотношению р О где tI — номер плоскости регистрации, На фиг. 1 показана схема одного из вариантов реализации способа, на фиг. 2 — общий вид неэквидистантной дифракционной структуры.

Зависимость фокусного расстояния от номера дифракционного порядка, :a также зависимость положения фокальной плоскости от кривизны фронта пучка электромагнитного излучения позволяют провести оценку кривизны фазового фронта. В качестве неэквидистантной структуры может применяться, например, такая, в которой расстояния между соседними рассеивающими элементами изменяются по квадратичному или линейному закону

Направим на решетку пучок излучения с радиусом кривизны фазового фронта R в направлении оси у . Вблизи фокуса П -го дифракционного порядка комплексную амплитуду поля можно записать исходя из принципа ГюйгенсаКирхгофа, аппроксимируя решетку квадратичным фазовым корректором с фокусным расстоянием F . Если функция изменения амплитуды пучка излучения на решетке (х = t.-а, а)) равна (1(х), точка наблюдения — х„ располо-. жена в зоне Френеля, то с точностью до несущественного постоянного комплексного множителя для упомянутой комплексной амплитуды получим (зависимость от времени ехр(1 и1))

6 (Y(a ) 0(õ) ехр — (х — ----)i — ") Jr, 15

V(x 1= 0(х)ехр — р — --- — < Д» (2) хГ 1 и 2х

2 ((F„ g R)

-а

Условие максимальной фокусировки имеет вид

1 1

0 — О, и

Fm Fn

FÄ-

25 (3) Таким образом, регистрируя часть дифрагированного спектра в заданной плоскости L = F и фиксируя номер максимально сфокусированного дифрагированного порядка, по известному его фокусному расстоянию из (3), находим радиус кривизны фазового фронта. Когда имеет возможность ви- З5 зуального наблюдения дифрагированного спектра, определение к может производиться без регистрации излучения на носителе информации. Предварительной калибровкой можно поста- 4О вить в соответствие каждому дифрагированному порядку измеряемый радиус кривизны. Пучок с радиусом кривизны

F5+4 Fn

Я>

Fn- ni неразличим от плосковолнового .пучка.

Способ осуществляется следующим образом (Лиг. 1).

Исследуемый пучок света 1 направляют на неэквидистантную дифракционную структуру 2, общий вид которой 55 приведен на фиг. 2. В качестве дифракционной структуры используют фазовую решетку, в которой расстояние

3 124

Видно, что максимальная фокусировка не получается при j = Гп . В плоскости l = Г регистрируется несколько дифракционных порядков с близкими фокусными расстояниями (что обеспечи- 5 вается выбором закона изменения расстояния между соседними рассеивающими элементами). Пусть из регистрируемых дифракционных порядков максимальная фокусировка будет относиться 10 к m -му порядку в точке наблюдения у, где

180 1 между рассеивающими элементами нз1 1 di меняется по закону — = — + т,„, т. где Т вЂ” начальное расстояние между рассеивающими элементами, соответствующее краю решетки, r — значение радиуса кривизны рассеивающих элементов, 6, = 1 22 10 мм . Фокальные плоскости для данной решетки в случае падения излучения с плоским фазовым фронтом расположены на расстояниях от нее, равных р 2, где

ahk — длина волны излучения. Экспериментальное определение фокусных расстояний проводят калибровкой с помощью эталонного излучения. Затем регистрируют картину дифракции исследуемого пучка на неэквидистантной; структуре в плоскости, удаленной от нее, например, на расстояние F<

Из полученной дифракционной картины определяют, что минимальный диаметр отпечатка соответствует, например, номеру ги = 11. Искомый радиус кривизны 0 определяют из соотношения

F(i Fis

R = — а — 856,8 мм, g а Π— coF<>-F<, ответствует сходящемуся падающему пучку.

В отличие от известного способа (2j в данном способе измерений регистрируется не основной пучок, а незначительная часть его ответвленной энергии, что и позволяет сохранить характеристики пучка неизменными (без значительных искажений). Малые искажения исследуемого пучка позвочяют использовать практически всю энергию излучения для облучения миаени, обеспечивая при этом непрерывный контроль радиуса кривизны фазово1-о фронта.

Предлагаемый способ исключает не. обходимость в микроскопическом определении размеров дифракционной картины, так как при этом достаточно зафиксировать номер порядка, дающего минимальный диаметр отпечатка на дифракционной картине, что значительно сокращает время измерений. Кроме того, способ позволяет путем дополнительных операций получить исчерпывающую информацию о пучке. Измерив угловое распределение интенсивности в tl -м дифракционном порядке, получаем диаграмму направленности. Изме. рение пространственного распределеСоставитель С.Бочинский

Редактор К.Болощук Техред А.Бабинец Корректор А.Зимокосов

Заказ 8270/32 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ния амплитуды в порядке, имеющем минимальный диаметр отпечатка, при помощи ее обратного преобразования

Фурье позволяет восстановить амплитудное распределение пучка излучения в плоскости дифракционной струк24180 6

I туры, а при помощи дифракционного интеграла определить пространственное распределение сфокусированного излучения исследуемого пучка, в том

5 числе длину перетяжки и форму каустической поверхности. !