Способ определения спектра интенсивности светового пучка и устройство для его осуществления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТОВОГО ПУЧКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Хомченко Александр Васильевич Сотский Александр Борисович Шульга Александр Васильевич Сотская Людмила Ивановна Хомченко Валентина Васильевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(56)20020053, 2003.881538, 1981.1060953 , 1983. Хомченко А.В. Определение параметров тонких пленок в схеме призменного возбуждения мод. Письма в ЖТФ,2002. - Т. 28. - В. 11. - С. 51-57.(57) 1. Способ определения спектра интенсивности светового пучка, включающий регистрацию угловой зависимости мощности светового пучка, отраженного от призменного устройства возбуждения моды планарного волновода, отличающийся тем, что исследуемый спектр определяют по измеренной угловой зависимости мощностисветового пучка,где- угол между осью отраженного пучка и нормалью к выходной грани призменного устройства возбуждения, путем нахождения распределения интенсивностив поперечном сечении пучка в зависимости от угловой координатыпосредством выражения где 2 - аппаратная постоянная регистрирующего фотоприемника- переменная интегрирования(0)-12- мнимая единица и (-1)-1 - полиномы Эрмитапорядка 1 - координата минимума функции 1 2 1 122 и- действительная и мнимая части комплексной постоянной распространения моды волновода 0210 0 - длина волны анализируемого излучения 0,52 и- диэлектрические проницаемости призменного устройства возбуждения и окружающей его среды соответственно- угол при основании призменного устройства возбуждения. 2. Устройство для определения спектра интенсивности светового пучка способом по п. 1, содержащее расположенные по ходу распространения светового пучка поляризатор,призменное устройство возбуждения, выполненное с возможностью поворота относительно оси пучка, блок регистрации мощности и угла выхода светового пучка из призменного устройства возбуждения, а также блок обработки зарегистрированных величин, при этом на основание призменного устройства возбуждения нанесена многослойная тонкопленочная структура, способная поддерживать по крайней мере одну волноводную моду с действительной частью комплексной постоянной распространения 0,01 , гдедиэлектрическая проницаемость среды, окружающей призменное устройство возбуждения, блок регистрации содержит установленный за призменным устройством связи анализатор, а блок обработки выполнен с возможностью определения исследуемого спектра по зарегистрированной угловой зависимости мощностисветового пучка, где- угол между осью отраженного пучка и нормалью к выходной грани призменного устройства возбуждения, путем нахождения углового распределения интенсивности в поперечном сечении пучка. Изобретение относится к области оптики, интегральной и волоконной оптики и может быть использовано для исследования спектров пространственных частот лазерных пучков и спектров интенсивности излучения из торца оптического волокна. Известен способ и устройство для определения спектра интенсивности светового пучка, основанный на использовании движущегося экрана с малым отверстием, который располагается между источником излучения и фотоприемником, регистрирующим мощность 2 10365 1 2008.02.28 света, прошедшего через такое отверстие ( ). Сканируя экран в направлениях, перпендикулярных направлению распространения исследуемого светового пучка, и регистрируя при этом положение отверстия и интенсивность прошедшего излучения, восстанавливается двумерный спектр интенсивности излучения 1. Недостатком данного метода и устройства является невозможность достичь одновременно высокой точности измерения и высокого разрешения, т.к. для увеличения разрешения необходимо уменьшить отверстие в экране, что влечет за собой уменьшение точности измерения, и, наоборот, для увеличения устойчивости результатов измерения к шумам необходимо увеличить интенсивность попадающего на фотоприемник излучения путем увеличения отверстия в экране, что влечет за собой уменьшение разрешения получаемого распределения спектра интенсивности. Известно устройство и способ изменяющейся апертуры , для определения спектра интенсивности светового пучка, который заключается в том, что между источником излучения и регистрирующим его интенсивность фотоприемником располагается диафрагма с изменяемой апертурой 2. Увеличивая или уменьшая диаметр диафрагмы,регистрируют интенсивность прошедшего излучения, обработка полученной зависимости позволяет определить спектр интенсивности пучка. Недостатком данного способа является его применимость только для исследования спектра интенсивности широких световых пучков, т.к. при исследовании очень тонких пучков в их центре будет наблюдаться большая погрешность из-за невозможности обеспечить достаточно малый шаг изменения апертуры, а также большой сложности центрирования пучка и изменяющейся диафрагмы на одной оси. Известен способ и устройство для определения спектра интенсивности светового пучка,основанный на принципах фурье-оптики и заключающийся в том, что для исследования спектра интенсивности светового пучка применяется матрица фотоприемников, регистрирующая распределение интенсивности в фокальной плоскости объектива 3. Основным недостатком способа и устройства является его невысокая точность, так как технически невозможно обеспечить высокое разрешение при определении спектра интенсивности слаборасходящегося лазерного пучка (диаметр пятна 2030 мкм при размере ячейки фотоприемника 5 мкм). Из известных, наиболее близким по технической сущности, является способ для определения спектра интенсивности светового пучка, основанный на использовании экрана с узкой щелью 5. Сканируя экран в направлениях, перпендикулярных направлению распространения исследуемого светового пучка, и регистрируя при этом положение щели и мощность прошедшего через нее излучения, восстанавливается спектр интенсивности излучения. Данный способ удобен в обращении, позволяет измерять с определенным разрешением спектр интенсивности световых пучков. Однако с помощью данного метода невозможно достичь одновременно высокой точности измерения и высокого разрешения, т.к. для увеличения разрешения необходимо уменьшить ширину щели в экране, что влечет за собой уменьшение точности измерения, и, наоборот, для увеличения точности измерения необходимо увеличить интенсивность попадающего на фотоприемник излучения путем увеличения ширины щели в экране, что влечет за собой уменьшение разрешения получаемого спектра интенсивности. Из известных, наиболее близким по технической сущности, является устройство для определения угловой зависимости мощности светового пучка, отраженного от призменного устройства связи при возбуждении волноводной моды пленки, осажденной на стеклянную подложку 5. Устройство позволяет с высокой точностью и разрешением измерить угловую зависимость мощности светового пучка, отраженного от призмы связи, но не может быть использовано для определения его спектра интенсивности, т.к. отсутствует элемент для сканирования пучка. 3 10365 1 2008.02.28 Основной задачей, на решение которой направленно настоящее изобретение, является повышение точности измерения, увеличение разрешения исследования световых пучков,светосилы устройства и расширение его функциональных возможностей, заключающееся в определении как спектра интенсивности узко направленных лазерных пучков, так и расходящегося излучения из торца оптического волокна. Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения спектра интенсивности, заключающемся в том, что исследуемый спектр определяют по измеренной угловой зависимости мощностисветового пучка, где- угол между осью отраженного пучка и нормалью к выходной грани призменного устройства возбуждения, путем нахождения распределения интенсивностив поперечном сечении пучка в зависимости от угловой координаты, посредством выражения где С 2 - аппаратная постоянная регистрирующего фотоприемника- переменная интегрирования(0)-12- мнимая единица и (-1)-1 - полиномы Эрмитапорядка 1 - координата минимума функции 2 1 122 и- действительная и мнимая части комплексной постоянной распространения моды волновода 0210 0 - длина волны анализируемого излучения 0,52 и- диэлектрические проницаемости призменного устройства возбуждения и окружающей его среды соответственно- угол при основании призменного устройства возбуждения. Технический результат достигается также тем, что в известное устройство для определения спектра интенсивности светового пучка способом по п. 1, содержащее расположенные по ходу распространения светового пучка поляризатор, призменное устройство возбуждения, выполненное с возможностью поворота относительно оси пучка, блок регистрации мощности и угла выхода светового пучка из призменного устройства возбуждения, а также блок обработки зарегистрированных величин, при этом на основание призменного устройства возбуждения нанесена многослойная тонкопленочная структура, способная поддерживать по крайней мере одну волноводную моду, с действительной частью комплексной постоянной распространения 0,01 , где- диэлектрическая проницае 10365 1 2008.02.28 мость среды, окружающей призменное устройство возбуждения, блок регистрации содержит установленный за призменным устройством связи анализатор, а блок обработки выполнен с возможностью определения исследуемого спектра по зарегистрированной угловой зависимости мощностисветового пучка, где- угол между осью отраженного пучка и нормалью к выходной грани призменного устройства возбуждения, путем нахождения углового распределения интенсивности в поперечном сечении пучка. Именно установленное призменное устройство связи с дополнительно нанесенной на его основание волноводной многослойной структурой и анализатор обеспечивают, согласно способу, определение спектра интенсивности светового пучка с определенным разрешением и высокой светосилой и тем самым решение поставленной технической задачи. Предложенные способ и устройство поясняются рисунками. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из делителя пучка 1,поляризатора 2, расположенных по ходу распространения светового пучка планарного волновода 5, нанесенного на основание измерительной призмы 3 на поворотном столике 6 и отделенного от нее буферным слоем 4, фотоприемников 7 и 8, шаговых двигателей 9 и 10,анализатора 11, блока синхронного управления шаговыми двигателями 12, блока сравнения каналов 13, аналого-цифрового преобразователя 14, подключенного к компьютеру 15. Исследуемый световой пучок падает на призменный элемент связи 3, смонтированный на поворотном столике 6. Угол падения луча на призму изменяется с помощью шагового двигателя 9. Регистрация пространственного распределения коэффициента отражения осуществляется с помощью фотоприемника 8, синхронно перемещаемого вторым аналогичным шаговым двигателем 10. Блок управления шаговыми двигателями 12 синхронизирован с блоком сравнения каналов 13. После цифровой обработки сигнал поступает в оперативную память компьютера 15. На фиг. 2 приведены угловые зависимостимощности пучка при возбуждении волноводной моды тонкопленочной структуры лазерным пучком с радиусом поперечного сечения , равным 90, 140 и 450(кривые 1, 2 и 3 соответственно). На фиг. 3 представлены восстановленные спектры интенсивности лазерного пучка с радиусом поперечного сечения , равным 90, 140 и 450(кривые 1, 2 и 3 соответственно) данные, полученные методом фурье-оптики для кривых 1 и 3, показаны точками. Пример конкретного выполнения. Определение спектра интенсивности светового пучка осуществлялось на установке, схема которой приведена на фиг. 1. Регистрируемой величиной является интенсивность светового пучка, отраженного от призменного устройства связи при заданном значении угла падения. Исследуемый световой пучок от источника излучения, в качестве которого использовался лазер с длиной волны излучения 632,8 нм, падает на поворотный столик 10. В данном случае призма была изготовлена из оптического стекла ТФ 12 с показателем преломления 1,77905 на длине волны 0,6328 нм. Измерение производилось при ТЕ-поляризации. Конструкция установки позволяет изменить радиус светового пучка в пределах от 70 до 500 нм. В качестве тестового образца использовалась тонкопленочные структуры, изготовленные осаждением волноводной пленки на основание призмы связи в ходе ВЧ распыления керамических мишеней в атмосфере аргона и кислорода (41). Угол падения луча на призму изменяется с помощью шагового двигателя 15. Шаг дискретизации угла поворота измерительного столика составляет 20 угловых секунд. Регистрация пространственного распределения коэффициента отражения осуществляется с помощью фотоприемника 12, синхронно перемещаемого вторым аналогичным шаговым двигателем 14. В качестве фотоприемников использовались фотодиоды с большим полем зрения, например ФД-7 К. Измеряемыми величинами являлись мощность светового пучка, отраженного от призменного устройства связи при текущем значении угла падения,и мощность падающего пучка, контролируемая вторым приемником. После цифровой обработки (10-разрядным АЦП) сигнал в режиме прямого доступа (шина ) поступает в 10365 1 2008.02.28 оперативную память компьютера. Действительная и мнимая части постоянной распространения моды многослойной структуры, нанесенной на основание призмы связи, были предварительно измерены с использованием лазерного пучка, спектр интенсивности и радиус которого были известны, и были равны соответственно /01,46623 и - /02,9610-6. Можно отметить следующие этапы при проведении измерений углового распределения коэффициента отражения светового пучка при возбуждении моды тонкопленочной структуры. Так как установка работает в автоматическом режиме, то, прежде всего, необходимо определить начало отсчета углов. Достаточно просто и удобно это сделать, выбрав в качестве реперной точки угловое положение фотоприемника 12 в момент регистрации прямо прошедшего светового пучка. В этом случае призма выдвигается из зоны пучка. Далее определив угловое положение нормали к одной из граней призмы, с учетом геометрии призменного элемента связи и оптических параметров подложки и материала призмы,процессор предварительно находит диапазон измеряемых углов и дает команды шаговым двигателям подготовить систему к проведению измерений. Затем при заданном количестве выборок и числе измерений проводится набор статистических данных, их усреднение и запись зарегистрированного распределения в память компьютера. Угловые зависимостимощности светового пучка, отраженного от призменного устройства связи при возбуждении волноводной моды с помощью лазерных пучков, формируемых различными оптическими системами, приведены на фиг. 2. Компьютерная программа, основанная на теории, результирующие выражения которой приведены выше,позволяет обрабатывать зарегистрированное распределение и восстанавливать спектр интенсивности светового пучка. Спектры интенсивности лазерных пучков, соответствующие зарегистрированным зависимостям(см. фиг. 2), приведены на фиг. 3 (кривые 1-3). Корректность получаемых результатов подтверждена их сопоставлением с данными,полученными фотометрированием пучков в фокальной плоскости длиннофокусного(60 см) объектива 6 и представленными на рисунке точками. Анализ приведенных кривых свидетельствует об удовлетворительной корреляции результатов, полученных независимыми методами. Эффективность метода демонстрируют результаты определения спектра интенсивности лазерного пучка, имеющего отклонение от гауссовой формы(фиг. 3, кривая 3). Как следует из приведенных данных предлагаемый подход позволяет зафиксировать незначительные изменения в спектре интенсивности анализируемых световых пучков и обеспечить более высокое разрешение в сравнении с методами фурьеоптики, сохранив при этом требуемую точность измерений. Особенно это заметно при сканировании слабо расходящихся лазерных пучков (фиг. 3, кривая 3). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.