Дисперсионный интерферометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1775622 А 1 01,3 9/02 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВ осится к устроиствам ерсионной части пока- фазового объекта и моовано в оптической для диагностики плазх едуемым зеркало, ьтр и респерсищий рас- сточник ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР . ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения СО АН СССР(56) Пятницкий Л,Н., Рак С,Л., Ронькин В.АЯкушев Г.Г. Трехчастотный высокочувствительный лазерный интерферометр ПТЭ1983, М 5, с. 181-185.Авторское свидетельство СССРй. 864942, кл. 6 01 В 9/02, 1983.(54) ДИСПЕРСИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Изобретение отндля измерения диспзателя преломленияжет быть использпромышленности имы,Известны интерферометры для диагностики плазмы, работающие одновременно на двух и более длинах волн 1, .Известны также интерферометры 2- 4, обладающие рядом существенных пре имуществ: во-первых, в ни непосредственно измеряется дисперсион ный вклад в показатель преломления (в плазме он определяется электронами), а не вычисляется как разность двух больших ве личин; во-вторых, они обладают меньшей чувствительностью к паразитным вибраци ям оптических элементов. Такие интерферо метры называют дисперсионными.В качестве прототипа выбран дионный интерферометр 2, содержа положенные вдоль оптической оси и(57) Использование; в технике интерферометрических измерений для диагностики плазмы и в оптической промышленности. Сущность: в дисперсионный интерферометр, содержащий два нелинейных оптических удвоителя частоты, расположенных на одной оптической оси на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, дополнительно по ходу луча вводится светоделител ь и задается взаимная ориентация элементов, обеспечивающая независимую генерацию волн второй гармоники в каждом из удвоителей частоты и последующую интерференцию этих волн в ортогональных поляризациях, 2 ил,излучения с частотой и, два нелинейных оптических удвоителя частоты на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта; светофильтр и регистрирующее устройство,Возможен вариант выполнения интерферометра, согласно которому после первого нелинейного элемента, на расстоянии.обеспечивающем размещение исследуемого обьекта, перпендикулярно оптической оси расположено плоское зеркало.Схема устройства включает в себя источник излучения с частотой а, первый нелинейный элемент, после которого размещены исследуемый объект, второй нелинейный элемент, светофильтр и регистрирующее устройство.Во втором варианте за исслобъектом по ходу луча установленополупрозрачное зеркало, светофилгистрирующее устройство.Регистрирующее устройство в 2 представляет собой объектив и регистрирующий50 материал, Возможна фотоэлектрическая регистрация как в Я, (5), где обьектив и регистрирующий материал заменяетсяфотоприемником,Работа устройства по первому варианту 5осуществляется следующим образом, Приосвещении интерферометра лазерным излучением с частотой в, часть этого излучения преобразуется в излучение гармоники счастотой в 2 = 2 в 1 в первом нелинейном 10элементе. Таким образом, исследуемыйобъект просвечивается двумя длинами волнЛ 1 и Л 2 счастотами в ив . при прохождении через второй нелинеййый элемент частота вг частично преобразуется в длину 15волн Лг с частотой в 2, светофильтр обрезает излучение основной частоты, Следуяописанию, приведенному в 2, на выходеинтерферометра остаются две длины волны-Л 2 и Ж излучения гармоники, одна из которых( Л 2) преобразована из в до прохождения через объект, а вторая ( А. ) после/прохождения через него. Картина интерференции этих двух волн регистрируется вплоскости изображения объекта, образованного обьективом.Согласно второму варианту излучение счастотой в 1, освещающее интерферометр,частично преобразуется в излучение с частотой в 2 =2 в 1 при первом прохождениичерез удвоитель частоты, Обьект просвечивается двумя волнами Л 1 иЛ 2 с частотамив 1 и в 2, однако, каждая из этих волн в результате отражения от зеркала второй разпроходит через исследуемый объект и удвоитель частоты, при вторичном прохождениичерез удвоитель частоты волна Л 1 с частотой В 1 пРеобРазУетсЯ в волнУ Лгс частотойв 2. После отражения от полупрозрачного 40зеркала излучение основной частоты срезается, фильтром. Следуя описанию, приведеннвму в (2), в плоскости изображенияобъекта, образованного объективом, регистрирется картина интерференции волнЛ 2 и Лг, как известно, зависимость общейинтенсивности интерферирующих волн отих разности фаз ф =2 р 1 - а имеет вид= 13 + 1 р 2 /1112 СОЗф (1) где 1, 2 - интенсивности и 2 ф 1 в 1),р(2 в 1) - фазы волн, В работе устройства по первому и по второму варианту для определения абсолютных значе ний измеряемых величин используетсяследующий из (1) факт, что расстояние между максимумами интерференционной картины соответствует 2 л; При фотоэлектрической регистрации 3, 4) используе 1 ся тот же факт, либо то, что (б /О фвэх/)щах ви) = 1.Недостатком устройства являегся низкая точность, обусловленная неоднозначностью интерпретации результатов регистрации, Действительно, согласно численному решению системы уравнений для генерации второй гармоники с произвольными начальными условиями 5, б(аналитическое решение в некоторых предельных случаях приведено в приложении), период функции 2( ф) зависит от интенсивности основного излучения, длин кристаллов и может быть 2 л, д. Нормированная максимальная производная также может быть гораздо больше 1, Ошибочность описания работы устройства в том, что преобразование во вторую гармонику системой из двух произвольно взятых и произвольно ориентированных кристаллов нельзя рассматривать как интерференцию двух волн, рожденных независимо в каждом из кристаллов, Это связано с изменением дисперсионной разности фаз ф=2 р 1 - р 2 в процессе преобразования. Изменения становятся существенными, когда длина второго кристалла ) нп, (обозначения в приложении), Таким образом, устройство, описанное в прототипе, является нелинейным дисперсионным интерферометром.В отличие от других нелинейных интерферометров не имеет собственную нелинейность даже при линейной исследуемой среде, поскольку нелинейным является интерференционный элемент (второй кристалл),Целью предложенного изобретения является повышение точности дисперсионного интерферометра.Поставленная цель достигается тем, что в известный дисперсионный интерферометр, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник излучения с частотой в, два нелинейных оптических удвоителя частоты на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними исследуемого объекта, светофильтр и регистрирующее устройство дополнительно введены поляризационный светоделитель, установленный по ходу излучения за светофильтром, и второе регистрирующее устройство, при этом оба регистрирующих устройства оптически связаны с выходами светоделителя, удвоители частоты и поляризационный светоделитель ориентированы так, что 4 Й. Й- а углы между с в Щ - а также в иА при линейной поляризации излучения источника составляет 45 соответствен 775622но, где Ь- единичный вектор поляризации излучения источника, К и 1 единичные векторы поляризации второй гармоники, генерируемой первым и вторым удвоителями частоты соответственно, 1 - единичный вектор поляризации излучения, прошедшего светоделитель, При этом в первом нелинейном элементе преобразуется не более половины интенсивности зондирующего излучения. Отметим, что под оптическим удвоителем частоты понимается элемент, изготовленный и съ 1 остированный так, чтооы оптимальным образом генерировать вторую гармонику зондирующего излучения, проходящего через удвоитель в направлении синхронизма без заметного смещения и изменения поляризации. Способы их изготовления известны (5).Совокупность существенных признаков, изложенных в отличительной части формулы, является новой и обеспечивает положительный эффект, состоящий в повышении точности измерений вследствие устранения неопределенности регистрации.Действительно, задание взаимно ортогональной ориентации нелинейных элементов и введение линейного интерференционного элемента в виде поляризационного светоделителя позволяет получать интерференционную картину, для которой зависимость интенсивности второй гармоники от дисперсионной разности фаз вида= , .1, -2 ЧТ 6 сов 9, 1) не меняется при любых мощностях зондирующего излучения и длинах нелинейных элементов; Это происходит благодаря тому, что удвоение частоты во втором нелинейном элементе не зависит от второй гармоники генерируемой первым нелинейным элементом.Предлагаемое устройство изображено на фиг. 1 а. На фиг. 1 б схематично обозначена ориентация элементов и направление поляризации излучения (вид по ходу луча),Схема дисперсионного интерферометра включает в себя первый нелинейный элемент 1, после которого установлен оптический клин 2, исследуемый обьект 3, второй нелинейный элемент 4, светофильтр 5, поляризационный светоделитель б, объективы 7, 9 и регистрирующий материал 8, 10, На схеме ориентации элементов указаны Рг, Р- направления поляризаций быстрой и медленной волн в нелинейном элементе (показатели преломления нелинейных элементов для этих волн удовлетворяют условию птп),О),(1,)Ь, 1 й, с,1 с 1- единичные векторы поляризаций зондирующего излучения, второй гармоники, генерируемой первым и вторым нелинейным элементом излучения пропускаемого поляриэационным светоделителем и ортогонал ьн ы й ему.10Работа устройства осуществляется следующим образом. При освещении и 1 терферометра лазерным излучением с частотой со и поляризацией 1, составля 1 ощей угол 45 с Рт часть этого излучения преобразуется в излучение гармоники с частотой 2 ми вектором погяризации 12 1 Р г, пер пм(1) 1нелинейном элементе. Таким образо;., 1 с.следуемый объект и опти вский лин просвечиваются двумя волнами с частотами тл и 2 щ, При прохождении через второй нели нейный элемент, ориентированный ортогонально первому, то есть Р ( Рт, зондирующее излучение вновь преобразуется в волну га(омоники с частотой 2 ви 25 поляризацией 2 ю Ы 2 Ю Процесс преобра 2) (1)зования не зависит от гармоники, генерируемой первым нелинейным элементом, т.к, 21.Рт . Светофильтр 5 обрезает излучение(1) 2основной частоты, Остаются две волны частоты 2 й), ортогонально поляризованные, одна иэ которых преобразована до прохождения через объект, а другая - после.Каждая из волн раскладывается поляризационным светоделителем в прямом и перпендикулярном направлениях по поляризациям, параллельным 1 с и 1 с составляющим угол 45 с 12 и 12 Д . В каждом изо (1)направлений регистрируется картина интерференции этих двух волн в ортогональ ных поляризациях В плоскостяхизображения объекта 8, 10, образованных объективами 7, 9. Для калибровки используется оптический клин, Вектор поляризации зондируютего излученияве должен совпадать с Рти Р. Так как максимальный,2 1,2контраст интерференционной картины достигается при равных интенсивностях интерферирующих волн, то оптимальный угол МЕжду 1 ВИ 43 (1) СОВпадаЕт С Р 1) 45, 50 Если преобразование во вторую гармонику1 типа, то угол в 45 оптимален для эффективного преобразования.Из приведенного описания ясно, чтопреобразование зондирующего излучения 55 во вторую гармонику происходит в ортогональных поляризациях, а потому независимо в обоих нелинейных элементах. В этом случае период интерфере 11 цион ной картины всегда 2 1 т, а отнормированная максималь 1775622ная производная(ф)/(щах - вь) всегда 1 независимо от длины и нелинейной восприимчивости элементов и плотности мощности зондирующего излучения.5Необходимо дополнительно отметить технико-зкономические преимущества данного устройства перед прототипом, Из описания следует, что регистрируются две интерференционные картины во взаимно 10 ортогональных поляризациях и смещены по фазе друг относительно друга на й, то есть 8 с (Ф) = Кс,(Ф+ ж). При фотоэлектрической регистрации зто обстоятельство позволяет без затрат компенсировать нестабильность 15 мощности зондирующего излучения, используя разностный сигнал между прямым и перпендикулярным каналом. Это обеспечивает высокую чувствительность измерений - лучше 10 интерференционной 20 полосы. Таким образом, рассматриваемый дисперсионный интерферометр лишен неопределенности интерпретации результатов 25 регистрации и позволяет обеспечить высокую точность абсолютных и относительных измерений. Формула из об рете н и я Дисперсионный интерферометр, содержащий расположенные вдоль оптической оси источник излучения с частотой и. два нелинейных оптических удвоителя частоты на расстоянии, обеспечивающем размещенйемежду ними исследуемого объекта,. светофильтр и первое регистрирующее устройство, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены поляризационный светоделитель, установленный по ходу излучения эа светофильтром, и второе регистрирующее устройство, при этом оба регистрирующих устройства оптически связаны с выходами светоделителя,удвоители частоты и поляризационный светоделитель ориентированы так, что ЩОК, а углы между с и фы, а также ,ди 1 2 Ы при линейной поляризацииизлучения источника составляют 45 соответственно,.где - единичный вектор поляризации излучения источника;ы иъ -(1 (2) единичные векторы поляризации второй гармоники, генерируемой первым и вторым удвоителями частоты соответственно; с - единичный вектор поляризации излучения, прошедшего светоделитель.1775622 Составитель В.Драце Техред М. Моргентал екто труш едак ГКНТ. СССР аказ 4029 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 город, ул.Гагарина, 10 Производственно-издательский комбинат "Патент".РР ожо юЕ гм е ы ГанрОЭ ЖФсам Лодаж а- -ащчсЪаыг ЯУ 4,к рюлг Фи 8 2