Автокоррелятор световых импульсов

 

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для измерения длительности сверхкоротких лазерных импульсов методом регистрации автокорреляционной функции интенсивности. Применение изобретения позволит упростить конструкцию и юстировку автокоррелятора. Данный результат достигается тем, что в автокорреляторе, содержащем делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки. В схему также введены вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка и два зеркала, установленные на одной оптической оси, при этом главная плоскость второй пластинки совпадает или перпендикулярна главной плоскости первой пластинки, первое зеркало выполнено полупрозрачным и установлено под углом к оптической оси перед пластинками, второе зеркало установлено за пластинками перпендикулярно к оптической оси, причем второе зеркало оптически сопряжено с узлом регистрации через первое зеркало. 1 ил.

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для измерения параметров лазерного излучения.

В лазерной технике известны автокорреляторы, предназначенные для измерения длительности сверхкоротких световых импульсов методом регистрации корреляционной функции интенсивности двух импульсов, полученных делением амплитуды исходного импульса, причем один из импульсов следует с регулируемой задержкой [1] Cхема автокоррелятора аналогична схеме интерферометра Майкельсона и содержит делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, вносящую регулируемое запаздывание в один из пучков, узел совмещения прямого и задержанного пучков и приемное устройство, осуществляющее функцию перемножения интенсивностей пучков на основе эффекта генерации второй гармоники в нелинейном кристалле. Известные схемы автокорреляторов различаются устройством линии задержки.

Недостатком известных автокорреляторов является сложность конструкции и настройки, связанная с необходимостью точной взаимной юстировки всех элементов схемы.

Наиболее близким к заявляемому устройству является принятый за прототип автокоррелятор [2] Прототип содержит делитель пучка, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, два концевых отражателя, один из которых может поступательно перемещаться, образуя линию переменной оптической задержки, и приемное устройство. Два пучка, полученные после делителя, отражаются от концевых отражателей, совмещаются на полупрозрачном зеркале по сечению и направлению и направляются на приемное устройство.

Недостатком прототипа, как и других автокорреляторов, является сложность конструкции и юстировки схемы.

Задача, которая решалась при разработке заявляемого устройства, заключалась в том, чтобы разделить исходный пучок на два и внести заданное запаздывание одного пучка относительно другого, оставляя их пространственно совмещенными. Результатом этого явилось бы существенное упрощение конструкции и юстировки автокоррелятора.

Указанный результат достигается в автокорреляторе световых импульсов, содержащем делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающемся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки, а также в схему введены вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка и два зеркала, установленные на одной оптической оси, при этом главная плоскость второй пластинки совпадает или перпендикулярна главной плоскости первой пластинки, первое зеркало выполнено полупрозрачным и установлено под углом к оптической оси перед пластинками, второе зеркало установлено за пластинками перпендикулярно к оптической оси, причем второе зеркало оптически сопряжено с узлом регистрации через первое зеркало.

Сущность изобретения заключается в том, что деление светового пучка на два и задержка одного пучка относительно другого реализуются в двулучепреломляющей пластинке, при этом один пучок является обыкновенной волной, а другой необыкновенной; каждая из волн распространяется со своей групповой скоростью. Величина относительной задержки равна алгебраической сумме задержек, которые вносят две пластинки, и зависит от угла между оптической осью пластинки и осью пучка в каждой пластинке.

Первая двулучепреломляющая пластинка вносит переменную задержку, величина которой изменяется при повороте пластинки. Вторая двулучепреломляющая пластинка установлена так, что она вносит фиксированную задержку противоположного знака по сравнению с задержкой, которую вносит первая пластинка. Благодаря этому: суммарная задержка в двух пластинках может быть как положительной, так и отрицательной; регистрируется полная автокорреляционная функция; путем выбора величины фиксированной задержки рабочая точка автокоррелятора ( τ₃0) устанавливается на квазилинейном участке зависимости величины задержки от угла поворота первой пластинки.

Пучки, прошедшие две пластинки в прямом направлении, отражаются от второго зеркала и вторично проходят пластинки в обратном направлении. Благодаря этому: величина задержки увеличивается в два раза по сравнению с одним проходом; для обеспечения заданной задержки можно использовать пластинки вдвое меньшей толщины; компенсируется переменный поперечный снос пучков, вызванный преломлением в первой подвижной пластинке.

компенсируется поперечное расщепление пучков, вызванное двулучепреломлением в пластинках.

Полупрозрачное зеркало отражает пучки на приемное устройство.

Пучки, прошедшие пластинки в прямом и обратном направлениях, совмещены и имеют заданную относительную задержку; пучки поляризованы в ортогональных плоскостях. В конструкции автокоррелятора отсутствуют сложные юстировочные узлы, линия задержки упрощена, величина задержки может устанавливаться и контролироваться с высокой точностью.

На чертеже показана оптическая схема устройства.

На схеме и в тексте приняты следующие обозначения: 1 оптическая ось пучка, 2 первое (полупрозрачное) зеркало, 3 первая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка, 4 вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка,
5 второе зеркало,
6 приемное устройство.

Устройство состоит из расположенных на оптической оси пучка 1 полупрозрачного зеркала 2, подвижной двулучепреломляющей пластинки 3, неподвижной двулучепреломляющей пластинки 4, зеркала 5 и приемного устройства 6. Пластинка 3 совмещает в себе функции делителя пучка, линии переменной оптической задержки и узла совмещения пучков. Примем для определенности, что пластинки 3 и 4 вырезаны из одного материала, главная плоскость пластинки 3 горизонтальна, главная плоскость пластинки 4 вертикальна. Пластинка 3 может поворачиваться вокруг оси О-О, перпендикулярной к главной плоскости пластинки 3. Плоскость поляризации пучка на входе в устройство наклонена под углом 45^о к главной плоскости пластинки 3.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Излучение, прошедшее полупрозрачное зеркало 2, делится в первой пластинке 3 на две волны обыкновенную и необыкновенную, поляризованные соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Каждая из волн распространяется со своей групповой скоростью и выходит из пластинки 3 с определенным временным запаздыванием. Во второй пластинке 4 волна, бывшая обыкновенной, становится необыкновенной и наоборот. Суммарная задержка одной волны относительно другой после прохождения через пластинки 3 и 4 в прямом направлении равна:
τ₃ -l₁sin²Φ₁-l₂sin где l₁, l₂ толщина пластинок 3 и 4 вдоль оси пучка 1;
с скорость света;
Δ η η_o η_e разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн;
λ длина волны излучения;
Φ₁ угол между оптической осью Z₁ первой пластинки 3 и осью пучка 1;
Φ₂ угол между оптической осью Z₂ второй пластинки 4 и осью пучка 1.

Далее пучки отражаются от зеркала 5 и проходят через пластинки 4 и 3 в обратном направлении, при этом относительная задержка удваивается, и отражаются зеркалом 2 на приемное устройство 6. Пучки, прошедшие пластинки 3 и 4 в прямом и обратном направлениях, имеют одинаковую амплитуду, совмещены по сечению и направлению распространения и имеют относительный временной сдвиг 2 τ₃ При вращении пластинки 3 вокруг оси О-О задержка периодически изменяется, что позволяет регистрировать автокорреляционную функцию светового импульса за каждый оборот пластинки 3.

Два пучка, прошедшие пластинки 3 и 4, поляризованы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Если в приемном устройстве 6 для генерации второй гармоники используется 2-ой тип взаимодействия, ось нелинейного кристалла ориентируется в вертикальной или горизонтальной плоскостях, если используется 1-ый тип взаимодействия, ось кристалла ориентируется в плоскости, наклоненной под углом 45^о к указанным плоскостям.

Для измерения длительности спектрально-ограниченных импульсов могут использоваться автокорреляторы с регистрацией корреляционной функции амплитуд (интенсивности интерференции прямого и задержанного импульсов). В этом случае генератор второй гармоники не используется, а для обеспечения интерференции прямого и задержанного импульсов перед приемником излучения 6 устанавливается соответствующим образом ориентированный анализатор.

Зеркало 5 может быть наклонено к оптической оси 1 под небольшим углом, достаточным для того, чтобы пространственно разнести падающий и отраженный пучки и сместить зеркало 2 с оптической оси пучка, входящего в устройство. Тогда зеркало 2 может быть выполнено полностью отражающим и чувствительность автокоррелятора существенно возрастет.

По данному техническому решению были проведены расчеты величины относительной задержки между импульсами и уширения импульсов за счет дисперсии групповых скоростей в материале пластинок. Расчеты проводились для группы кристаллов, широко используемых в нелинейной оптике. Расчеты показывают, что при толщине пластинок 1-3 мм (кристаллы ВВО, DKDP) задержка достигает ± 300 Фс при уширении импульсов менее 10 Фс в диапазоне длин волн 1,1-1,3 мкм. В данном спектральном диапазоне работает фемтосекундный лазер на форстерите с примесью ионов хрома (Cr⁴⁺:Mg₂SiO₄).

Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и расчетные характеристики устройства.

Формула изобретения

АВТОКОРРЕЛЯТОР СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающийся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки, в схему также введены вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка и два зеркала, установленные на одной оптической оси, при этом главная плоскость второй пластинки совпадает или перпендикулярна главной плоскости первой пластинки, первое зеркало выполнено полупрозрачным и установлено под углом к оптической оси перед пластинками, второе зеркало установлено за пластинками перпендикулярно к оптической оси, причем второе зеркало оптически сопряжено с узлом регистрации через первое зеркало.

РИСУНКИ

Рисунок 1