Зв'язок просторової когерентності і ступеня спрямованості випромінювання

Нехай джерело світла є коло радіуса ρ. Нехай на відстані R знаходиться екран R>> ρ; x і y просторові координати в площині екрана.

 

Рис. 8

 

Можна показати, що модуль функції просторової когерентності коливань у точках В₁ і В₂ визначається

|  _n (0)|= 2J₁(z)/z,

де J₁(z) - функція Бесселя першого порядку.

z = 2π ρ()/λ R,

tgβ = ()/R, де z = 2πρ tgβ /λ,

 тобто високий ступінь просторової когерентності спостерігається при дуже малих β, тобто при малій розбіжності випромінювання. Таким чином, чим краще спрямованість світлового пучка, тим вище ступінь його просторової когерентності.

Звідси висновок: просторова когерентність двох точок тим вище, чим                                 більш ці точки віддалені від джерела світла.

| _п(0)|=1 при β = 0. Можна показати, що | _n (0)|= 0,88 при β = 0,16 λ /ρ.

Виходячи з умови, що світлові хвилі когерентні 0,88 ≤ | _n (0)| ≤ 1, можна зробити висновок, що для просторово когерентного пучка кут β, що характеризує ступінь розбіжності пучка, повинний задовольняти

0 ≤ β ≤0,16 λ /π.

Звідси, чим більше ρ, тим менше повинний бути кут β у межах якого випромінювання розглядається як просторово когерентне.

Час когерентності для звичайних (не лазерних) джерел дорівнює τ = 10^-9-10^-10 с.

Довжина когерентності L_ког = cτ, на який поширюється хвиля за час, поки її фаза й амплітуда в середньому залишалися постійними.

      L_ког = (10^-9-10^-10 с) 0,3 10⁹ см/с = 3-30 см → ці оцінки добре узгоджуються з експериментами.

 

Спосіб і пристрій виміру ступеня просторової когерентності лазерного випромінювання

Спосіб використовується для дослідження когерентних властивостей випромінювання лазера і виміру модуля ступеня просторової когерентності лазерного чи іншого джерела оптичного випромінювання.

Рис.1 Блок-схема пристрою виміру ступеня просторової когерентності

1 - лазер; 2 - лазерний пучок; 3,4- ірисові діафрагми; 5 - електромеханічний модулятор; 6 - синхронний двигун; 7 - колиматор; 8 -роздвинутий лазерний пучок; 9 - призма; 10, 11 - діафрагми; 12, 13 -зеркала; 14, 15 - частотозсуваючі пристрої; 16 -генератор; 17, 18 -полярізатори; 19, 20 - напівхвильові фазові пластини; 21, 22 -нейтральні світлофільтри; 23 - колиматор; 24 - фокусуючий об'єктив; 25 - осередок зі зразковою часткою; 26 - об'єктив, що збирає; 27 - апертурна діафрагма; 28 - інтерференційний світлофільтр; 29 -фотоприймач; 30 - вимірник глибини модуляції; 31 - синхронний детектор; 32 - подвоювач частоти; 33 - вольтметр; 34 - підсилювач потужності.

 

На рис. 1 представлена схема пристрою для реалізації пропонованого способу, що містить: лазер 1, що випромінює вертикально поляризований промінь 2, діаметром d₁; дві ірисові діафрагми 3 і 4; електромеханічний модулятор 5, що закріплюється на осі синхронного двигуна 6; коллиматор 7, за допомогою якого лазерний пучок 2 перетвориться і розширюється в лучок 8 діаметром d₂>d₁, призму 9 із двома дзеркальними гранями і кутом при вершині β, за допомогою якої лазерний пучок 8 поділяється на два лазерних пучки 8₁ і 8₂; дві діафрагми 10 і 11, за допомогою яких виділяється два вузьких лазерних пучки, відстань між якими l_i залежить від положення призми 9 (яка за допомогою мікропередачі може переміщатися уздовж оптичної осі схеми Oz); два дзеркала 12 і 13; частотозсуваючі пристрої 14 і 15 підключені до генератора високої частоти 16, за допомогою яких відповідно лазерний промінь 8₁ зміщається по частоті на величину +Ωм і на виході пристрою 14 має частоту     ω₀+Ωм (ω₀=2πν₀) частота випромінювання лазера), а лазерний промінь 8₂ - на величину -Ωм і на виході пристрою 15 має частоту ω₀-Ωм; два поляризатори 17 і 18, азимут осі пропущення яких виставляються рівним 90˚ напівхвильові фазові пластини 19 і 20; нейтральні фільтри з перемінною щільністю 21 і 22 за допомогою яких можна плавно послабляти потужність відповідно лазерних пучків 8₁ і 8₂ оптичний пристрій перетворення рівнобіжних лазерних пучків 23, виконане, наприклад, у виді коллиматора, за допомогою якого рівнобіжні лазерні пучки з відстанню 2Х₁ перетворяться в два рівнобіжних пучки з відстанню між ними 2X₁<<2Х₂; фокусуючий об'єктив 24; осередок 25 з розташованої в ній зразковою сферичною часткою діаметром d_r і показником преломлення n_r, причому частка поміщена в оптично прозоре середовище з показником преломлення n_с; об'єктив, що збирає, 26, оптична вісь якого збігається з віссю схеми Oz; щелеподібну апертурну діафрагму 27, у якій вісь симетрії щілинного отвору орієнтована уздовж осі Оу; інтерференційний світлофільтр 28; фотоприймач 29; вимірник глибини модуляції фотоструму 30; синхронний детектор 31; удвоитель частоти 32; вольтметр 33 і підсилювач потужності 34.

Розглянемо роботу пристрою.

При дослідженні залежності модуля ступеня просторової когерентності |γ _п (Θ=0;l_i)|=f(l_i)

від відстані l_i; між виділеними лазерними пучками в схемі (рис.1) електромеханічний модулятор 5 виключений, а частотозсуваючі пристрої 14 і 15 включені.

Лазерний пучок 2 після проходження діафрагм 3 і 4, отвору електромеханічного модулятора 5, що обертається двигуном 6, а також коллиматора 7, поділяється призмою 9 на два симетричних пучки 8₁ і 8₂;. З цих пучків за допомогою діафрагм 10 і 11 виділяються два симетричних щодо оптичної осі Oz лазерних пучка, відстань між якими I, можна змінювати, переміщаючи уздовж осі Oz призму 9. При вкрай правому положенні призми 9 ця відстань мінімальна - l_min, а при вкрай левом -максимально – 1_max. Нехай кут при вершині призми 9 дорівнює β=90°, тоді після відображення від дзеркал 12 і 13 лазерні пучки 8₁ і 8₂; поширюються паралельно і симетрично щодо осі Oz. Кожний з пучків послідовно проходять частотозсуваючі пристрої 14 і 15, поляризатори 17 і 18, напівхвильові пластини 19 і 20, а також нейтральні фільтри 21 і 22. На виході поляризаторів 17 і 18 лазерні пучки 8₁ і 8₂; мають вертикальну поляризацію площина коливання електричного вектора перпендикулярна площини пучків Oxz у який вони поширюються маючи азимут поляризації 90° з невідомою погрішністю. Для виключення впливу цієї погрішності на результат виміру забезпечують повне поляризаційне узгодження пучків 8₁ і 8₂ у зоні виміру (площини Оху) за допомогою напівхвильових пластин 19 і 20. За допомогою нейтральних фільтрів 21 і 22 забезпечують рівність интенсивностей пучків 8₁ і 8₂, здійснюючи їхній контроль при настроюванні схеми в площині Оху. Рівнобіжні лазерні 8₁ і 8₂; пучки перетворяться пристроєм 23 у два рівнобіжних пучки без внесення різниці оптичного ходу і далі фокусируются об'єктивом 24 у зону виміру, що являє собою область перетинання двох лазерних пучків під кутом в у фокусі об'єктива 24. У зоні виміру формується інтерференційна картина, що біжить, з частотою 2Ωм і періодом  ,

у якій максимуми орієнтовані паралельно площини Oyz. Таким чином, для розглянутої схеми період інтерференційної картини δ_х не залежить від відстані l_i, між виділеними лазерними пучками, тому що кут у при цьому залишається постійним. У площині Оху в центрі зони виміру розміщюється зразкова сферична частка в осередку 25, діаметр якої d_r<<δ_х Якщо в схемі обраний кут γ≤1˚, те завжди можна забезпечити виконання нерівності d_r<<δ_х (сучасні технології забезпечують виготовлення сферичних часток діаметром dr від одиниць до часток мкм). Використання коллиматора 23 дозволяє зменшити габарити схеми. Якщо в схемі коллиматор 23 не встановлювати, то в цьому випадку в схемі необхідно використовувати длинофокусный фокусуючий об'єктив 24 з великою апертурою (F₅>1м). Замість коллиматора 23 можливе використання іншого, варіанта виконання, оптичного пристрою перетворення рівнобіжних лазерних пучків 23, що не вносить різниці оптичного ходу між цими пучками.

Зразкова частка опромінюється двома лазерними пучками, різниця частот між який складає 2Ωм. Розсіяне уперед від першого 8_s1; і другого 8_s2 лазерних пучків випромінювання збирається об'єктивом 26 у межах апертурної діафрагми 27 із щелеподібним отвором і далі через інтерференційний світлофільтр 28 направляється на фотоелектронний помножувач 29 (фотоприймач). У результаті оптичного змішання двох розсіяних хвиль, що мають різні частоти, на виході фотоприймача формується сигнал

 

U_фи=(ηe/hν₀₎MR_н[∫∫(I_s1i+I_s2i)dS+2|γ _п (Θ=0;l_i)|K_пф∫∫√I_s1i I_s2idScos(2Ω_мt+Ф)] (3)

    

де η - квантова ефективність, фотокатода; е - заряд електрона; h -постійна Планка; ν₀ - частота випромінювання лазера (ω₀=2πν₀); М - коефіцієнт підсилення ФЕП; R_н - опір навантаження ФЕП;   S - поверхня обмежена щелеподібним отвором апертурної діафрагми 27; Кпф -коефіцієнт поляризаційно-фазового узгодження хвиль, що змішуються; I_s1i і I_s2i  інтенсивність розсіяного випромінювання в i-ом напрямку, відповідно від першого 8_s1 і другого 8_s2 лазерних пучків; Ф - фаза високочастотної складової сигналу; Θ- тимчасова відносна затримка двох пучків що змішуються на фотокатоді.

Слід зазначити, що в силу властивостей повної симетрії схеми (рис.1) лазерні пучки 8₁ і 8₂; проходять той самий оптичний шлях через ідентичні оптичні елементи і пристрої і, крім того, хвильові вектора розсіяних пучків K_s1i і K_s2i, просторово сполучені. Тому практично можна вважати, що при настроюванні схеми виконується рівність Θ=0. Таким чином, як показує аналіз вираження (1), вихідний сигнал фотоприймача являє собою аддитивну суміш постійної U= і високочастотної складової сигналу U~ на частоті 2Ωм (U_фи=U₌+U_~)

Виконані дослідження сумарного розсіяного поля на основі теорії розсіювання [З], показують, що якщо прийом розсіяного випромінювання здійснювати в межах щелеподібного отвору симетричного щодо осі Ox (розмір отвору 2а_х) і щодо осі Оу (розмір отвору 2a_y; a_y>>a_x, то в цьому випадку спостерігається амплітудне, поляризаційне і фазове узгодження хвиль, що змішуються, і тому Кпф==1. Тому в цьому випадку глибина модуляції фотоструму (1) буде визначатися тільки модулем ступеня просторової когерентності

0≤V_i=|γ _п (Θ=0;l_i)|<1

Розмір щелеобразного отвору (S==2a_x -2a_y) для заданих параметрів схеми: γ,λ,d_r,n_r,n_c - розраховується за методикою представленої в роботі [З].

Вихід фотоприймача 29 підключений до вимірника глибини модуляції 30, що видає в реальному масштабі часу інформацію про ступінь просторової когерентності для заданого значення l_i.

У даному способі і пристрої нестабільність різниці оптичного ходу интерферирующих променів практично не робить впливу на результати виміру глибини модуляції фотоструму.

Крім того, пропонований спосіб і пристрій істотно скорочує тимчасові витрати на проведення досліджень залежності модуля ступеня просторової когерентності |γ _п (Θ=0;l_i)|=f(l_i), тому що при вимірах немає необхідності проводити переміщення фотоприймача, як це здійснюється в прототипі.

Для настроювання схеми (рис.1) необхідно використовувати стабілізований по потужності лазер 1, що працює в одночастотному (чи одномодовому) режимі, а також електромеханічний модулятор 5, із синхронним двигуном б, синхронний детектор 31, подвоювач частоти 32, вольтметр 33 і підсилювач потужності 34. Включають електромеханічний модулятор 5, що повинний здійснювати модуляцію лазерного пучка по інтенсивності з частотою 2Ωм. Крім того, вихід подвоюавача частоти 32 з'єднаний з одним входом синхронного детектора 31, другий вхід якого підключений до виходу фотоприймача 29. Цей модулятор 5 обертається синхронним двигуном 6, що харчується від генератора 16 через подвоювач частоти 32 і підсилювач потужності 34. Потім, змінюючи положення призми 9, для кожного фіксованого значення l_i; послідовно вимірюють вихідну напругу сигналу синхронного детектора 31 за допомогою вольтметра 33 спочатку при прийомі розсіяного випромінювання від лазерного пучка 8₁ (пучок 8₂ перекритий) і потім при прийомі розсіяного випромінювання від пучка 8₂ (пучок 8₁ перекритий). Якщо ці сигнали не рівні, то необхідно забезпечити їхню рівність шляхом юстировки схеми й ослаблення більш могутнього лазерного пучка за допомогою відповідного фільтра 21 чи 22. Крім того, для кожного фіксованого значення l_i при виключеному модуляторі 5 і включених частотозсуваючих пристроях 14 і 15 вимірюють високочастотну складову сигналу U~ за допомогою вольтметра 33, а також глибину модуляції фотоструму за допомогою вимірника 30. При правильному настроюванні схеми обмірювана глибина модуляції фотоструму не залежить від l_i і повинна дорівнювати: V_i=l. Настроювання схеми (рис.1) перед кожним циклом виміру ступеня просторової когерентності лазерного джерела випромінювання забезпечує досягнення високої точності результатів виміру |γ₁₂|=f(l_i).

 

 

Вимірювач степені часової когерентності лазерного випромінювання.

Вимірювач використовується для дослідження когерентних властивостей випромінювання лазерів.

Рис. 1 Блок-схема вимірювача степені часової когерентності лазерного випромінювання

 

На рис.1 зображена схема пристрою, який містить: лазер 1, який випромінює вертикально поляризований промінь 2; дві ірисові діафрагми 3 і 4; електромеханічний модулятор 5, закріплений на віссі синхроного двигуна 6; світлодільник 7, який ділить лазерний промінь 2 на два промені 2₁ і 2₂ рівної інтенсивності; 8, 9, 10 – дзеркала; 11 – зворотню призму з двома дзеркальними гранями, встановлену на юстировочному столику з можливістю мікропереміщення призми впродовж віссі OZ; 12 і 13 – частотозсувні пристрої, які підключені до генератора високої частоти 14, за допомогою яких відповідно лазерний промінь 2₁ зміщується по частоті + Ω_М1 і на виході пристрою 12 має частоту ω₀ + Ω_М1 (ω₀ = 2πυ₀ – частота випромінювання лазера, + Ω_М1 – частота генератора 14), а лазерний промінь  на величину -Ω_М1 і на виході 13 лазерний промінь має частоту ω₀ -                                            -Ω_М1; 15, 16 – два поляризатора; 17, 18 – напівхвильові фазові пластини; 19 і 20 – нейтральні фільтри з змінною густиною, за допомогою яких можна плавно послаблювати потужність відповідно лазерних пучків 2₁ і 2₂; коліматор 21 за допомогою якого паралельні лазерні пучки з відстанню між ними  перетворюється в два паралельні пучки з відстанню 2 х₂ «2 х₁; фокусуючий об’єктив 22; комірку 23 з розташованою в ній зразковою сферичною частинкою діаметром d_r і показником заломлення n_r, причому частинка розміщена в оптично прозорому середовищі з показником заломлення n_c; збираючий об’єктив 24, оптична вісь якого збігається з віссю схеми OZ; щілиноподібну апертурну діафрагму 25, в якій вісь симетрії щілиподібного отвору орієнтована впродовж віссі OY, інтерференційний світлофільтр 26; фотоприймач 27; вимірювач глибини модуляції 28; синхронний детектор 29; подвоювач частоти 30; вольтметр 31; підсилювач потужності 32; 33 і 34 – багатоканальний пристрій вводу і виводу лазерного променя в i -у атестовану лінію затримки 35 _і; 35₁…35 _n, “ n ”– число атестованих ліній затримки, виконаних, наприклад, з одномодового світловоду; 36 і 37 – відповідно зразкова лінія затримки з пристроєм вводу і виводу в неї оптичного випромінювання.

Вертикально поляризований лазерний пучок 2 після проходження діафрагм 3 і 4, отвору електромеханічного модулятора 6, ділиться світлодільником 7 на два пучки 2₁ і 2₂ рівної інтесивності. Лазерний пучок 2₂ після відображення від дзеркал 9 і 10 прямує на вхід багатоканального пристрою вводу оптичного випромінювання 33, який має конструкцію барабаного типу з “ n “ числом входів. Нехай, наприклад, встановлений “0” вхід, який уявляє собою отвір. Тоді лазерний пучок 2₂ після відображення від дзеркала 10 поступає на вхід поворотньої призми 11, на виході якої формується пучок, що розповсюджується паралельно віссі OZ. Перед початком вимірювання призма 11 розташована в крайньому правому положенні. В цьому випадку пучок 2₂ набуває по відношенню до пучка 2₁ оптичну різницю ходу рівну L₀. Другий лазерний пучок 2₁ після відображення від дзеркала 8 проходить зразкову лінію затримки 36, яка виконана у вигляді одномодового світловода і яка має відповідний пристрій вводу і виводу оптичного випромінювання 37. Лінія затримки 36 забезпечує компенсацію різниці оптичного ходу L₀. Далі два паралельних і симетричних відносно віссі OZ пучки 2₁ і 2₂ які після відповідної настройки схеми не мають різниці оптичного ходу, проходять відповідно частотозсувний пристрій 12 і 13, поляризатори 15 і 16, азимути віссі пропускання яких дорівнюють і складають кути 90⁰, напівхвильові фазові пластинки 17 і 18, нейтральні фільтри 19 і 20 і потім перетворюються коліматором 21 в два паралельних і симетричних відносно віссі OZ пучки з відстаню між ними 2 х_{2 .} Паралельні пучки 2₁ і 2₂ далі фокусуються об’єктивом 22 в зону вимірювання, яка уявляє собою область перетинання двох лазерних пучків під кутом γ. В зоні вимірювання формується бігуча інтерференційна картина з частотою 2 Ω_{М1 ,} в якій максимуми орієнтовані паралельно площині OYZ з періодом

 ,

де λ – довжина хвилі випромінювання лазера.

За допомогою напівхвильових пластин 17 і 18 забезпечують повне поляризаційне узгодження пучків 2₁ і 2₂ в зоні вимірювання. А за допомогою нейтральних фільтрів 19 і 20 забезпечують рівність інтенсивностей цих пучків, здійснюючи при настройці схеми відповідний контроль параметрів випромінювання в площині OXY. В площині OXY в центрі зони вимірювання розміщюється атестована частинка в комірці 23 розміром d_r «δ_с (сучасні технології забезпечують виробництво сферичних частинок діаметром d_r від одиниці до долей мкм). Атестована частинка опромінюється двома вертикально поляризованими пучками 2₁ і 2₂ узгодженими по стану поляризації і рівних по інтенсивності, які мають різницю частот 2 Ω_М1. Розсіяне частинкою вперед випромінювання від першого 2₁ і другого 2₂ пучків збирається об’єктивом 24 в межах апертурної діафрагми 25 з щілиноподібним отвором і далі через інтерференційний світлофільтр 26 прямує на фотоприймач (фотоелектронний помножувач) 27. Внаслідок оптичного змішення двох розсіяних хвиль, які мають різні частоти, на виході фото- приймача формується сигнал      

(4)

де η – квантова ефективність, е – заряд електрона; h – стала Планка; v₀ – частота випромінювання лазера, ω₀ = 2 πv₀; M – коефіцієнт посилення ФЄП; R_н – опір нагрузки фотоприймача, S – поверхня щілиноподібного отвору апертурної діафрагми 25; К_пф – коефіцієнт поляризаційно-фазового узгодження змішуваних хвиль; І_S1i i I_S2i – інтен- сивності розсіяного випромінювання в і -му напрямку відповідно від першого 2₁ і другого 2₂ лазерних пучків; Ф – фаза високочастотної складової сигналу; – часова відносна затримка двох пучків, які змішуються на фотокатоді; L – різниця оптичного ходу, яка залежить від положення призми 11 і включеної і -ої лінії затримки 35 _і. В початковому стані, коли призма 11 установлена так, що відстань встановлює L_{0 ,}  в силу властивостям симетрії схеми (рис.1) лазерні пучки 2₁ і 2₂ проходять один і тот же оптичний шлях через ідентичні оптичні елементи і пристрої і, крім того, оскільки хвильові вектора розсіяних пучків  i  просторово сполучені, то різниця оптичного ходу між розсіяними пучками дорівнює нулю, тому можна вважати, що при правильній настройці схеми θ = 0. Змінювати різницю оптичного ходу L та відповідно  можна дискретно L_i шляхом включення і -атестованої лінії затримки, а також плавно шляхом мікропереміщення призми 11 в напрямку протележному віссі OZ. Наприклад, нехай багатоканальній пристрів вводу та виводу 33 і 34 містить n =120 ліній затримки з шагом дискретності L = 0,5 м, тоді, якщо включена 120-та лінія затримки (35₁₂₀), то внесена лінією затримки 35₁₂₀ фіксована різниця оптичного ходу складає L = 60 м, а різниця оптичного ходу, яка вноситься в залежності від положення призми 11 може змінюватися в межах L = 0 ÷ 0,5 м. Таким чином запропонована схема, має значно меньші габарити, ніж відомі схеми інтерферометрів Майкельсона, Жамена і т.п., та дозволяє в значних межах (від нуля до сотен м) змінювати різницю оптичного ходу між двома лазерними пучками, що по-перше, дозволяє дослідити різні режими роботи лазерів (одномодові і одночастотні, багатомодові) і, по-друге, при цьому забезпечити більш високу стабільність інтерферометра до різних зовнішніх збуджень.

Аналіз виразу (1) показує, що вихідний сигнал фотоприймача уявляє собою аддитивну суміш сталої V₁ і високочастотної складової сигналу U₂ на частині 2 Ω_М (U_фп=V₁+U₂). Виконані дослідження сумарного розсіяного поля на основі теорії розсіювання [4] показують, що, якщо прийом розсіяного випромінювання здійснювати в межах отвору симетричного відносно віссі ОХ (розмірів отвору 2 а_х) і відносно віссі ОУ (розмір отвору 2 а_y»2 а_x), то в цьому випадку спостерігається амплитудне, поляризаційне і фазове узгодження змішуваних хвиль і тому К_пф = 1.

Отже, в цьому випадку глибина модуляції фотоструму (1) буде визначатися тільки модулем степені часової когерентності:

= 1

За допомогою пропонуємого пристрою можна досліджувати залежність  і знайти час когерентності (відповідну довжину когерентності) випро- мінювання лазера. Розмір щільноподібного отвору (S = 2а_х×2а_у) для заданних параметрів схеми: γ, λ, d_r, n_r, n_c – розраховуються по методиці запропонованій в роботі [4]. Вихід фотоприймача 27 підключений до входу вимірювача глибини модуляції 28, який видає в реальному масштабі часу інформацію про модуль степені часової когерентності для заданої часової затримки θ_і.

Для настройки схеми (рис.1) необхідно використовувати стабілізований по потужністі одночастотний лазер 1. Включається електромеханічний модулятор 5, який здійснює модуляцію лазерного пучка по інтенсивності з частотою 2 Ω_М1. Цей модулятор 5 обертається синхроним двигуном 6, який підключений до високостабільного (кварце- вого) генератора 14 через подвоювач частоти 30 і підсилювач потужності 32. Крім того, вихід подвоювача частоти 30 з’єднаний з одним входом синхроного детектора 29, другий вхід якого підключений до виходу фотоприймача 27. Потім, змінюючи положення призми 11 і дискретно включаючи лінії затримки 35 і, для кожного фіксованого значення різниці оптичного ходу L_i, послідовно вимірюють вихідні напруги сигналу синхроного детектора 29 за допомогою вольтметра 31 спочатку при прийомі розсіяного випромінювання від пучка 2₂ (пучок 2₁ перекритий), а потім при прийомі розсіяного випромінювання від пучка  (пучок  перекритий). Якщо ці сигнали нерівні то необхідно забезпечити їх рівність щляхом юстировки схеми і послаблення більш потужнього лазерного пучка за допомогою відповідного фільтру 19 або 20. Крім того для кожного фіксованого значення L_i при виключеному модуляторі 5 і включених частотозсувних пристроях 12 і 13, вимірюють високочастотну складову сигналу U₂ за допомогою вольтметра 31, а також глибину мо­дуляції вимірювачем 28. При правильній настройці схеми виміряна і розрахована гли­бина модуляції фотоструму не повинна залежати від L_i в межах довжини когерентності одночастотного лазера і повинна дорівнювати V_і = 1. Схема пристрою дозволяє підвищити більш ніж на порядок точність вимірювання модуля степені часової когерентності в більшому динамічному діапазоні вимірювання різниці оптичного ходу пучків 2₁ від мм до сотен і більше метрів, що робить можливим за її допомогою вимірювати час когерентності лазерів, які працюють як в багатомодовому, так і в одномодовому і одночастотному режимах. Крім того, пристрій має малі габарити і на його роботу практично не впливають температурні та інші нестабільності і вібрації, оскільки в ньому реалізується диференційна схема оптичного змішення лазерних пучків.

 

МЕТОДИКА І СХЕМИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОДЕРЖАННЯ Когерентних ПУЧКІВ

Двопроменевопереломлення дає можливість одержання двох когерентних пучків. Для цих цілей на двопроменевопереломлюючий кристал направляють поляризований, з азимутом α = 45° до осі кристала, монохроматичний пучок, що розщеплюється на два однакових по інтенсивності пучка з ортогональними станами поляризації, на шляху поширення одного з пучків установлюється фазова пластинка λ/2, з можливістю зміни стану поляризації пучка на ортогональне.

1. Схема оптичного пристрою представлена на рис. 3.

Рис. 3. 1 - монохроматичне джерело неполяризованого випромінювання, 2 - пучок випромінювання, 3 - діафрагма, 4 - колиматор, 5 - поляризатор, 6 - призма Волластона, 7 і 8 - пучки випромінювання з ортогональним станом поляризації, 9 і 11 - лінзи, 10 - фазова пластинка λ/2 ,12 - зона перетинання пучків.

 

Схема працює таким чином: джерело випромінювання 1 випромінює пучок неполяризованого випромінювання 2, що проходить діафрагму 3, колиматор 4, поляризатор 5 з азимутом α = 45° і падає на призму Волластона 6, на виході якої пучки 7 і 8 мають однакову інтенсивність з ортогональним станом поляризації, при проходженні фазової пластинки λ/2 пучок 7 змінює стан поляризації на ортогональне, при цьому стани поляризації пучків стають погодженими. Лінзи 9 і 11 забезпечують формування зони перетинання пучків 12, що являє собою просторову інтерференційну область, інтерференційний період -σ якої показаний у перетині А-А, та визначається виразом

Якщо фазову пластинку 10 забрати, то інтерференційна картина відсутня - два розщеплених пучки з лінійними взаємоортогональними поляризаціями - некогерентні.

 

 2. Схема одержання когерентних пучків за допомогою дифракційних прозорих симетричних ґрат представлена на рис. 4.

 

 

Рис. 4 1 - джерело монохроматичного випромінювання, 2 - пучок випромінювання, 3 -діафрагма, 4 - колиматор, 5 - дифракційні ґрати, 6 і 7 - два когерентних пучки, 8 і 9 об'єктиви, 10 - зона перетинання пучків.

У зоні перетинання пучків 6 і 7 утвориться інтерференційна область. Якщо на шляху одного з пучків розмістити кювету з оптично активним середовищем 11, що повертає площину поляризації на 90°, у цьому випадку інтерференція пучків відсутня і в області перетинання отримані некогерентні пучки (рис.5)

Рис. 5. 1 - джерело монохроматичного випромінювання, 2 - пучок випромінювання, 3 -діафрагма, 4 - колиматор, 5 - дифракційні ґрати, 6 і 7 - два когерентних пучки, 8 і 9 об'єктиви, 10 - зона перетинання пучків, 12 - апертурна діафрагма

Якщо оптично активне середовище повертає площину поляризації на 180° (наприклад, використовується магнитооптичний ефект, у якому Н - напруженість магнітного поля збільшили в два рази), то інтерференція знову з'являється, але її період зміститься на σ/2 (півперіода).

 Якщо на шляху двох когерентних пучків (рис.6) розмістити фазову пластинку λ/2, то інтерференція не спостерігається, тому що отримані лінійні ортогональні стани поляризації, що не забезпечують формування інтерференційної картини.

Рис.6. 1 - джерело монохроматичного випромінювання, 2 - пучок випромінювання, 3 -діафрагма, 4 - колиматор, 5 - дифракційні ґрати, 6 і 7 - два когерентних пучки, 8 і 9 об'єктиви, 10 - зона перетинання пучків, 11 - діафрагма, 12 - фазова пластинка λ/2,14 - поляризатор

Якщо інтерференційну картину спостерігати через поляризатор 14, то формується інтерференційний період σ, що при азимутах поляризатора рівних а й а +90° буде зміщений на σ/2.