Способ измерения диаметра лазерного пучка

 

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может быть использовано в оптико-физических измерениях для дистанционного измерения диаметра лазерного пучка. Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения.возможности проведения дистанционного измерения диаметра. Для этого на заданном расстоянии Z от сечения измерения разделяют пучок на два подобных пучка, оси которых отстоят друг от друга на расстоянии 312, и направляют пучки в измеряемое сечение . Изменяют фазу пространственной индукции в измеряемом сечении путем изменения разности хода разделенных пучков, определяют максимальное и минимальное значения мощности и по их значениям определяют диаметр пучка. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 11/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4843195/28 (22) 28.06.90 (46) 23.03,93. Бюл. ¹ 11 (71) Московский инженерно-физический институт (72) И.А.Бубличенко, А.В.Лебедев и В.Д.Миронов (56) Dlkson L,D. Ronchl Ruling Method for

Measuring Gaussian Beam Diameter // 0pt.

Enginering, 1979, v, 18, N 1, р. 70-75. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА (57) Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может быть использовано в оптико-физических измерениях для дистанционного измерения диаметра

Изобретение относится к области оптико-физических измерений и может быть применено для дистанционного измерения диаметра лазерного пучка, в том числе в сечениях, прямой доступ к которым невозможен.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности дистанцион-, ного проведения измерений, Заявляемый способ основан на том, что при интерференции двух пучков, распространяющихся под небольшим углом у|2 между собой, вследствие перераспределения мощности в поперечном сечении создается пространственная модуляция интенсивности, проявляющаяся в виде интерференционных полос. Суммарная мощность интерферирующих пучков зависит от поло„„!Ж„, 1803725 А1 лазерного пучка, Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей эа счет обеспечения.возможности проведения дистанционного измерения диаметра. Для этого на заданном расстоянии Z от сечения измерения разделяют пучок на два подобных пучка, оси которых отстоят друг от друга на расстоянии а12, и направляют пучки в измеряемое сечение. Изменяют фазу пространственной индукции в измеряемом сечении путем изменения разности хода разделенных пучков, определяют максимальное и минимальное значения мощности и по их значениям определяют диаметр пучка. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., женил системы полос в поперечном сечении, т.е. фазы пространственной модуляции, При изменении разности хода между пучками интерференционные полосы смещаются, что приводит K изменени|о фазы пространственной модуляции и изменени|а суммарной мощности в диапазоне от P>in до

Рп ах. Величина интерференционных вариаций суммарной мощности (Рп|ах - dmin) зависит от диаметоа 2У/ пучка в измеряемом сечении, где пересекаются оси интерферирующих пучков, и угла yjz между ними. Это позволяет, разделив на расстоянии от измеряемого сечения пучок на два подобных ему пучка и обеспечив пересечение их осей в измеряемом сечении под углом уа, дистанционно определить диаметр пучка в измеряемом сечении по результату измерения интерференционных вариаций.

1803725

10

40 (4) 50

Согласно способу исследуемый пучок разделяют на расстоянии Z от измеряемого сечения на первый и второй пучки с мощностями Р1 и Р2, подобные по геометрическим параметрам измеряемому, так; что расстояние между ними а 12 и угол у12 обеспечивают пересечение осей первого и второго пучков в измеряемом сечении. С учетом правила знаков а12/ y12 = -Z. (1) Формула (1) учитывает возможность расположения измеряемого сечения как по, так и против направления распространения света относительно сечения, в котором расстояние между пучками составляет а12, Угол у12 следует выбирать малым, порядка угла расходимости исследуемого пучка, иначе интерференционные вариации будут исчезающе малы.

Угол пересечения волновых фронтов интерферирующих пучков равен /12, а величина интерференционных вариаций, регистрируемых при изменении разности хода равна

Pmax Pmln=,4 PI Р2 eXP (4 W )44/24 ), (2) где А- длина волны излучения. Из(2) можно получить формулу для расчета диаметра пучка в измеряемом сечении

2А 21 4 Р1 Р2 (3)

Ж.1 /12 I Pmax Pmin

Если ввести коэффициент светоделения

m = P1/P2, то расчетную формулу (3) можно представить в виде

2ziI 2 / 2 Al Pmax + Pmin

Л(у12 1 п)+1 Pmax — Pmin /

Физический смысл выражения под знаком логарифма следующий: 2 VAl /(в+1) — контраст интерференционных вариаций двух колЛИНЕарНЫХ ПЛОСКИХ ВОЛН, (Pmax Рв(п)/(Pmax+

+ Pmi„) — контраст наблюдаемой интерференционной картины.

Если угол у12 устанавливается равным нулю, то величина интерференционных вариаций

Pmax - Рвь - 4 ) Р1 Pz exp(-а Iz/244) (5) оказывается связанной с диаметром перетяжки измеряемого пучка 2а2, который может быть рассчитан по формуле(при а12 ФО) 2 аз = 1 4121 2/In (4 Ð1 Р4/(Ртах Pmin )) (6) ! являющихся аналогами формул (3) и (4).

Ка фиг, 1, 2 и 3 приведены примеры схем реализации способа, Для разделения интерферирующих пучков и изменения разности хода между ними может быть использован интерферометр типа Маха-Цендера. Устройство содержит оптически связанные первую и вторую полупрозрачные и первую и вторую зеркальные пластинки, установленные по схеме Маха-Цендера, фотоприемник, а также соединенный с ним регистрирующий .прибор, причем первая зеркальная пластинка установлена с возможностью смещения в плоскости падения, вторая зеркальная пластинка установлена с возможностью возвратно-поступательного смещения в

30 плоскости падения, а вторая полупрозрачная пластинка установлена с возможностью поворота в плоскости падения;

Работа устройства поясняется схемой (фиг.1), где показаны: 1 — измеряемый лазерный пучок, 2 — плоскость измеряемого сечения, 3 — плоскость сечения наблюдения, 4— фотоприемник, 5, 6 — первый и второй интерферирующие пучки, 7 и 9 — первая и вторая полупрозрачные пластинки, 8 и 10.— первая и вторая зеркальные пластинки. Устройство работает следующим образом. Измеряемый пучок делится пластинкой 7 на первый и второй пучки, обозначенные 5 и 6, которые зеркалами 8 и 10 направляются на пластинку 9 и затем на фотоприемник 4.

Сигнал с фотоприемника пропорционален интегралу по поперечному сечению от картины интерференции пучков 5 и 6. Для модуляции разности хода пластинку 10 периодически смещают на величину порядкаА/2 в плоскости падения. Смещая зеркало 8 в плоскости падения устанавливают необходимое расстояние а12 между пучками

5 и 6, а поворотом пластинки 9 — угол у12 .

Гочка пересечения осей пучков 5 и 6 задает . положение измеряемого сечения 2. Если пластинки 8 и 10 идентичны, то диаметр пучка в измеряемом сечении рассчитывается по формуле (4) с коэффициентом светоделения m =- 1. Установив поворотом

1803725 пластинки 9 пучки 5 и 6 параллельными(при а1 Ф О), диаметр пучка 1 в перетяжке определяется по формуле (7) при m -1.

Клиновидная пластинка также может быть использована для ответвления интерферирующих пучков и создания разности хода. Работа устройства поясняется схемами (фиг. 21 и 3), на которых соответственно показаны его варианты для проходящего и отраженного света. Здесь 11 — клиновидная пластинка. Для изменения разности хода между пучками 5 и 6 пластинку 11 смещают перпендикулярно падающему пучку. Для пластинок с малым углом клина Оугол между пучками 5и 6слабо зависитот гла па ения а, т.е. ly>zl =2О п +(и — 1)tg а—

-2 Oll. Расстояние 2 между плоскостями наблюдения и измерения регулируется углом падения по формуле

h sinacos а

Оn nsln а (8) где n — коэффициент преломления материала пластины, h--толщина пластинки в месте падения.

При и < 2 в формуле (4) можно положить

m = 2г,(где r — френелевский коэффициент отражения) в случае работы в проходящем свете (фиг,2) и m = 1 — в отраженном свете (фиг,3).

Устройство с клиновидной пластинкой, реализующие заявляемый способ, является более простым чем устройство на основе интерферометра Маха-Цендера, но обладает более ограниченными возможностями, что связано с квазипостоянством y>z. В частности, измерение диаметра пучка в перетяжке вс .можно только путем замены пластинки на плоскопараллельную.

Изобретение может быть использовано

5 для дистанционного измерения диаметра лазерного пучка, в том числе в сечениях, доступ к которым невозможен физически, например, расположенным в резонаторе лазера, или затруднен по габаритным услови10 ям.

Формула изобретения

1. Способ измерения диаметра лазерного пучка, заключающийся в том, что осуществляют пространственную модуляцию

15 интенсивности пучка, измеряют фазу пространственной модуляции, определяют максимальное и минимальное значение мощности и по их значениям рассчитывают диаметр пучка, отличающийся тем, что, 20 с целью расширения эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности проведения дистанционного измерения диаметра, при осуществлении пространственной модуляции разделяют пучок на рас25 стоянии Z от измеряемого сечения на два подобных пучка, оси которых отстоят друг от друга на расстоянии а 2,и направляют пучки под углом y

30 изменение разности фаэ осуществляют изменением разности хода разделенных пучков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью измерения диаметра пере35 тяжки пучка, расстояние а1 между осями пучков выбирают отличными от нуля, а угол у12 равным нулю.

1803725

3

1 !

2 !

I !

ЖИВ 36 юе

Фиг, 2.

Фиг. 3.

Составитель Г. Дубровский

Редактор О. Стенина Техред М, Моргентал Корректор С, Юско

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина; 101

Заказ 1048 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5