способ измерения длины волны лазерного излучения

Формула изобретения

Способ измерения длины волны лазерного излучения, включающий формирование интерференционной картины лазерного излучения и ее анализ, отличающийся тем, что в резонатор лазера устанавливают отражающую пластину, на отражающей поверхности которой формируют многолучевую интерференционную картину в виде системы узких равноотстоящих штрихов путем поворота указанной пластинкой лазерного луча, и по углу поворота и периоду d штриховой интерференционной картины определяет длину волны l лазерного излучения по формуле

l = 2dsin(/2)./2

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к интерференционной спектроскопии лазерного излучения.

Известен интерференционный способ измерения длины волны на основе интерферометров Фабри-Перо, управляемых ЭВМ [1] включающий получение интерференционной картины для эталонного и исследуемого источников с помощью интерферометров Фабри-Перо, регистрацию ее посредством фотодиодной линейки и вычисление длины волны по известному алгоритму.

Известный способ имеет узкий спектральный диапазон измерений, недостаточный динамический диапазон интенсивностей излучения, ограниченный, в частности, лучевой прочностью отражающих покрытий интерферометров, и сложен в технической реализации, поскольку необходимы строгая термостабилизация и герметизация интерферометров, а также наличие эталонного источника для их калибровки. Наиболее близким к заявляемому является способ измерения длины волны монохроматического излучения [2] согласно которому интерферометр освещают излучениями эталонного и измеряемого источников, производят одновременный счет интерференционных полос эталонного и измеряемого излучений между всеми совпадениями во всем интервале счета, фиксируют результаты счета числа интерференционных полос от эталонного Р_э и от измеряемого Р_и источников между совпадениями, ближайшими к центру и группы равноотстоящих совпадений в начале и конце счета. Измеряемую длину волны _и находят по формуле , где _э длина волны излучения эталонного источника.

Известный способ имеет узкий спектральный диапазон измерений, ограниченный возможностями интерферометра с переменной разностью хода, недостаточный динамический диапазон интенсивностей излучения, ограниченный лучевой прочностью отражающих покрытий интерферометра, сложен в технической реализации из-за необходимости иметь эталонный источник излучения и, как следствие, необходимости анализировать сложную интерференционную картину, являющуюся результатом наложения двух интерференционных полей от эталонного и измеряемого источников излучения.

В основу изобретения положена задача создания такого способа измерения длины волны лазерного излучения, который обеспечил бы расширение спектрального диапазона измерений, динамического диапазона интенсивностей измеряемого излучения и позволил бы упростить техническую реализацию измерений.

Эта задача решается таким образом, что при реализации способа измерения длины волны лазерного излучения, включающего формирование интерференционной картины и ее анализа, формируют многолучевую интерференционную картину в виде системы узких равностоящих штрихов на отражающей поверхности пластинки, установленной в резонатор лазера, путем поворота указанной пластинкой лазерного луча и по углу поворота и периоду штриховой интерференционной картины определяют длину волны лазерного излучения.

Сущность предлагаемого способа измерения длины волны лазерного излучения состоит в следующем. В резонаторе лазера, длину волны излучения которого необходимо измерить, устанавливают высокоотражающую (зеркальную) пластинку, используемую в качестве поворотного зеркала. Отражающая поверхность пластинки может быть предварительно покрыта высокоотражающим, в том числе светочувствительным слоем. Пластинку устанавливают в резонаторе лазера так, что на ее отражающей поверхности формируется и фиксируется интерференционная картина, представляющая собой периодическую структуру в виде системы равноотстоящих узких штрихов, которая получается в результате поворота пластинкой лазерного луча на угол , выбираемый в диапазоне 0<<180. Измеряют этот угол и период d полученной штриховой картины и по ним определяют длину волны лазерного излучения по известной для такого типа интерференции формуле:

l = 2dsin(/2).

Если мощность лазерного излучения велика и его плотность мощности в интерференционных максимумах превышает пороговую плотность лучевой поверхностной прочности материала поворотной пластинки, то интерференционная картина фиксируется на ее отражающей поверхности в виде узких штриховых следов теплового разрушения отражающей поверхности, в частности, тонкослойного металлического покрытия. Если же мощность лазерного излучения мала, то интерференционная картина фиксируется в виде узких штрихов засветки интерференционными максимумами светочувствительного слоя, которым покрывается отражающая поверхность пластинки. В результате существенно расширяется динамический диапазон интенсивностей исследуемого излучения.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его осуществления и прилагаемым чертежом, где, согласно изобретению, показана оптическая схема реализации предлагаемого способа. Она включает активную среду исследуемого лазера 1, глухое зеркала резонатора 2, поворотную пластину 3, концевое зеркало резонатора 4.

Предлагаемый способ измерения длины волны лазерного излучения испытан на базе ТЕА-лазера на СО₂, работающего на линии Р20 молекулы СО₂, которой соответствует длина волны излучения = 10,5910 мкм, а также на базе импульсного лазера на силикатном неодимовом стекле с длиной волны излучения 1,06 мкм.

Резонатор ТЕА-лазера на СО₂ образован сферическим зеркалом 2 из нержавеющей стали с радиусом кривизны 10 м. В качестве концевого зеркала 4 использовано плоское зеркало из меди. Поворотным зеркалом 3 служила плоская полированная пластинка из стекла К-8 с напыленной не нее пленкой алюминия толщиной , которая играла роль высокоотражающего светочувствительного слоя. Угол поворота лазерного луча устанавливался равным 2^o. При плотности мощности в импульсе лазерного излучения 100 МВт/см² на отражающей поверхности поворотного зеркала 3 формировалась периодическая структура в виде системы резких параллельных равностоящих штрихов шириной 0,3 мкм с периодом d 303,4 мкм. В этих условиях вычисленная по формуле l = 2dsin(/2)/2 длина волны лазерного излучения оказалась равной l = 10,5901, а относительная погрешность измерения составила 0,03%

В случае лазера на стекле с неодимом резонатор был образован вогнутым сферическим зеркалом 2 с коэффициентом отражения 100% и радиусом кривизны 2,5 м. Выходным зеркалом 4 служила плоскопараллельная пластинка, на которую нанесено многослойное диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения 65% В режиме свободной генерации такой лазер обеспечивал импульсы излучения длительностью 0,5 мс и энергией 5 Дж. Поворотное зеркало 3 в виде плоскопараллельной пластинки из стекла К-8 с напыленной пленкой алюминия толщиной устанавливалось между активным элементом 1 лазера и концевым зеркалом 4. Угол порота лазерного луча устанавливался равным 3^o. При этом на алюминиевой планке поворотного зеркала 3 фиксировалась четкая периодическая штриховая картина с периодом d 20,2 мкм и шириной штриха <0,3 мкм. Измеренная в этих условиях длина волны излучения оказалась равной 1,0601 мкм, а относительная погрешность измерения составила 0,15%

Необходимо заметить, что если измерять период штриховой структуры с большой точностью, например, с точностью до второго знака после запятой, то относительная погрешность определения длины волны лазерного излучения соответственно уменьшится.

Источники информации: 1. A. Fisher et al. "Computer Controlled Fabry-Perot wavemeter". Opt. Commun. V. 39, N 5, 1981, p. 277 282. 2. Авторское свидетельство СССР N 1026538, МКИ G 01 J 9/02, 1981.