20.2. Рабочие средства измерений параметров пространственной и временной когерентности

Несмотря на многочисленность методов измерения параметров когер» ■ ности излучения лазеров, до сих пор отсутствуют серийные когерометры и единый подход к измерениям и требованиям к СИ когерентности. Одной из попыток установления единообразия требований к структурной схеме рабоче­го СИ и отдельных ее элементов являлась разработка ОСТ [102].

В основе такого рабочего СИ параметров пространственной и временной когерентности лежит интерферометрический метод, при котором информа­ция о степенях пространственной и временной когерентности для различ­ных пространственно-временных точек волнового фронта р1, Р2, (радиусе когерентности, времени и длине когерентности) извлекается из результатов измерения видности интерференционной картины в двухлучевом интерферо­метре с амплитудным делением фронта волны и  вычисляется по формуле (20. 3). Распределение интенсивности в интерференционной картине наблюдают на экране осциллографа. Измерения производят в такой последо­вательности:

1) измеряют максимальное  и минимальное  значения переменной составляющей электрического сигнала для i-й (произвольной) интерференци­онной полосы, имеющей координату

2) измеряют амплитуды постоянных составляющих электрических сигна­лов при перекрытии первого  и второго  пучков соответственно в точке с координатой

3) проводят расчет степени пространственной когерентности для всех по­лос в пределах интерференционной картины по формуле

                                      (20. 6)

4) строят график функциональной зависимости  от координаты i-й по­лосы, при этом за начало координат принимают положение полосы с макси­мальным значением ;

5) определяют по графику минимальное расстояние , при котором  = 0, 5;

6) строят графики функциональных зависимостей интенсивности первого и второго пучков J1 и J2 от координаты точки х1 относительно установленного по п. 4 начала координат, определяют по графикам радиусы интерферирую­щих пучков, при которых интенсивность уменьшается в 10 раз;

7) вычисляют радиус пространственной когерентности по формуле

8) оценивают относительную погрешность измерения , которая в ос­новном определяется погрешностями измерения интенсивностей, радиуса  и координаты  так как все погрешно­сти, присущие оптической схеме, намного меньше.

Структурная схема рабочего СИ при­ведена на рис. 20. 1. В соответствии со схемой рис. 20. 1 был создан эксперимен­тальный образец такого рабочего СИ для измерения на длине волны 0, 63 мкм с по­грешностью ~ 20 %.

При измерении длины когерентности разность хода между интерферирующи­ми лучами изменяют, перемещая зер­кало б параллельно лучу. Назначение остальных элементов и устройств схе­мы то же, что и при измерении радиу­са пространственной когерентности. Спе­цифическим требованием схемы для из­мерения длины когерентности является возможность обеспечения максимальной разности длин плеч интерферометра (для расширения диапазона измерений).

Рис. 20. 1. Рабочее средство измерений параметров пространственной и вре­менной когерентности: 1 — лазер; 2 — ослабитель; 3 — делительное зеркало; 4, б — зеркала; 5, 7 — линзы; 8 — устрой­ство сканирования; 9 — микрометриче­ская щель; 10 — ОЭИП; 11 — регистри­рующее устройство

Измерения  производят следующим образом:

1) как и ранее, измеряют последовательно , ,  и  для интерференционных полос с координатами  и для фиксированной разности хода между интерферирующими лучами ;

2) проводят расчет степени когерентности для всех полос в пределах ин­терференционной картины по формуле (20. 6);

3) вычисляют среднее значение степени когерентности для фиксированной разности хода по формуле

где n — количество интерференционных полос;

4) перемещают зеркало 4 параллельно лучу и проводят измерение среднего значения степени когерентности повторно, и так для ряда значений ;

5) строят график функциональной зависимости  от  и определяют по графику длину временной когерентности излучения  как минимальное значение разности хода, при котором функция ( ) равна 0, 5;

6) оценивают относительную погрешность измерений /д.. Экспериментальный образец рабочего СИ для измерения  на длине вол­ны 0, 63 мкм имел погрешность 10%.

Описанные рабочие СИ могли быть использованы только для измерения параметров когерентности излучения лазеров, работающих в непрерывном ре­жиме. Имеется сообщение о рабочем когерометре для измерения степени про­странственной когерентности излучения импульсного лазера на рубине [105], разработанном на основе голографического метода. Однако сведения о показа­телях точности и возможности метрологической аттестации данного образца не приводятся.

В заключение этой главы можно констатировать, что даже спустя более чем 30 лет после появления лазеров одно из основополагающих свойств их излучения — когерентность — в измерительном плане остается практиче­ски невостребованным и поэтому метрологически неосвоенным. При решении разнообразных научных, прикладных задач, включая контроль и измерения, интересуются, как правило, энергетическими, пространственно-энергетиче­скими, реже спектральными и временными параметрами когерентного опти­ческого излучения. В таких, казалось бы, «когерентных» областях техники, как голография и интерферометрия, в лучшем случае упоминаются длина или время когерентности, но значения этих параметров не связываются с каче­ством протекающих процессов. Приходится также констатировать отсутствие серийных когерометров и, как следствие, соответствующей системы ОЕИ параметров когерентности.

Однако такое состояние невостребованности когерометрии со всеми атри­бутами этого направления оптических измерений неизбежно будет нарушено по мере освоения новых динамических и спектральных диапазонов, особенно в связи с успехами последних лет в области нано- и даже субнанометрии, где, скорее всего, без количественных данных о параметрах когерентности с гарантированной точностью не обойтись.