Способ определения параметров когерентного излучения

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН..ЯО„„1220436 А1 (51) 5 G 01 3 9/00 G 03 Н 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (46) 30.02.93. Бюл. Р 4 (21) 3764444/25 (22) 03.-07. 84 (71) Институт оптики атмосферы

СО АН СССР .(72) А.Г.Боровой, А.В.Ивонин,,В.Я.Съедин и М.В.Кабанов (56) Афанасьев В.А. Оптические измерения.-M. Высшая школа, 1981 с. 229.

Лаксберг Г.С. Оптика.-М.: Наука, 1976, с. 292, (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключаю- . щийся в том, что исследуемое излучение пропускают через фокусирующую оптическую систему, определяют плос кость фокусировки излучения и по расстоянию от задней главной плос" кости оптической приемной системы до плоскости фокусировки определяют средний радиус кривизны волнового фронта, отличающийся тем, что, с целью увеличения -информативности определения за счет изме" рения дисперсии пространственных флуктуаций фазы излучения, исследуемое излучение перед пропусканием через фокусирующую систему пространственно амплитудно модулируют, в плоскости фокусировки измеряют интенсивность излучения в .точках, симметричных относительно оптической оси, а по флуктуациям интенсивности е определяют дисперсию пространственных флуктуаций фазы излучения.

)2

Изобретение бтносится к области измерения параметров излучения .и может быть использовано для оперативного дистанционного измерения среднего радиуса кривизны и пространственно-временных флуктуаций фазы излучения.

Целью изобретения является увеличение информативности способа эа счет однбвременного измерения среднего радиуса кривизны волнового фронта излучения и дисперсии пространственных флуктуаций фазы излучения относительно среднего радиуса кривизнь! волнового фронта излучения.

Физическая сущность изобретения заключается в использовании эффекта симметрии в пятнистой структуре ин-;енсивности рассеянного поля при освещении сферической волной амплитудного модулятора. Симметрия обусловлена свойствами Фурье-преобразования, следовательно, плоскость регистрацни для нашего случая должна совпадать с плоскостью Фурье-преобразования от объекта (в изобретении в качестве объекта выступает ампли тудный модулятор). Как известно, данная плоскость для сферической волнь| в однородной среде. определяется .плоскостью изображения точечного источника, при этом плоскость изображения строится по законам геометрической оптики и однозначно связана с кривизной волнового фронта формулой линзы. При распространении сферической волны в случайно-неоднородной среде радиус кривизны волнового фронта изменяется, при этом появляется эффективный радиус кривизны и плоскость настоящего иэображения точечного источника смещается.относительно плоскости изображения точечного источника, найденного по законам геометрической оптики. В дальнейшем плоскость настоящего. иэображения точечного источника будем, называгь плоскостью фокусировки (если речь идет о сферической волне) или плоскостью перетяжки (если речь идет о гауссовом лазерном пучке). При этом, 7 если применить формулу линзы к известным параметрам (фокусное расстояние f„, расстояние от задней I"ëBBèîé плоскости фокусирующей оптической системы до плоскости фокусировки или перетяжки), получим сред!!Лй ра-диус кривизны кэ!!у !елпя плоскоc!!;

20436 3 входа э фокусирующую оптическую сис:! ему.

Пространственные флуктуации фазы относительнo сферического волнового фронта приводят к нарушению симметрии в пятнистой структуре интенсивности плоскости фокусировки. Количественно нарушение симметрии можно описать корреляционной функцией о T =-< I(7} I(- ь) > - < Т(л)>< т (-n) >

= КЕ(К}Е (-Ы>! КЕ(МЕ(-ь,!> 1 „ а степень нарушения симметрии "ледует оценивать величиной отношения

15 К1/М, где Я вЂ” дисперсия интенсив- ности, :, ВУ;1(а} Я)>-< (& <1(У =

= KF (a;)E {a})t j

При представлении В $ и К (мы воспользовались нормалиэуюшими свойствами амплитудного модулятора, зто можно сделать если Й > 10 областей рассея-ния в амплитудном модуляторе, 25

Довести расчеты К! и Я до аналитических выражений не составляет тру да, если воспользоваться известной ! формулой

< pent(a bi)> =е Р(, рс !,!1 а,6 где Я вЂ” коммулянты !!!ункции .,t),Ðt :Г (a,á), H предположением о тождест35 венности рассеивающих областей B амплитудном модуляторе (например, рас= сеиватели одинакового радиус.a)-, то и е АехР 4««» 4 о )

tn>

К == A ехе(4(с!,Х ) + 46, ., „- 48 j где A — множитель, одинаковый для

KI u DI в случае, если приемники, излучения имеют одинаковую передаточ,ную функцию! (..., - усреднение по

45 ансамблю реализаций. а 1.г.х и B опр;деляются иэ представления исслед ваемо

ГO BOJtHOBOI O IIOJIR B BHPe

U{!! ) =Bхp(fIх+(5 о

Cig Х

50 — дисперсии величин с!х и 5, которые обычно называют уровнем и фазой волнового поля. ГледовлтеiII по, К1 /97

x v ) — 4 !э .

56, Иногда более удоб«о воспользоваться !п!ым выражением степени симметрии., с!!Я этого вначале «обходимо ::формирот!Лть !!е!!!нину,А i =- ) Л > — I - Й ) 3 l220 и проводить ее статистическую обработку. При этом

) -asap — фЯ

36 t, 1 2И (гдето д — дисперсия 41 .

5

Дополнительный анапиэ случайной величины д ((позволяет говорить о возможностях определения иных статистических характеристик фазы, например, о спектре флуктуаций фазы

Вследствие малых размеров отдельных пятен пятнистой структуры, достигающих . i --25 мкм, для реализации предлагаемого способа необходимо поместить плоскость фокусировки или перетяжки пучка в переднюю фокальную плоскость

Фурье-преобразующей оптической системы, имеющей фокальное расстояние (f„ (f — фокальное расстояние фоL 1 1 кусирующей оптической системы).

При этом в задней фокальной плоскости преобразующей системы получаем

Фурье-преобразования светового поля, существующего в плоскости фокусировки. Очевидно, что в силу двойного

Фурье-преобразования в задней фокальной плоскости будет сформировано уменьшенное изображение освещенной области амплитудного модулятора, покрытое шумами пространственных флуктуаций фазы исследуемого излучения. Дальнейшее распространение преобразованного светового поля за фокальной плоскостью подчиняется законам распространения в свободном пространстве. Во фраунгоферовай зоне относительно размеров изображения амплитудного модулятора. будем иметь симметрию пятнистой структуры излучения за счет Фурье-преобразования ют амплитудного модулятора и наруше40 ние симметрии за счет шумов от прост-! ранственных флуктуаций фазы в изобра,жении амплитудного модулятора. Не трудно показать, что пятнистые структуры интенсивности в .этой области идентичны картине в плоскости изобра-. жения точечного источника, но имеют иной масштаб. Увеличение масштабов производят изменением параметров преобразующей системы или изменением местонахождения плоскости регистрации, при этом удается получить увели. ченное. изображение пятнистой структуры в плоскости фокусировки в 10 раз и более, что является достаточным 55 для надежной регистрации пятнистой ,с руктуры.точечным источником. Конт 0.1ль совмещения гл(:: ."::асти фок(:с 1оав(y "i fj 4 ки исследуемого i;ÿëó÷å.ïíò с

Например, визуаяьным контра IpH са;мещения фокуса TIppîáðàçóþùåé системы с областью каустики сформированного исследуемого излучения; перемещением преобразующей оптической сис-. темы вдоль оптической оси до получения известного образа в плоскости регистрации, стоящей на расстояниях

R,, от фокусируюшей оптической систе1(1,К(,р) 2 „+2 „+ 100(, q„) Д, h длина волны излучения, Д вЂ” сечение амплитудного модулятора, освещаемое исследуемым излучением и ограниченное размерами факусирующей системы.

Для случая одинаковых круглых расВ сеивателей в амплитудном модуляторе перемещение совершается до получения известной функции распределения средней интенсивности в пятнистой структуре — функции Эйри. Обоснование выражения для RÄp будет дано (н.ике помещением на оптическую ось точечного приемника и определением каустики-путем перемещения фотоприемвика до нахождения его положения с минимальными флуктуациями электрического сигнала, порожденного световым излучением; контролем ов-. мещения плоскости фокусировки с фокусом по максимуму корреляции интенсивности в симметричных точках пятнистой с руктуры

Определение среднего радиуса кривиэпы волнового фронта можно про-. вести, если измерить расстояние (1 от задней главной плоскости фоку сирующей оптической системы до плоскости фокусировки перетяжки по

s,e, формуле Pi»= - - -, или измерить рас1 стояние f между задней фокальнои плоскостью приемной системы и передней фокальной плоскостью реобраэуюic, e,) щей системы R„= --. Знак определяется там, где расположена плоскость фокусировки исследуемого излучения. Если до заднего фокуса фокусирующей системы, то знак отрицательный, если за задним фоку= сам, то знак à — положг.тельный(. Эти выражения получаются пз гзлест. ого соотношения геом-тричсскай оптики формулы линзы и, т.к. указанное соотношение справедлива в ромк; х .т, рак;22063F, ВНИИПИ Заказ 1090

ТК/Р/EF

Подписное

Филиал ППП Патент", г. Ужгород., ул. Проектная., 4 сиального приближения геоиетри еской оптики, возникают естественные огра-. ничения на измеряемый диапазон радиуса кривизны вОлнОВОНО фрОнта

21 с „,(, которое нетрудно получить,. рассматривая схему экспериментальной установки, реализующей метод.

1О

Учет ограничений на диапазон исследуемых радиусов кривизны излучения позволяет записать расстояние

К от приемной оптической системы /EP до плоскости регистрации в эависимос- 1 ти от параметров оптических систем

1 ьор i 2f + 25 + 100 (g е ) 1 8ыра" ж ение дляI/, получено в рамках геомет//р рической оптики и Описывает явление

20 только качественно. Установлено экспериментально и теоретически, что 8 „,.„ реально существенно меньше. Этот факт отражен в конкретном примере реализации и ОбъЯснЯетсЯ ОтклОнениЯ ми от законов геометрической оптики, Это соотношение позволяет фиксировать плоскость регистрации относятельно приемной оптической системы при известных параметрах схемы, рса"/Q лиэующей способ, Способ реализуется на устройстве, изображенном на чертеже, где имеются исследуемый фазовый фронт 1, амплитудныймодулятор 2, фокусирующая оптическая система 3, фокальная плоскость 4 приемной Оптической сис-"5 темы 3, плоскость фокусировки HccJEe-. дуемого излучения 5, преобразующая оптическая система 6, задняя фокальная плоскость 7, плоскость регистралб ции 8, устройство измерения интенсивности 9 и блок 10 обрабатывающей аппаратуры.

Способ может быть реализован следующим образом: исследуемое излучение пропускается через амплитудный модулятор (размеры модулятора 2 см, в освещенном объеме находится 30 частиц диаметром :. 1 мм),. Затем. приемной фокусирующей системой, представляющей собой линзу диаметром /и

8 см с фокусным расстоянием 50 см, излучение фокусируется. Линза прсобразующе« оптиче-ко33 ги мь3 г фокусным расстоянием 2,5 см и диаметром /2 си устанавливается на олтическОЙ Оси между плоскостью фо3кусировки исследуемого излучения и лЛОСI/:ocTM/ регистрации H . перемещаpтcя до совмещения ее переднего фокуса с плоскостью фокусировки. Плоскость регистрации устанавливается HG расстоянки 2„5 м от Аокусирующей системы. В глоскости регистрации 8 устанавлива/отся приемники симиетрично оптической оси, Измеряются интенсивность в пространственной пятнистой структуре рассеянного излучения и дистанция 1, между фокальной плоскостью фокусируюшей системы и передней фокалъной плоскостью преобразующей системы б, В блоке 10 олределяк/тся дисперсия 3((((Л))

-- 1(É)>è корреляция Кt =/ .I (/./)t(-h}

- r)<3/} ) c((-/ } Оптических сигHBJIQB в пятнистой структуре рассеянного излучения, по которым вычисляется дисперсия пространственных /1/луктуа° Е /

Н13Й (/3331 ИН ГООТНО3!ИНИН 63 = - 1/// (/ ), k,(f -,)

Из с отношения g -- ---)-- --олоецеляется радиус кривизны исследуЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, Способ может быть использован для и;.Следования характеристик лазерного излучения, в частности лрошедшего через атмосферу, Пс измерениям характеристик этого излучения можно судить О 8 " как в чисто турбулентной атмосфере, так H в атмосфере, содержащей частиць1 примесей или Осадков.

ПО сравнениИ с извсстныии предложенный способ позволяет существенно расширить перечень измеряемых параметров, например, одновременно измерять радиус кривизны излучения, 2 дисперсию пространственных ф/луктуаций фазы, слектр флуктуаций фазы., Он лозволяе-. получить информацию О фнуктуациях амплитуды. Кроме того, сЕЕасо6 позволяет измерять игн/звеня ло пространственную дисперсию фазы ОТE/ocRTeJEüíÎ волновОгО фрОн

О среднни радиусом кривизны.