Способ определения оптической плотности фазовых объектов и устройство для его осуществления

(19) (1) 4 (51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЫТЮОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ РБ), А.Г. Жигл , А.Н, СамохинЖданова Островская Г.В ехника и практи"Наука" р. Л. СЬеш,.1. ТЬгазЬ 5, 4659, 19 .Э. ЧЬСе ТЬ Л. 45, 339,е Ве 11 Яуз.1966 (протот есЬп(54);СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙПЛОТНОСТИ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙ-СТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двухлучевойинтерферометрии, заключающийся втом,что излучение активной среды,распространяющееся в плечах интерферометраполяризуют во взаимноперпендикулярных направлениях, о т -л и ч а ю щ и й с я .тем, что, сцелью повышения чувствительности прирасширении спектральной областиизмерений путем обеспечения когерентности поляризациойных составляющих"излучения активной среды, излучениеактивной среды инициируют внешнимисточником поляризованного света.2. Устройство для определения оптической плотности фазовых объектов, содержащее двухлучевой интерферометр со скрещенными поляризаторами в плечах последнего, кювету с красителем, оптически связанную через линию задержки с блоком накач" ки, и зеркало, плотность которого расположена параллельно плоскостям 1139977зеркал интерферометра, образующих с последними и кюветой лазер на красителе, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластинка, а между блоком накачки и клиновидной пластинкой расположен блоквнешнего инициирующего поляризованного излучения.4Изобретение относится к оптической измерительной технике и можетбыть использовано при исследованияхсвойств прозрачных сред, например,при измерениях величины аномальнойдисперсии, значений показателяпреломления, изучении процессов,происходящих в плазме, а в рядедругих интерферометрических задач,когда информацию необходимо извлекать из спектрального распределенияизмеряемых величин.Известны способы определенияоптической плотности фазовых объектов, согласно которым зондирующее 15излучение делится по амплитуде надва приблизительно равных по интенсивности пучка лучей, один из которых проходит через исследуемыйфазовый объект, и затем по виду кар-,20тины интерференции, возникающей привведении световых пучков, судят опараметрах исследуемого объекта 1Однако известные спектроинтерференционные методы обладают относительно низкой чувствительностью(по сравнению с методами, основанными, например, на излучении и поглощении света) .Известен также способ определения оптической плотности амплитуднофазовых объектов путем внутрирезонаторной спектроскопии, заключающийся в том, что исследуемый амплитудно-фазовый объект помещают внутрь З 5резонатора-лазера на красителе Приэтом достигают высокой чувствительности к амплиту ным изменениям спектра генерации 2Однако информацию о фазовых изменениях, вызываемых действием исследуемого объекта, указанным способом получить невозможно, поскольку в нем невозможно наблюдение спектроинтерференционных эффектов.Наиболее близким к предлагаемому является интерференционный способ селекции продольных типов колебаний в лазерах, основанный на частотной зависимости эффективного значения коэффициента отражения одного из зеркалрезонатора, функцию которого выполняет двухлучевой интерферометр. Способ позволяет обеспечить в пределах ширины атомной линии генерациивысокую добротность резонатора длярабочего типа колебаний и низкуюдля всех остальных, что приводит кдискриминации всех типов колебаний,кроме одного-двух, для которых эффективный коэффициент отражения интерферометра имеет максимальное значение. Согласно данному способу осуществляется внутрирезонаторная двух- лучевая интерферометрия в пределахспектральной ширины излучения генерирующего атомного перехода, заключающаяся в том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, поляризируют во взаимно перпендикулярных направле-. ниях, кроме того возможно определение оптической плотности фазовых объектов в одночастотном режиме,.Способ осуществляется устройством для Интерференционной селекции продольных типов колебаний, содержащим двухлучевой интерферометр с кристаллическим двоякопреломпяющим,расщепителем излучения на два луча (со взаимно перпендикулярными направляющими поляризации), активную газовуюЦель изобретения - повышение чувствительности внутрирезонаторной интерферометрии и возможность реализации способа одновременно, в широком спектральном диапазоне.Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения оптической плотности фазовых объектов путем внутрирезонаторной двух- лучевой интерферометрии, заключающемуся в том, что излучение активной среды, распространяющееся в плечах интерферометра, поляризуют во взаимно перпендикулярных направлениях, излучение красителя, генерирующего в широкой области "пектра, инициируют внешним источником поляризованного света.Поставленная цепь достигается тем, что в устройстве для внутрире 45 50 55 среду и зеркало резонатора, соосного с отражающими зеркалами интерферометра 3 .Однако известный способ позволяет получить интерференцию световых колебаний лишь в пределах ширины генерирующего атомного перехода, Замена активной газовой среды красителем не позволяет получить интерференционную картину в широкой области спектра из-эа некогерентности поляризационных составляющих в излучении красителя. Таким образом, измерение укаэанным способом оптической плотности фазовых объектов возможно лишь в одночастотном режиме. При этом чувствительность определения минимального значения оптическои плотности относительно низка (по сравнению с методами, основанными на излучении и поглощении света) и равна чувствительности обычных спектроинтерференционных методов исследования фазовых объектов, что связано с перемешиванием пучков света, многократно проходящих поочередно через разные плечи интерферометра и активную газовую среду. Однако при измерениях оптической плотности фазовых объектов и ее рас-. пределении по длинам волн необходимо получать информацию одновременно в широком спектральном диапазоне с максимально возможной чувствительностью, существенно расширяющей круг объектов и явлений, доступных указанным спектроинтерференционным методом исследования. 10 15 20 25 30 35 40 эонаторной интерферометрии, содержащем двухлучевой интерферометр со скрещенными поляризаторами для вза". имно перпендикулярной поляризации излучения в плечах последнего, кювету с красителем. оптически связанную через линию задержки с блоком накачки, и зеркало, установленное соосно с отражающими зеркалами интерферометраи образующие с последними резонатор лазера на красителе, в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластинка, а между блоком накачки и клиновидной пластинкой расположен блок внешнего инициирующего поляризованного излучения.На чертеже представлено устройство для осуществления предлагаемого способа.Устройство содержит блок оптической накачки. 1, (обведен пунктирной линией), оптически связанный через линию задержки 2 (обведена пунктирной линией) и через зеркало 3 с двухлучевым интерферометром Майкельсона со с. светоделителем 4, между которым и зеркалом 3 расположена кювета 5.с красителем, и зеркалами 6 и 7, установленными соосно с зеркалом 3 и образующими с ним два связанных резонатора лазера на красителе, в плечах которого расположены поляроиды 8 и 9 со взаимно перпендикулярньпя направ- лениями поляризации и исследуемый объект 10, причем в резонатор лазера на красителе введена клиновидная пластина 11, осуществляющая соосность лазерного резонатора и блока внешнего инициирующего поляризованного излучения 12 (обведен пунктирной линией), связанного с блоком накачки клиновидной пластиной 13, а интерферометр Майкельсона через поля- .роид 14 оптически связан с системой наблюдения картины интерференции 15 (обведена пунктирной линией).Способ получения спектроинтерферограмм осуществляют следующим образом.Импульсное излучение блока накачки 1пройдя через оптическую линию задержки 2 и зеркало 3, создает инверсию заселенности молекул красителя в кювете 5. Часть излучения накачки эа счет отражения от передней поверхности клиновидной пластинки 13 вводится в блок инициирующего излучения 12, который вырабатывает под ее воздействием импульс поляризован 1139977ного излучения с длительностью, равной длительности импульса накачиваю- щего излучения, С помощью клиновидной. пластинки 11 поляризованное излучение блока 12 вводится в резо натор лазера на красителе и инициирует вынужденные. переходы молекул последнего, ориентированные под разными углами к оси резонатора. При этом с-помощью оптической линзы за". 10 держки 2 обеспечивают такое частичное наложение во времени инициирую- щего излучения и излучения оптической накачки красителя, что индуцированное излучение молекул имеет длитель ность, меньшую или равную 2 Ь/с сек, где Ь - длина резонатора лазера на красителе, с - скорость света. Таким образом, в направлении светоделителя интерферометра Майкельсона 20 распространяется импульс индуцированного излучения красителя, поляризационные составляющие которого когерентны в отличие от случая возникновения индуцированного излучения засчет начальнь 1 х спонтанных переходов возбужденных молекул, когда поляриэационные составляющие индуцированного излучения между собой некогерентны). Индуцированное излучение ЗО красителя делится на светоделителе 4 на два пучка лучей приблизительно равной интенсивности. Поляроиды 8 и 9 выделяют иэ всей совокупности лучей лучи со взаимно перпендикулярньпж плоскостями колебаний,которые затем независимо распространяются внутри двух связанных лазерных резонаторов, усиливаясьпосле каждого прохождения активной, 40среды. При этом эффективная длинаисследуемого Фазового объекта 10увеличивается в число прохожденийизлучения внутри резонатора,.которое определяется длительностью гейерации красителя и длиной лазерного резонатора. После. каждогопрохождения часть излучения красителя, состоящая из двух пучковсвета со взаимно перпендикулярными.поляризациями, выходит из интерферометра в направлении системырегистрации. Исходная длительностьиндуцированного излучения, меньшая2 Ь/с сек, обеспечивает такое независимое распространение короткихцугов световых колебаний внутрисвязанных резонаторов 3-6 и 3-7,что цуг п-го прохождения не накладывается на цуг (и)-го прохождения, исключая тем самум возможность интерференции световых пучков, прошедших одно и то же плечо интерферометра, но разное число раз. Таким образом, в направлении системы регистрации 15 последовательно, не накладываясь одни на другие, выходят пары пучков света,со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний, прошедшие все увеличивающееся число раз каждый свое плечо интерферометра, Поляроид 14, ориентированный под углом 45 о к плоскостям поляризапии поляроидов 8 и 9, пропускает только соответствующие составляющие электрических векторов этих пучков, обеспечивая возможность их интерференции с максимальной контрастностью. При этом лазер на красителе работает в режиме усиления света с таким коэффици ентом, что каждое последующее прохождение излучения через активную среду красителя сначала в направлении зеркала 3, а затем к светоделителю 4, значительно отличается по интенсивности от излучения предыдущего прохождения, вследствие чего система регистрации регистрирует развернутую в спектр картину интерференции, в основном" соответствующую интерференции двух пучков света с максимальным числом прохождений через исследуемый фазовый объект 8.П р и м е р, Блок, оптической накачки 1 состоит из импульсного рубинового лазера ОГМ-16, одноосного двоякопреломляющего кристалла КПД 217 и Фильтра УФС- 18, Б качестве линии оптической задержки используются две прямоугольные кварцевые призмы 16 и 17. Сложный лазерный резонатор состоит из зеркала 3, пропускающего ультрафиолетовое излучение и отражающее видимый свет, и двухлучевого интерферометра Майкельсона, Покрытия зеркал и светоделителя диэлектрические.Кювета 5 содержит спиртовой раствор красителя родамина бЖ. Блок внешнего инициирующего излучения 12 соединен оптически с блоком накачки 1 с помощью клиновидной пластинки 13 и содержит источник излучения 18 - лазер на спиртовом растворе красителя родамина 6 Ж, поляроид 19 и7 1139четвертьволновую слюдяную пластинку20. Система наблкдения картины интерференции состоит из объектива 21и спектрографа ДАС 22, в фокальнойплоскости которого расположена кассета с фотопластинкой.Спектроинтерферограмму получаютследующим образом.,Излучение импульсного рубинового .лазера, генерирующего на длине 1 Оволны= 694,3 нм в течение приблизительно 30 нс, преобразуется кристаллом,КПД в излучение в два разаменьше длины волны (9 = 347, 15 нм),фильтр УФСпропускает излучениес= 347 нм (излучение, накачивающее краситель) и отрезает излучениес ф = 694 нм. Накачивающее излучение, пройдя регулируемую путем перемещения призмы 17 оптическую линиюзадержки 2, через зеркало 3 вводитсяв кювету 5 с красителем. Зеркало 3имеет такое диэлектрическое покрытие,что коэффициент его пропускания дляЪ = 347 нм имеет значение приблизительно 907, в то время как для болеедлинноволнового излучения оно хорошоотражает (коэффициент отражения составляет величину около 972). Такимобразом, накачивающее излучение беспрепятственно проходит внутрь лазерного резонатора, а для излучениякрасителя в области длин волн около600 нм коэффициент отражения зеркала13 имеет большое значение.35Часть излучения рубинового лазера(окопо 103) отражается от переднейповерхности клиновидной пластинки13 н попадает в дополнительныйисточник поляризованного излучения 4023: через зеркало 24 вводится вкювету 25 с красителем, в качествекоторого используется спиртовой раствор родамина 6 Ж. Кювета 25 помещенав лазерный резонатор, состоящий из 45зеркал 24 и 26, которые вместе образуют источник света 23. Зеркало24 имеет диэлектрическое покрытие,аналогичное покрытию зеркала 3,т.е. хорошо пропускает накачивающее излучение - вторую гармоникуизлучения рубинового лазера с 3347 нм - и отражает излучение красителя в области длин волн около600 нм. Поляроид 19, ориентированч0ныи под углом 45 к плоскости поляризации поляроидов 8 и 9, выделяетиз импульса генерации красителя,,977 8выходящего через частично пропускающее зеркало 26 в направлении клиновидной пластинки 11, одну ли" нейно поляризованную составляющую. Последняя, пройдя четвертьволновую слюдяную пластинку 20, преобразуется в циркулярно поляризованное излучение, которое вводится с помощью пластинки 11 в резонатор основного лазера на красителе и инициирует импульс йндуцированного излучения красителя, поляризационные составляющие которого вследствие инициирования когерентны (Инициирование излучения красителя может производиться и непосредственно линейно поляризованной составляющей дополнительного источника света, однако, в этом случае эффективность инициирования различных поляризационных составляющих излучения красителя будет неодинаковой). -В качестве фазового объекта 10 используется геометрическое неравенство длин плечей интерферометра Майкельсона.Выходящие иэ интерферометра по направлению к системе регистрации пары пучков света разного числа прохождений значительно отличаютсяпо интенсивности друг от друга.Максимальной интейсивностью обладает пара пучков света, прошедшая наибольшее число раз внутри лазерных резонаторов, Вследствие этого на фотопластинке (с учетом также и нелинейности кривой почернения), помещенной в фокальной плоскости спектрографа, регистрируется развернутая в спектр картина интерференции, в основном соответствующая интерференции двух пучков светас максимальным числом прохождения через исследуемый фазовый объект.Предлагаемый способ осуществим в реальньм условиях при исследовании любьм прозрачных фазовых объектов При осуществлении способй значительно (в число. раэ, определяемоедлительностью генерации красителя идлиной одного из связанных резонаторов) увеличивается чувствительностьтрадиционных спектроинтерференционных методов измерения оптическойплотности фазовых объектов.Увеличение длительности оптической накачки кюветы с красителем либо за счет применения ламповой накачки, либо за счет замены в преддаСоставитель Л. ГойхманТехред А.Бабинец Корректор М. Леонтюк Редактор И. Горват Заказ 253/31 . Тираж 897 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 9 11399 гаемом устройстве рубинового лазера на лазер с большей длительностью генерации и с подходящей для накачки красителя длиной волны излучения, позволяет еще больше увеличить чувст"вительность определения минимального значения оптической плотности фазовых объектов.Повышение чувствительности измерения малых значений оптической плот ности исследуемых фазовых объектов существенным образом расширяет круг объектов и явлений, доступных классическим спектроинтерференционным.методам исследований. Появляется воэможность измерения относительных зна 77 Очений сил осцилляторов спектральных линий, возникающих при переходахс возбужденных состояний различныхатомных систем. Кроме того, предлагаемый способ позволяет исследовать ряд элементарных процессов, просходящих в низко- температурной плазме, когда необходимо измерять с высокой степенью точности соответствующие изменения заселенности возбужденных атомных состояний, что недоступно для обычных спектроинтерференционных методов исследования, вследствие их относительно невысокой чувствительности,