Способ измерения пространственной когерентности источников света и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ пц736236 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 131 27б (21) 2429б87/18-25 „г

Н 01 S 3/00 а 03 Í 1/00 с присоединением заявки М 2545741/18-25

Государственный комитет

СССР по дел ам изобретен и и и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 25.0580, Бюллетень К9 19

Дата опубликования описания 30. 05. 80 (53) УДН 621. 375. 8:

:772,99(088.8) (72) Автор . изобретения

Л. В. Танин (71) Заявитель

Институт физики. AH Белорусской CCP (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ

КОГЕРЕНТНОСТИ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к голографии и может быть положено в основу когерометров, позволяющих определить степень пространственной кагерентности излучения как непрерывных, так и импульсных оптических квантовых генераторов.

Известен способ исследования параметров когерентности источников света (1), основанный на создании при помощи голографического интерферометра сдвига двух одинаковых но сдвинутых на угол p(, волновых полей, повторяющих поле исследуемого источника, в результате чего, в области 15 перекрытия этих волновых полей пояВляются интерференционные полосы, интенсивность которых регистрируется с помощью фотоумножителя, по измерен.ным значениям максимальной и мини- 20 мальной интенсивности поля интенференции вычисляют видность В интерференцяонной картины по формуле

tKDKc мин) /(3ме с мин)

Зная Функцию видности В и интенсивность интерферирующих пучков в произвольной точке Q плоскости наблюдения, в окрестности которой измеряется контраст интенференционной кар- 30 тины, получают информацию о параметрах когерентности.

Область применения этого способа ограничена, так,например, он не позволяет проводить исследования пространственной когерентности импульсных источников света, длительность

-12 излучения которых 10 8 — 10 с, поскольку в этом случае необходимо было бы создать регистрирующую интенсивность систему, позволяющую за время 10 — 10 с просканировать

-8 -тг интерференционное поле, созданное голограммой (интерферометром сдвига), что невозможно вследствие инерционности приемников света. Следовательно, этот метод может быть использован в основном лишь для исследования параметров когерентности непрерывных источников света. Устройство для осуществления указанного способа состоит из голографического интерферометра сдвига, линзы, фотоумножителя.

Линза устанав.чивается между источником и кнтерферометром сдвига так, чтобы они находились в передней и задней фокальных плоскостях этой линзы, в результате чего масштаб интерференционных полос По

736236

;)„() =)3(R,r)d R=Cl (У)i j p(R))yl d R> I)4) где 3н — интенсивность восстанавливающего луча; J (R) — интенсивность излучения н точке R торца лазера. Предположив, что зависит лишь от х

r — R перейдем к правой части формулы (1) от интегрирования по d R к интегрированию по с х. Тогда д (<> С р l)) (a>! Й Х. ф

Значение константы с может быть рассчитано, но как легко увидеть, усло- 40 вие нормировки ((o)P. = 1 делает величину этой константы несущественной для построения распределения J f (r) j

Уравнение (2) является интегральным уравнением с разностным ядром и может быть решено разложением в интеграл Фурье. Тогда имеется где константа С непосредстненно определяется из услония (o) = 1.

Таким образом, для вычисления аппраксимационной однородной функции

I I((»1 необходимо экспериментально определить значение интегральной интенсивности J>(r) и распределение интенсивности по торцу. лазера 3<)(r).

Дальнейшие расчеты могут быть проведены на ЭВМ или аналитически с использованием аппроксимаций функции N идр

На фиг. 1 дана схема устройства, реализующего предлагаемый способ и

60 б5 ка света; 3 (r) — исходное распределение интенсивности исследуемого источника. света; с — константа, определяемая из условйя (о) = 1.

В устройство для реализации способа вводят дополнительно линзу, расположенную между голограммой и фотоумножителем, и блок регистрации исходного распределения интенсивности исследуемого источника света, соединенный входом с блоком записи голограмм, а выходом с блоком вычисления степени пространственной когерентности.

Запись голограммы ведется по известной схеме. Однако на этапе восстановления изображения малым участком голограммы, измеряется не дифферен- 15 циальная интенсивность в точке R изображения, восстановленного при освещении точки r голограммы )(к, r) а интегральная интенсивность от всего

2 изображения )„(r) = I 3 (R r) d Ri что 2() достигается фокусировкой всего иэображения на входе ФЭУ. Тогда имеет следующее соотношение, связывающее 3„(r) и y(R, r) f мерения пространственной когерентности источников снета; на фиг. 2 и 3 представлены кривые зависимости Функции пространственной когерентности (ФПК) от расстояния между точками на торце лазера, определенные предлагаемым и известным способами соответственно.

Устройство для реализации способа состоит иэ блока 1 записи голограмм диффузного крана, блока 2 регистрации исходного распределения интенсивности исследуемого источника света, блока 3 восстановления волнового поля источника,. блока 4 регистрации интегральной интенсивности, блока 5 Bblчисления степени пространственной когерентности, входами подключенного к выходам блока 4 регистрации интегральной интенсивности и блока 2 регистрации исходного распределения интенсивности ° Блок 1 записи голограмм состоит из исследуемого, лазера 6, прямоугольной диафрагмы 7, поворотных зеркал 8 и 9, линзы 10, проецирующей изображение торца лазера на диффузный экран 11, линзы 12, проецирующей изображение торца лазера 6 на фотопленку 13 (Микрат-900). Блок 3 восстановления волнового поля источника состоит из измерительного лазера 14, диафрагмы 15, голограммы 16 диффузного экрана, собирающей линзы 17, фотоумножителя 18. Измерительный лазер перемещается с помощью координатного устройства в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Запись голограмм диффузного экрана

11, на который проецируется исследуемое сечение источника света производилась в блоке 1 записи, изображенном на фиг. 1, В качестве исследуемого источника света использовался лазер

6 на красителе родамине 6 G с лазерной накачкой. Вплотную к торцу лазера располагалась прямоугольная диафрагма 7. Световой пучок лазера на красителе делили на два с помощью зеркал 8 и 9. Линзы 10 и 12 проецировали торец лазера б на диффузный экран 11 и на фотопленку 13, типа Микрат-900, на которой осуществлялась голографическая запись. Исходное распределение интенсивности по торцу лазера б определялось н блоке 2 методом фотографической фотометрии.

Затем изображение диффузного экра на 11 восстанавливалось малым участком голограммы 16. Пучок Не-Ne (гелий-неонового) восстанавливающего лазера 14, проходя через диафрагму

15, диаметром 1 мм, перемещался по голограмме 16 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вся интенсивность восстановленного иэображения диффузного экрана фокусировалась линзой 17 на вход фотоумножителя 18, который связан с блоком . 4 регистрации

736? 36

Сравнивая кривые на фиг. 2 я 3, видим, что хотя ряд деталей в поведении 1- не отражается н интегральной кривой, в целом обе кривые фиг. 2 и фиг. 3 имеют сходный нид. Так зона когерентности, определенная »з условий (- = 1/2, полученная интегральным методом, составляет 0,57 м«}, а голографическим методом 0„50 м . Измерения степени пространственной ко-герентности были проведены для одной и той же вспышки лазера на кра-.èòåëå родамине 6 G с лазерной накачкой. Для сравнения чувствительности интеграль- 4Д ного (описываемого) и голограф»ческсго способов измерения провод»лись каждым способом по отдельности относительно одной и той же точки торца лазера.

Наблюдаемые расхождения но многом могут быть связаны с простейшей аппроксимацией распределений д,, и «1 — гауссовым законом. В этом простейшем приближении связь между полушлрипам»

)„,) язадается соотношением

Х (ЯХ -х )

1 А -К а . и

Описываемый интегральный метод oïðåделения функции пространстненнзй когепентности (ФПК) позволяет опр:-деллть точный вид "- для однородных

ФПК, а в случае, когда ФПК неоднород,на, он дает значение аппроксимирующей однородной функции у

Проведенные голографическим и интегральным способами измерения функции пространственной когерентности лазера на красителе родамине 6 С с лазерной нахачкой показали, что оба 0 где 3 (r) — интеграль ая интенсив=

И ность восстановленного изображения источника света; )о (r) — исходное . распределение интенсивности источни- . ка света;с — константа, определяемая из услония ) у}(0) (= 1, В исследованиях функции пространственной когерентности (ФПК) излучения лазеров число точек торца лазера, между которыми устанавл»вается корреляция N порядка 200, следовательно при использовании предлагаемого интегрального метода необходимо -400 измерений, при использовании голографического метода -40000 измерений.

65 Применение предлагаемого техническоинтегральной интенсивности. С блока

2 регистрации исходного распределения интенсивности ),,(г) и с блока 4 регистрации интегральной интенсивности Q„(r) информация поступает н блок

5 вычисления, где производится расчет функции-пространственной когерентности.

Результаты измерения «}„(r) » )о(r) (см. формулу 3) показали, что они могут быть аппроксимированы гауссоным законом где х>, у, х, у — соотнетст зующие экспериментально определенные констан- ты. Тогда для )g (х)) имеем

Подставляя н формулу (5) значение хс, и х„, находим среднее значение ).-() I, эти cIIocoo3 достаточно х зрошо описывают функцию пространственной когерентности и=следуемого лазера.

Описанная принципиальная схема осуществления способа исследован»я пространственной когерентности излучения источников света доказывает, что этот способ может быть использован для определения функций пространственной когерентности как непрерывных, так и импульсных источников снета. Этот

cïoñîá позволяет определить точный нид функции пространственной когерентности, если функция исследуемого источника однородная, если же она неоднородна, то получим среднее значение функции пространственной когерентности излучэния, что является достаточно информативной характеристикой состояния когерентности .

Для подтверждения преимущества предлагаемого изобретения парад из— нестным голографическим способом приводятся расчеты:

1. Для определения функции пространственной когерентности излучения между N точками торца лазера друг с другом голографическим способом необ2 ходимо N измерений, поскольку где 3(г„гg ) — »Hòåícèâíoñòü иэображения в точке г.. при восстановлении в точке „ голограммы; 3(r„, r„) — интенсивнбсть изображения н точке r°.

1 при восстановлении н точке г„. голограммы; 0(г,x .) -- интенсивность изображения н точке г при носстанонлении в точке r ° голограммы.

2, Для определения функции пространственной когерентности между точками торца лазера интегральным методом потребуется 2 N измерений, 736236

ro решения по сравнению с известным даст возможность на два порядка ускорить процесс измерения пространственной когерентности излучения как непрерывных, так и импульсных оптических квантовых генераторов за счет измерения интегральной интенсивности вос

5 становленного изображения исследуемого источника света.

Формула изобретения

1. Способ измерения пространственной когерентности источников света, заключающийся в записи голограммы диффузного экрана, на который проецируется исследуемое сечение волн вого поля источника, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью ускоре- . ния процесса измерений, измеряют исходное распределение интенсивности исследуемого источника света, регист- 3Q рируют интегральную интенсивность от всего восстановленного иэображения путем сканирования по голограмме узким пучком восстанавливающего лазера и определяют степень пространственной когерентности излучения исследуемого источника света по формуле И р» z

Q 0) у(н)I =с ) д ре Р" о( )р(ие р" Ъ где J>(r) — интегральная интенсивность восстановленного изображения источника светау 3p(t) — исходное распределение интенсивности исследуемого источ ника света; с — коистанта, непосредственно определяемая из условия ф(о) 1.

2, Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее блок записи голограмм диффузного экрана, блок вос становления волнового поля источника, состоящий из лазера, диафрагмы, голограммы диффузного экрана, фотоумножителя, координатного устройства для перемещения источника света, блок регистрации интенсивности, блок вычисления степени пространственной когерентности, причем фотоумножитель через блок регистрации интенсивности связан с блоком вычисления степени пространственной когерентности, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены линза, расположенная между голограммой и фотоумножителем,-и блок регистрации исходного распределения интенсивнос-.и исследуемого источника света, соединенный входом с блоком записи голограмм, а выходом с блоком вычисления степени пространственной когерентности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Голография. Методы и аппаратура. — Под. ред. В, М. Гинзбург, S. .M. Степанова. — М.: Советское радио, 1974, с. 309-314.

2. Стаселько Д. И. и др. Голографический метод измерения функций пространственной когерентности. — Оптика и спектроскопия, 1973, т. 34, Р 3, с. 561 (прототип) .

736236 ц И о6 а8

Вг.у

Составитель Е . Артамонова

Редактор Л. Гребенникова Техред М.Кузьма Корректор 10.Макаренко

Заказ 2437/43 Тираж 844 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4