Способ определения оптической плотности фазовых объектов и устройство для его осуществления

 

1. Способ определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двухлучевой интерферометрии,заключакм1№й4ся в :Том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра , .поляризуют во взаимно перпендикулярных направлениях, отличающийся .тем, что, с целью повышения чувствительности при. расширении спектральной области измерений путем обеспечения когерентности поляризациойных составлякяцих излучения активной среды, .излучение активной среды инициируют внешним источником поляризованного света. СдЭ ;о ;о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (! 1) 4 (51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

\.

I

t ж

L»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ CCCP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTIO (21) 2917703/ 18-25 (22) 19.05.80 (46) 15.02.85. Бюл. У 6 (72) О.Е. Денчев (НРБ), А.Г. Жиглинский,.Н.С. Рязанов и А.Н. Самохин (71) ЛГУ им. А.А. Жданова (53) 535,411(088.8) (56) 1. Эайдель А,Н., Островская Г.В и Островский )О.И. Техника и практика спектроскопии. М., "Наука", 1976.

2. R.l. Thrash и др. J. Chem, Phys, 55, 4659, 1971.

3. А.D. white The Bell Syst.

Techn. J. 45, 339, 1966 (прототип). (54), СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ

ПЛОТНОСТИ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙ-

СТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двухлучевой интерферометрии, заключающийся в том,что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра,,поляризуют во взаимно перпендикулярных направлениях, о тл и ч а ю шийся .тем, что, с целью повышения чувствительности при расширении спектральной области измерений путем обеспечения когерентности поляризациойных составляющих З излучения активной ореды, излучение активной среды инициируют внешним источником поляризованного света.

2. Устройство для определения оптической плотности фазовых объектов, содержащее двухлучевой интерферометр со скрещенными поляризаторами в плечах последнего, кювету с красителем, оптически связанную через линию задержки с блоком накачки, и зеркало, плотность которого расположена параллельно плоскостям

1139977 зеркал интерферометра, образующих с последними и кюветой лазер на красителе, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластинка, а между блоком накачки и клиновидной пластинкой расположен блок внешнего инициирующего поляризованного излучения.

Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано при исследованиях свойств прозрачных сред, например, при измерениях величины аномальной дисперсии, значений показателя преломления, изучении процессов, происходящих в плазме, а в ряде других интерферометрических задач, когда информацию необходимо извле- 10 кать из спектрального распределения измеряемых величин.

Известны способы определения оптической плотности фазовых объектов, согласно которым зондирующее излучение делится по амплитуде на два приблизительно равных по интенсивности пучка лучей, один из которых проходит через исследуемый фазовый объект, и затем по виду кар- Ж тины интерференции, возникающей при введении световых пучков, судят о параметрах исследуемого объекта (1)..

Однако известные спектроинтерференционные методы обладают относительно низкой чувствительностью (по сравнению с методами, основанными, например, на излучении и поглощении света) .

Известен также способ определе- 30 ния оптической плотности амплитуднофазовых объектов путем внутрирезонаторной спектроскопии, заключающийся в том, что исследуемый амплитудно-фазовый объект помещают внутрь резонатора-лазера на красителе„ При этом достигают высокой чувствительности к амплиту ным изменениям спект% ра генерации (2

Однако информацию о фазовых изме- 40 нениях, вызываемых действием исследуемого объекта, указанным способом получить невозможно, поскольку в нем невозможно наблюдение спектроинтерференционных эффектов.

Наиболее близким к предлагаемому является интерференционный способ селекции продольных типов колебаний в лазерах, основанный на частотной зависимости эффективного значения коэффициента отражения одного из зеркал резонатора, функцию которого выполняет двухлучевой интерферометр.

Способ позволяет обеспечить в пределах ширины атомной линии генерации высокую добротность резонатора для рабочего типа колебаний и низкую для всех остальных,„ что приводит к дискриминации всех типов колебаний, кроме одного-двух, для которых эффективный коэффициент отражения интерферометра имеет максимальное зна.чение, Согласно данному способу осуществляется внутрирезонаторная двухлучевая интерферометрия в пределах спектральной ширины излучения генерирующего атомного перехода, заключающаяся в том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, поляризируют во взаимно перпендикулярных направле-. ниях, кроме того возможно определение оптической плотности фазовых объектов в одночастотном режиме,.

Способ осуществляется устройством для Интерференционной селекции продольных типов колебаний, содержащим двухлучевой интерферометр с кристаллическим двоякопреломпяющим,расщепителем излучения на два луча (со

I взаимно перпендикулярными направляющими поляризации), активную газовую

1139977 4

SS среду и зеркало резонатора, соосного с отражающими зеркалами интерферометра (3) .

Однако известный способ позволяет получить интерференцию световых колебаний лишь в пределах ширины генерирующего атомного перехода.

Замена активной газовой среды красителем не позволяет получить интерференционную картину в широкой области спектра из-эа некогерентности поляризационных составляющих в излучении красителя. Таким образом, измерение укаэанным способом оптической плотности фазовых объектов возможно лишь в одночастотном режиме. При этом чувствительность определения минимального значения оптическои плотности относительно низка (по сравнению с методами, основанными на излучении и поглощении света) и равна чувствительности обычных спектроинтерференционных методов исследования фазовых объектов, что связано с перемешиванием пучков: света, многократно проходящих поочередно через разные плечи интерферометра и активную газовую среду.

Однако при измерениях оптической плотности фазовых объектов и ее рас-. пределении по длинам волн необходимо получать информацию одновременно в широком спектральном диапазоне с максимально возможной чувствительностью, существенно расширяющей круг объектов и явлений, доступных указанным спектроинтерференционным методом исследования.

Цель изобретения — повышение чувствительности внутрирезонаторной интерферометрии и возможность реализации способа одновременно, в широком спектральном диапазоне.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двухлучевой интерферометрии, заключающемуся в том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, поляризуют во взаимно перпендикулярных направлениях, излучение красителя, генерирующего в широкой области "пектра, инициируют внешним источником поляризованного света.

Поставленная цепь достигается тем, что в устройстве для внутриреE

40 эонаторной интерферометрии, содержащем двухлучевой интерферометр со скрещенными поляризаторами для вза"имно перпендикулярной поляризации излучения в плечах последнего, кювету с красителем. оптически связанную через линию задержки с блоком накачки, и зеркало, установленное соосно с отражающими зеркалами интерферометра и образующие с последними резонатор лазера на красителе, в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластинка, а между блоком накачки и клиновидной пластинкой расположен блок внешнего инициирующего поляризованного излучения.

На чертеже представлено устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит блок оптической накачки. 1, (обведен пунктирной линией), оптически связанный через линию задержки 2 (обведена пунктирной линией) и через зеркало 3 с двухлучевым интерферометром Майкельсона со <светоделителем 4, между которым и зеркалом 3 расположена кювета 5 с красителем, и зеркалами 6 и 7, установленными соосно с зеркалом 3 и образующими с ним два связанных резонатора лазера на красителе, в плечах которого расположены поляроиды 8 и 9 со взаимно перпендикулярньпя направ- лениями поляризации и исследуемый объект 10, причем в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластина 11, осуществляющая соосность лазерного резонатора и блока внешнего инициирующего поляризованного излучения 12 (обведен пунктирной линией), связанного с блоком накачки клиновидной пластиной 13, а интерферометр Майкельсона через оля- . роид 14 оптически связан с системой наблюдения картины интерференции

15 (обведена пунктирной линией) .

Способ получения спектроинтерферограмм осуществляют следующим образом.

Импульсное излучение блока накачки 1 ° пройдя через оптическую линию задержки 2 и зеркало 3, создает инверсию заселенности молекул красителя в кювете 5. Часть излучения на1 качки эа счет отражения от передней поверхности клиновидной пластинки 13 вводится в блок инициирующего излучения 12, который вырабатывает под ее воздействием импульс поляризован1139977 ного излучения с длительностью, равной длительности импульса накачивающего излучения. С помощью клиновидной. пластинки 11 поляризованное излучение блока 12 вводится в резо- 5 натор лазера на красителе и инициирует вынужденные. переходы молекул последнего, ориентированные под разными углами к оси резонатора. При этом с помощью оптической линзы за". держки 2 обеспечивают такое частичное наложение во времени инициирующего излучения и.излучения оптической накачки красителя, что индуцированное излучение молекул имеет длитель- 15 ность, меньшую или равную 2L/c сек, где Ь вЂ” длина резонатора лазера на красителе, с — скорость света. Таким образом, в направлении светоделителя интерферометра Майкельсона распространяется импульс индуцированного излучения красителя, поляри зационные составляющие которого когерентны (в отличие от случая возникновения индуцированного излучения за счет начальных спонтанных переходов возбужденных молекул, когда поляриэационные составляющие индуцированного излучения между собой некогерентны). Индуцированное излучение ЗО красителя делится на светоделителе 4 на два пучка лучей приблизительно равной интенсивности. Поляроиды 8 и 9 выделяют иэ всей совокупности лучей лучи со взаимно перпендикулярньпж плоскостями колебаний, которые затем независимо распространяются внутри двух связанных лазерных резонаторов, усиливаясь после каждого прохождения активной, 40 среды. При этом эффективная длина исследуемого фазового объекта 0 увеличивается в число прохождений излучения внутри резонатора,. которое определяется длительностью геМращ и красителя и длиной лазерного резонатора. После. каждого прохождения часть излучения красителя, состоящая из двух пучков света со взаимно перпендикулярными О .поляризациями, выходит из интерферометра в направлении системы регистрации. Исходная длительность индуцированного излучения, меньшая

2L/ñ сек, обеспечивает такое не- 55 зависимое распространение коротких цугов световых колебаний внутри связанных резонаторов 3-6 и 3-7, что цуг п-го прохождения не накладывается на цуг (n-1) - го прохождения, исключая тем самум возможность интерференции световых пучков, прошедших одно и то же плечо интерферометра, но разное число раз.

Таким образом, в направлении системы регистрации 15 последовательно, не накладываясь одни на другие, выходят пары пучков света, со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний, прошедшие все увеличивающееся число раз каждый свое плечо интерферометра. Поляроид 14, ориентированный под углом 45о к плоскостям поляризапии поляроидов

8 и 9, пропускает только соответствующие составляющие электрических векторов этих пучков, обеспечивая возможность их интерференции с максимальной контрастностью. При этом лазер на красителе работает в режиме усиления света с таким коэффици! ентом, что каждое последующее прохождение излучения через активную среду красителя сначала в направлении зеркала 3, а затем к светоделителю 4, значительно отличается по интенсивности от излучения предыдущего прохождения, вследствие чего система регистрации регистрирует развернутую в спектр картину интерференции, в основном" соответствующую интерференции двух пучков света с максимальным числом прохождений через исследуемый фазовый объект 8.

Пример, Блок, оптической накачки 1 с остоит из импульс ного рубинового лазера ОГМ-20-16, одноосного двоякопреломляющего кристалла

КПД217 и фильтра УФС-1 — 18. Б качестве линии оптической задержки используются две прямоугольные кварцевые призмы 16 и 1 7 . Сложный лазерный резонатор состоит из зеркала 3, пропускающего ультрафиолетовое излучение и отражающее видимый свет, и двухлучевого интерферометра Майкельсона. Покрытия зеркал и светоделителя диэлектрические.

Кювета 5 содержит спиртовой раст-! вор красителя родамина 6Ж. Блок внешнего инициирующего излучения 12 соединен оптически с блоком накачки 1 с помощью клиновидной пластинки 13 и содержит источник излучения 18— лазер на спиртовом растворе красителя родамина 6Ж, поляроид 19 и

7 1139 четвертьволновую слюдяную пластинку

20. Система наблкдения картины интерференции состоит из объектива 21 и спектрографа ДАС 22, в фокальной плоскости которого расположена кассета с фотопластинкой.

Спектроинтерферограмму получают следующим образом., Излучение импульсного рубинового .лазера, генерирующего на длине 1О волны = 694,3 нм в течение приблизительно 30 нс, преобразуется кристаллом,КПД в излучение в два раза меньше длины волны (9 = 347, 15 нм), фильтр УФС-1 пропускает излучение с Ъ = 347 нм (излучение, накачивающее краситель) и отрезает излучение с ф = 694 нм. Накачивающее излучение, пройдя регулируемую путем перемещения призмы 17 оптическую линию задержки 2, через зеркало 3 вводится в кювету 5 с красителем. Зеркало 3 имеет такое диэлектрическое покрытие, что коэффициент его пропускания для

Ъ вЂ” 347 нм имеет значение приблизительно 90Х в то время как для более длинноволнового излучения оно хорошо отражает (коэффициент отражения составляет величину около 97X). Таким образом, накачивающее излучение беспрепятственно проходит внутрь лазерного резонатора, а для излучения красителя в области длин волн около

600 нм коэффициент отражения зеркала

13 имеет большое значение. . 35

Часть излучения рубинового лазера (около 10X) отражается от передней поверхности клиновидной пластинки

13 н попадает в дополнительный источник поляризованного излучения 40

23: через зеркало 24 вводится в кювету 25 с красителем, в качестве которого используется спиртовой раствор родамина 6Ж. Кювета 25 помещена в лазерный резонатор, состоящий из 45 зеркал 24 и 26, которые вместе образуют источник света 23. Зеркало

24 имеет диэлектрическое покрытие, аналогичное покрытию зеркала 3, т.е. хорошо пропускает накачиваю- 50 щее излучение — вторую гармонику излучения рубинового лазера с Я

347 нм — и отражает излучение красителя в области длин волн около

600 нм. Поляроид 19, ориентирован- 55

О. ныи под углом 45 к плоскости поляризации поляроидов 8 и 9, выделяет из импульса генерации красителя,,/

977 8 выходящего через частично пропускающее зеркало 26 в направлении клиновидной пластинки 11, одну линейно поляризованную составляющую.

Последняя, пройдя четвертьволновую слюдяную пластинку 20, преобразуется в циркулярно поляризованное излучение, которое вводится с помощью пластинки 11 в резонатор основного лазера на красителе и инициирует импульс йндуцированного излучения красителя, поляризационные составляющие которого вследствие инициирования когерентны (Инициирование излучения красителя может производиться и непосредственно линейно поляризованной составляющей дополнительного источника света, однако, в этом случае эффективность инициирования различных поляризационных составлянящих излучения красителя будет неодинаковой). -В качестве фазового объекта 10 используется геометрическое неравенство длин плечей интерферометра Майкельсона.

Выходящие иэ интерферометра по направлению к системе регистрации пары пучков света разного числа прохождений значительно отличаются по интенсивности друг от друга.

Максимальной интейсивностью обладает пара пучков света, прошедшая наибольшее число раз внутри лазерных резонаторов. Вследствие этого на фотопластинке (с учетом также и нелинейности кривой почернения), помещенной в фокальной плоскости спектрографа, регистрируется развернутая в спектр картина интерференции, в основном соответствующая интерференции двух пучков света с максимальным числом прохождения через исследуемый фазовый объект.

Предлагаемый способ осуществим в реальных условиях при исследовании любьм прозрачных фазовых объектовз При осуществлении способй значительно (в число. pas, определяемое длительностью генерации красителя и длиной одного из связанных резонаторов) увеличивается чувствительность традиционных спектроинтерференционных методов измерения оптической плотности фазовых объектов.

Увеличение длительности оптической накачки кюветы с красителем либо за счет применения ламповой накачки, либо за счет замены в предйаСоставитель Л. Гойхман

Техред А.Бабинец Корректор М. Леонтюк

Редактор И. Горват

Тираж 897 Подпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 253/31

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4

9 11399 гаемом устройстве рубинового лазера на лазер с большей длительностью генерации и с подходящей для накачки красителя длиной волны излучения, позволяет еще больше увеличить чувст" вительность определения минимального значения оптической плотности фазовых объектов.

Повышение чувствительности измерения малых значений оптической плот ности исследуемых фазовых объектов существенным образом расширяет круг объектов и явлений, доступных классическим спектроинтерференционным.методам исследований. Появляется воэможность измерения относительных зна77 l0 чений сил осцилляторов спектральных линий, возникающих при переходах с возбужденных состояний различных атомных систем.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет исследовать ряд элементарных процессов, просходящих в низкотемпературной плазме, когда необходимо измерять с высокой степенью точности соответствующие изменения заселенности возбужденных атомных состояний, что недоступно для обычных спектроинтерференционных методов исследования, вследствие их относи тельно невысокой чувствительности.