Способ определения ширины спектральной линии лазерного излучения

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Сущность: для измерения ширины спектральной линии лазерного излучения направляют его на устройство обращения волнового фронта с изменяемым объемом рабочего вещества протяженностью l ≫ l_когер. (где l_когер. - длина когерентности излучения). Измеряют интенсивность обращенного излучения, постепенно изменяя объем рабочего вещества. При изменении интенсивности обращенного излучения прекращают изменять объем рабочего вещества и измеряют длину z этого участка, которая будет равна эффективной длине взаимодействия (длине когерентности) и связана с шириной ΔV спектральной линии соотношением: z = l_когер. = c/(nΔV) где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления рабочего вещества. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерений, в частности к измерению спектральных характеристик оптического излучения, например ширины спектральной линии лазерного излучения.

Изеестны различные методы измерения спектральных характеристик светового излучения: спектроскопический, интерферометрический, гетеродинный, статистический.

Для измерения спектральных характеристик лазерного излучения, характеризующегося высокой когерентностью, предпочтительны (в силу их высокой точности) последние три. При этом гетеродинный и статистический методы измерений (аналоги) применяются соответственно для измерения линий шириной до 10⁷ и 10⁶ Гц, однако они сложны в осуществлении и трудоемки.

Наиболее близким по технической сути к изобретению является интерферометрический способ, при котором с помощью интерферометра Фабри-Перо с изменяемой длиной оптического пути образуют стоячие световые волны, узлы и пучности которых для разных спектральных составляющих измеряемого оптического излучения смещены в пространстве. С помощью линзы в ее фокальной плоскости формируют интерференционную картину-систему концентрических колец, ширина Δr и радиус r которых связаны с частотой ν и шириной спектральной линии Δν соотношением: Δν = , где f - фокусное расстояние линзы.

Изменяя оптическую длину пути в эталоне Фабри-Перо и разместив в центре кольцевой картины точеную диафрагму, через которую бы проходил свет в узком диапазоне частот, а также расположив за диафрагмой фотодетектор, можно развернуть во времени распределение интенсивности в пределах интерференционной картины, т.е. измерить ширину спектральной полосы.

Недостатком прототипа является то, что предъявляются жесткие требования к качеству формирующей оптики, в частности - эталона; среднеквадратичное отклонение пластины эталона от плоскости не должно превышать λ/100. Кроме того, поскольку эталон имеет ограниченную область дисперсии, т.е. область длин волн, где нет перекрытия соседних порядков дифракции, существует ограничение на диапазон рабочих (измеряемых) длин волн, что также неудобно.

Цель изобретения - упрощение процесса определения и расширения рабочего спектрального диапазона.

Это достигается тем, что исследуемое лазерное излучение через оптическую формирующую систему направляют на фотоприемник и измеряют изменение интенсивности исследуемого излучения, которое обращают, используя устройство обращения волнового фронта (УОВФ). Упомянутое устройство выполняется с возможностью изменения объема рабочего вещества длиной L, причем L>>L_к, где L_к - длина когерентности.

Затем изменяют объем рабочего вещества УОВФ и измеряют интенсивность исследуемого излучения. Изменение объема осуществляют до тех пор, пока не произойдет изменение интенсивности обращенного излучения. Для данного объема измеряют длину рабочего вещества, которую принимают за эффективную длину когерентности L_эк, ширину спектральной линии определяют по формуле: Δν = c˙ (n˙ L_эк)^-1, где с - скорость света в вакууме, м/с; n - показатель преломления рабочего вещества УОВФ; Δν - ширина спектральной линии, Гц; L_эк - измеренная эффективная длина когерентности, м.

Определение ширины спектральной линии предлагаемым способом не предъявляет высоких требований к качеству элементов оптической схемы измерений, поскольку эффект ОВФ обеспечивает компенсацию искажений фронта измеряемого излучения, вызванных средой распространения оптического излучения. Кроме того, поскольку эффект ОВФ основан на явлении вынужденного рассеяния Мандельштама-Брилюэна (ВРМБ), то обращенная волна возникает в светоупругой среде при ее облучении в широком диапазоне электромагнитных колебаний, а именно перекрывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны.

На фиг.1 представлен график изменения интенсивности I₁ обращенного излучения в зависимости от длины L участка капилляра, заполненного рабочим веществом, например светоупругой жидкостью; на фиг.2 - вариант конкретного выполнения устройства, реализующего описанный выше способ.

Устройство содержит источник 1 лазерного излучения, первую линзу 2, первую светоделительную пластину 3, вторую светоделительную пластину 4, вторую линзу 5, капиллярный световод 6 постоянного сечения, светоупругую жидкость 7, компрессор 8, первый фотодетектор 9, второй фотодетектор 10, регистрирующее устройство 11.

Излучение лазера 1 интенсивностью I_о (накачка) через формирующую оптику 2, 5 попадает в устройство ОВФ на основе капиллярного световода 6, заполненного светоупругой жидкостью, например бензолом на участке длиной L > L когерент. В световоде возникает обращенная назад волна с интенсивностью I₁. В режиме насыщения справедлива зависимость: I₁ = I_o - I_пор, (1) где I_пор - пороговое значение накачки, при которой образуется обращенная волна.

I_пор = μ (G Z)^-1, (2) где G - коэффициент усиления нелинейной среды (светоупругой жидкости); μ - пороговый инкремент усиления; Z - эффективная длина взаимодействия излучения с жидкостью. В свою очередь Z = . (3)
Измерение ширины спектральной линии Δν основано на экспериментальном определении эффективной длины взаимодействия Z и последующем расчете.

Перед началом измерения капиллярный световод 6 заполняется светоупругой жидкостью на участке длиной L. Включается излучение накачки с интенсивностью, достаточной для образования обращенной волны. При L > Z, I_пор = const, I₁ = const. С помощью светоделительных пластин 3, 4 и фотоприемников 9, 10 регистрирующее устройство 11 фиксирует интенсивности излучения накачки I_о и обращенного излучения I₁. Изменяя давление воздуха (с помощью компрессора 8), подаваемого в задний торец капилляра, изменяют длину L участка световода, заполненного жидкостью, которая вытесняется через передний торец световода.

При достижении L ≅Z в соответствии с (2) начинает увеличиваться I_пор. Увеличение I_пор при постоянном I_о вызовет по формуле (1) уменьшение интенсивности I₁ обращенной волны (фиг.1) на величину ΔI₁, что будет зафиксировано регистрирующим устройством 11.

Таким образом, как только длина L заполненного жидкостью участка световода станет меньше величины Z, регистрирующим устройством будет зафиксировано уменьшение интенсивности обращенной волны I₁ на величину ΔI₁. После этого прекращают изменять давление воздуха, подаваемого компрессором в задний торец световода, определяют (измеряют) эффективную длину Z взаимодействия излучения с веществом и по формуле (3) находят ширину спектральной линии Δν , поскольку Z = L_когер.

Для оценки точности измерения Δν продифференцируем соотношения (2,3):
ΔZ = Z²ΔI₁, (4)
δ(Δν) = ΔI₁, (5) где ΔI₁ - изменение интенсивности обращенной волны, различаемое регистрирующим устройством;
ΔZ - погрешность измерения эффективной длины взаимодействия;
δ( Δν ) - погрешность определения ширины спектральной линии Δν .

Было проведено экспериментальное определение параметров Z, ΔZ, Δν , δ (Δν ), при этом использовались капиллярный световод с внутренним диаметром 100 мкм, заполненный бензолом, гранатовый лазер в импульсном режиме. При мощности накачки I_о = 1,5 кВт, I₁ = 600 Вт, ΔI₁ = 60 Вт были получены следующие результаты: Z = = 1,8 м; ΔZ = 0,15 м; Δν = 1,1˙ 10⁸ Гц, δ (Δν ) = 1,3˙10⁷ Гц. Для повышения точности измерений следует повышать точность измерения регистрирующего устройства.

Использование предлагаемого способа измерения ширины спектральной линии лазерного излучения на основе эффекта ОВФ обеспечивает снижение требований к качеству оптических деталей формирующей оптики, расширение диапазона рабочих длин волн, снижение трудоемкости измерений.

Может применяться побочно при других использованиях устройство ОВФ, например при исследовании и компенсации турбулентности атмосферы. когда важно контролировать спектральный состав излучения, для этого не требуется специальной оптической схемы.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в том, что исследуемое лазерное излучение через оптическую формирующую систему направляют на фотоприемник и измеряют изменение интенсивности исследуемого излучения, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса определения и расширения рабочего спектрального диапазона, исследуемое излучение обращают, для чего используют устройство обращения волнового фронта, выполненное с возможностью изменения объема рабочего вещества длиной l, причем l >>>> l_к где l_к - длина когерентности, изменяют объем рабочего вещества устройства обращения волнового фронта и измеряют интенсивность исследуемого излучения, изменение объема осуществляют до тех пор, пока не изменится интенсивность обращенного излучения, для данного объема измеряют длину рабочего вещества, которую принимают за эффективную длину когерентности, а ширину Δ ν спектральной линии определяют по формуле
Δ ν = c (n˙l_э.к)^-1 ,
где c - скорость света в вакууме;
n - показатель преломления рабочего вещества устройства обращения волнового фронта;
l_э.к - измеренная эффективная длина когерентности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2