Измеритель флуктуаций диаметра лазерного пучка
(01) Дополнительное к авт. свид-sy (22) Заявлено 2002,76 (21) 2327800/25 (51)М. Кл.2
Н 01 S 3/00 с присоединением заявки 119
Государственнйй комитет
СССР ио делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 621.375.8 (088.8) Опубликовано 2 50 5.79, Бюллетень Мо 19
Дата опубликования описания 2505,79 (721 Авторы изобретения
N,И. Лобачев, З.N. Рабинович и В.В. Тучин
Научно-исследовательский институт механики и Физики при Саратовском ордеча Трудового Красного Знамени государственном университете им. Н.Г. Чернышевского (71) Заявитель (5 4 ) ИЗМЕРИТЕЛЬ ФЛУКТУАЦИ г1 ДИАМЕТРА ЛАЗЕРНО О ПУЧКА
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к устройствам для измерения и контроля параметров излучения ОКГ непрерывного действия и может быть использовано в тех областях техники и исследований, где необходимы точные автоматические измерения и контроль флуктуаций диаметра лазерного луча света с гауссовским распределением интенсивности по сечению.
Известно устройство, предназначенное для измерения диаметра лазерного луча, которое позволяет получать, кроме того, информацию о6 изменениях диаметра пучка света излучаемого ОК1 (1), Однако быстродействие такого устройства невелико.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности .является устрой- 20 ство, которое позволяет измерять и регистрировать величину флуктуации диаметра лазерного пучка и его угловую расходимость, содержащее систему измерения расстояния между двумя точками (2).
Такое устройство содержит ослабитель, телескопическую систему, линзу, в фокальной плоскости которой помещен экран передающей телевизионной трубки. Размер пятна на экране трубки пропорционален угловой расходимости излучения. Телескопическая система предназначена при этогл для увеличения точности измерений. Передающая трубка работает в режиме линейной развертки. В результате на выходе трубки получается электрический импугЬьс, Форма и длительность которого линейно связаны с формой и распределением интеисивности излучения в фокальной плоскости линзы. Далее электрический импульс поступает на систему измерения длительности импульса по заданному уровню амплитуды (систему измерения расстояния между двумя точками) и на цифровой регистратор. Длительность импульса линейно связана с размерами пятна (угловой расходимостью) излучения ОКГ. Высокое быстродействие устройства позволяет следить за быстрыми изменениями размера пятна (угловой расходимости) лазерного излучения.
Однако такое устройство имеет дискретность характера измерений, период которых обусловлен частотой развертки передающей телевизионной трубки, а также малую. точность измерений, обусловленную конструкцией передающей те584687 левизионной трубки. Например, для передающей телевизионной трубки типа диссектор размер отверстия диафрагмы (щели) составляет 0,1-0,05 мм, что, н свою очередь, накладывает ограничения на неличину измеряемых флуктуаций диаметра лазерного луча. Кроме того, устройство имеет сложную конструкцию, связанную с необходимостью использования телевизионной аппаратуры.
Цель изобретения — обеспечение возможности непрерынных измерений, повышение точности и упрощение конструкции измерителя флуктуации диаметра лазерного пучка.
Для.этого предлагаемый измеритель снабжен устройством для пространст- 15 венного дифференцирования электромагнитного поля по поперечной координате, состоящим из двулучепреломляющего кристалла и поляроида, ориентированного под углом 45 к плоскости 20 поляризации обыкновенного луча.
На фиг..1 представлена блок-схема измерителя флуктуации диаметра лазерного пучка; на фиг. 2 а — распределение полей, соответствующих обыкновен- 25 ному и необыкновенному лучам; на фиг„ 2 б — пример сложения векторон для различных значений координаты х.
Предлагаемый измеритель содержит лазер 1 непрерывного действия, рабо" тающий в режиме TEN, колебаний, поляроид 2, днулучепреломляющий кристалл 3, поляроид 4, модулятор 5 интенсивности светового потока, светоделительную пирамиду б, позиционночувствительные продольные элементы
7 и 8, синхронные детекторы 9 и 10, генератор. 11 переменного напряжения, сумматор 12, индикатор 13. При этом поляроид 2, кристалл 3 и поляроид 4 образуют устройство, распределение интенсивности на выходе которого пропорционально квадрату производной от распределения поля по поперечной коо ординате, а остальные элементы (5-13) образуют систему, предназначенную 45 для определения расстояния между центрами двух световых пятен.
Излучение ОКГ проходит поляроид
2 и поступает на двулучепреломляющий кристалл 3, ось которого непараллель- 50 на направлению лазерного луча. Толщина .кристалла 3 выбрана таким образом, чтобы разность фаз между обыкновенным и необыкноненным лучом была бы
I кратна четному числу Л, а расстояние, на которое разнесены обыкновенный и необыкновенный лучи, много меньше размеров пятна излучения лазера (оптическую длину путем указанных лучей можно изменять с помощью ориентация кристалла). Поляроид 2 служит для выравнивания интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей. Поляроид 4 ориентируется под углом 45 к плоскости поляризации обыкновенного или необыкновенного луча. Можно пока- 65 зать, что распределение интенсивности на выходе поляроида 4 пропорционально квадрату производной от распределения поля по поперечной координате, а расстояние между максимумами интенсивности — размеру пятна излучения ОКГ. Затем лазерное излучение, промодулиронанное по интенсивности с помощью модулятора 5, поступает на снетоделительную пирамиду б, которая направляет световые пятна, соответствующие максимумам н распределении интенсивности, соответственно на два позиционно-чунстнительных элемента
7 и 8, дискриминаторные характеристики которых имеют равные по величине, но противоположные по знаку углы наклона. С выхода позиционно-чувствительных элементов 7 и 8 электрические сигналы поступают на два синхронных детектора 9 и 10, на которые с генератора 11 переменного напряжения поступают опорные сигналы. Генератор
11 осуществляет питание модулятора
5. Сигналы с выхода синхронных детекторов зависят от положения на поверхности позиционно-чувствительных элементов 7 и 8 максимумов интенсивности света, а сумма сигналов пропорциональна диаметру лазерного луча. Затем с выхода синхронных детекторов 9 и 10 сигналы поступают на сумматор 12 и на индикатор 13, показания которого линейно связаны с величиной диаметра лазерного луча и ее флуктуациями.
Распределение интенсивности на выходе поляроиДа 4 может быть описано аналитически.
Если кристалл 3 представляет плоско-параллельную пластину, вырезанную из кристалла, обладающего двойным лучепреломлением, то на выходе этой пластинки имеют место два пространственно-разнесенных луча с взимно ортогональной поляризацией поля— обыкновенный и необыкновенный лучи.
Величина пространственного расщепления обыкновенного и необыкноненного лучей на много меньшая диаметра лазерного луча может быть обеспечена выбором толщины двулучепреломляющей пластины.
Если разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами кратна целому числу Г, что обеспечянартся выбором толщины или ориентацией кристалла по отношению к направлению излучения ОКГ, то результирующее поле на выходе кристалла может быть найдено как результат век- торного сложения полей, соответствующих обыкновенному и необыкновенному лучам в некоторой плоскости Вез учета влияния фазовых членов.
На фиг. 2 а представлено распределение полей, соответствующих обыкно" венному и необыкновенному лучам, интенсивности которых при этом равны.
584687
Выравнивания интенсивностей можно добиться ориентацией поляроида 2.
Если f (х) — функция, описывающая закон распределения поля обыкновенного и необыкновенного лучей по поперечной координате х, то для напряженности поля обыкновенного луча Е 5 и необыкновенного луча Е„ можно записать выражения
Е„= Р, f (x)
Ено г f (x + лх), где ь х — расстояние, на которое раз- 10 несены в пространстве обыкновенный и необыкновенный лучи;
Р;(1 = 1,2) — единичные векторы, направление которых совпадает с направлением поляризации обыкновенного 15 и необыкновенного луча соответствен-. нО, причем, ОртОГОнален
На фиг. 2 б представлен пример сложения векторов. Е и Г для различных значений координаты х. Штрих 20 пунктирная линия соответствует положению плоскости пропускания поляроо ида 4 и составляет угол 45 с направлением поляризации обыкновенного луча.
Для нахождения напряженности поля
Е на выходе поляроида 4 необходимо спроектировать результат сложения векторов Е и Е„ щ на штрих-пунктирную прямую
30 Г2
Е = (f (x+ ьх)- f (x)j
Приращение функции f (х) можно заменить (в случае, если мало) произведением ее производной яа приращение аргумента (2 Н
Е = — — ьх, 2 4к
Соответственно интенсивность света на выходе поляроида 4
df 2 г
3„=,-(, ),„
Известно, что пространственное распределение поля излучения ОКГ, работающего в режиме TEN колебаний, может быть описано функцией Гаусса. 45
Таким образом, можно считать, что хг
Цх) =6 где ьэ — размер пятна излучения лазера.
Следовательно кг
1/2 к
„,2
Е= — --(ьх.
Соответственно интенсивность света на выходе поляроида 4
2х
2х 2
1= — С " ЛХ
4 а)
Расстояние 1 между максимумами интенсивности, пропорционально размеру пятна излучения лазера
Г = Г2 <
Испытания экспериментального макета измерителя флуктуаций диаметра лазерного луча показывают, что минимально измеряемые смещения световых пятен, получаемых после поляроида 4, при мощности излучения Не — Ne.ëàýåðà
0,5 мВт составляют величину порядка
5 мкм, что позволяет измерять относительные флуктуации диаметра лазерного луча порядка 0,5%.
Формула изобретения
Измеритель флуктуаций диаметра лазерного пучка, имеющего гауссово распределение интенсивности, содержащий систему измерения расстояния между двумя точками, о т л и ч а ю.щ и йс я тем, что, с целью обеспечения возможности непрерывных измерений, повышения точности и упрощения конструкции, он снабжен устройством для пространственного дифференцирования электромагнитного поля по поперечной координате, состоящим иэ двулучепреломляющего кристалла и поляроида, ориентированного под углом 45 к плоскости поляризации обыкновенного луча.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.
1. Х of Physics E. Sci Jnktrum, 1972, 5, Р 3, р. 237-238.
2. Авторское свидетельство СССР
Р 376851, кл. H 01 S 3/00, 1971.
584687
I ! !
Ф5 иа
Е
\
Фиг. 2
Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4
Составитель Л. Титова
Редактор Т. Колоццева, Техред 3 Фанта КощектооН. Стец
Заказ 2886/58 Тираж 922 Подписное
ПНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035 Москва Ж-35 Раушская наб.< д. 4 5
