Лазер диагностикасының дифракциялық құралы

Дифракциялық құбылыстар оптика » ғылым ұсынған қолайсыз, себебі мүмкіндіктерінің шектеулілігі оптикалық жүйелердің, соның ішінде лазерлік метрологиялық, навигациялық және гироскопиялық аспаптар. Белгілі және пайдалы практикалық қолдану классикалық дифракция света, мысалы, өлшеу, мөлшерін тесіктер диаметрдегі жіптерді және санын, олардың скрутке, сыну көрсеткіштерінің және басқа да бірқатар. Алайда, бар маңызды қыры осы құбылыстардың — дифракционное кері шашырау (ДОР) жергілікті неоднородностях спектрдің оптикалық резонаторе, придающий оларға ерекше мәртебе. Жоғары сезімталдық фазаның результирующей ДОР жылжытуға бөлінген жергілікті біртекті емес (ВЛН) резонатора осі бойынша лазердің жасайды дифракцию басқару құралы сипаттамалары генерациялау ретінде сызықтық және сақиналық лазер, сондай-ақ нәзік өлшеу саласындағы жеке параметрлер. Кетуіме, мысалы, іске асыру мүмкіндігін внутрирезонаторного доплеровского өлшеуішті ағынның негізінде ДОР, тікелей өлшеудің салыстырмалы асқан тартып шағару шегінің үстінде және өздерінің мәндерін шығындарын резонатора және күшейту белсенді ортаның [1] және т. б. Осы жұмыста келтірілген мысал жеткілікті қарапайым анықтау негізінде ДОР кейбір физикалық параметрлерін өлшеу, оның ішінде дәстүрлі тәсілдермен болып саналады өте тұтынады уақыт, мысалы: конвективті жылу берудің коэффициентінің шамасы поляризационного оптикалық дихроизма сіңіру — термиялық реакция ВЛН айқындайтын ДОР » резонаторе лазер, поглощаемую онымен энергиясын оптикалық сәулелену.

Запишем өріс жүгіретін қарама-қарсы толқындардың резонаторе лазердің жиілігі генерациялау w түрінде
E 2,1 (z, t) = E 2,1 (t)exp{- j(w t ± kz + F 2,1 (t)}, мұндағы E 1,2 (t), F 1,2 (t) — баяу заттай амплитудасының және фаза толқындар, белгілейміз: F(t)= F 1 (t) — F 2 (t) — фазалар айырымы. Желілік лазере Fє Const(t), т. б. қарама-қарсы толқындар қатаң байланысты көрсете на зеркалах, ал сақиналық лазере F(t) тәуелді отырған резонаторе жергілікті неоднородностей (диафрагмалар), туғызатын басқа қосымша шығындардың әрбір толқындар, сондай-ақ сызықтық байланыс қарама-қарсы толқындар салдарынан оларды кері шашырау. Белгілейміз M, Q — амплитудасын және фазасын результирующего (тиімді) кешенді коэффициентінің байланыс қарама-қарсы толқындар барлық неоднородностях резонатора туғызатын кері шашырау, m, u — амплитудасын және фазасын парциалды коэффициентінің ДОР бір бөлінген жергілікті біртекті емес. Тәуелділік сипатын фазаның результирующего коэффициентінің байланыс Q жылғы u (фаза ДОР » ВЛН) арақатынасымен анықталады ауытқу шегі M, m. Кезде m << M фаза Q аз сезімтал өзгерістерге u, алайда m @ M-фаза Q іс жүзінде дәл «бақылайды» u, ал аралық жағдайларда Q жөн u тек орта есеппен (D Q = 2p аралығында D u = 2p). Ретінде пайдаланған кезде ВЛН бір өлшемді диафрагма (НҚ) жазықтықта z=z 0 түріндегі жұқа көрсететін металл жіптер u = — 2kz 0 . Егер салым ДОР жылғы НҚ, заттың үстінен барлық басқа да көздері кері шашырау, ауыстыру диафрагма осімен z резонатора z 0 (t) әкеледі басқару фаза Q результирующего кері шашырау арқылы фазаға u ДОР жылғы НҚ
Q (t) = u (t) = — 2kz 0 (t).

Бірі укороченных теңдеулер үшін E 1,2 (t), F 1,2 (t) орташаланған көлемі бойынша резонатора жергілікті неоднородностями, запишем e — жоғалту үшін өтуін резонаторе, I — безразмерную қарқындылығы одномодовой генерациялау және F — айырмашылық фазалардың қарама-қарсы толқындар шектелмей, әлсіз өрістен есебінсіз, кеңістіктік модуляция заселенностей » поляризуемости белсенді ортаны және I = I 1 + I 2 ) >> Ѕ I 1 — I 2Ѕ түрінде e = e 0 + m — M Cos(F + Q ); I = (c /e ) 2 — (1 + f 2 ); F(t) = — Q (t) — Б (t); c , e 0 күшейту белсенді ортаға және меншікті шығыны резонатора жоқ диафрагмалар үшін өту, m — ординарные дифракциялық шығындар енгізілетін майымен, көк етімен, f — безразмерная отстройка жиілік w орталығының желісі белсенді ортаның, Б(t) — белгілі уақыт функциясы [2], тәуелді ыдырату қарама-қарсы толқындар мен белдеуін, басып алу. «Дифракциялық бейнесі жылғы НҚ — цилиндр радиусы r , интерференционной құрамдас қарқындылығы алыс бақылау аймағының бағытында j тыс резонатора жазуға болады айырмашылық фазалардың дифрагированных қарсы толқындардың геометрооптическом жақындағаны F (t) = 2k [z 0 (t) — r 2 1/2 Sin(j /2 — p /2)] — F(t).Желілік лазере (F = Const(t)) модуляция қарқындылығы I(t), ол e (t), Ф(t) дифракциялық бейнесі, әрине сипаттайды ауыстыру диафрагма z 0 (t) z осі бойынша.

Эксперименттерде желілік лазере НҚ түрінде мыс жіп радиусы r =30 мкм және ұзындығы l 0 =50 мм, перпендикуляр осі z резонатора істегенмін, нысанын, доға сызықпен бойлай z биіктігі сегментінің d 0 «2 мм. Көрінісі ДОР жылғы НҚ тұрды деп үзілген кезде энергия ағынының жазып отыратын учаскесі НҚ, тиелген» лазерлік шоқ толқын ұзындығы l = 0.63 мкм, қарқындылығы генерациялау I(t) және дифракциялық бейнесі Ф(t) пайда болған тербелістер ұзындығы h макс = (3 — 5) кезеңдер с затухающей жиілігі. Егжей-тегжейлі зерттеу қолдана отырып басқару үшін ДОР жылғы НҚ сыртқы лазерлік пучков ТМ немесе СОЛ поляризованных қатысты жіптер, фокусируемых берілген учаскесі жіптер, прерываемых жапқышпен. Тұрақты уақыт затухания t дерлік тәуелді мән-жайлар тәжірибе, бірақ асимптотическое мәні h макс айтарлықтай байланысты поляризация және қарқынды сәулесі, жазып отыратын учаскесі жіптер НҚ көрсететін қасиеттері материал жіптер, биіктігі сегментінің d 0 және аддитивна кезінде бірлескен жарықтандыру учаскесінің жіптер бірнеше пучками әр түрлі тараптар. Бұл мүмкіндік береді түсіндіру реакциясын НҚ, өзгерту қарқындылығы өзгеруіне фазаның ДОР жылғы НҚ (играющей рөлі ВЛН) ауыстыру салдарынан осімен z учаскесінің жіптер, тиелген » жарық байламы, шамасына h = 2(D-z 0 )/l , h(t) = h макс (1 — e-t/t ) себебінен біраз өзгерістер (D d) бағыттамалар доғаның жіптер НҚ кезінде оның термическом удлинении өзгеруі салдарынан поглощаемой оптикалық қуат. Қуаты кезінде сыртқы сәулелену көзінің W » 1.5 мВт ең жоғары шамасы h макс = 5 алынса бастап TE поляризацией жарық, ал TM екі есе аз (бұл түсіндіруге айырмашылығына коэффициенттерін сіңіру q). Уақыт релаксация t мұндай аппроксимация, орташа алғандағы үлкен саны эксперименттік қисық, t = {0.21 ± 0.03] c.

Есептеу ұзарту жіптер түрінде үлкен доғаның радиусын бекітілген ұштары көрсеткендей, үстелуі бағыттамалар иілу көп ұзарту жіптер |D l|<< |D d| << d. Есептеу ұзарту біртекті жіп қыздыру кезінде D l(t) ыңғайлы жүргізу арқылы үстелуі температурасы D T (t)= T (t)-T 0 орташа, оның ұзындығы (T 0 — температурасы термостаттың, шегі төменнен білдіреді орта ұзындығы бойынша жіптер), анықталатын интегралды приращением жылудың барлық жіптер DQ(t)=Q(t)-Q 0 және байланысты емес, оның бөлу, ұзындығы бойынша. Осындай приближениях байланыс D T (t) c h (t) алынса түрінде D T (t) = h (t)(8l d 0 )/(3a-l 0 2 ) a — термиялық кеңею коэффициенті. Түсіндіру үшін эксперименттік нәтижелерін орташа қыздыру жібінің D T (t) іздейміз міндеттер шеңберінде жылу өткізгіштік үшін біртекті цилиндр түпкілікті ұзындығы термостатированными T 0 ұштары және конвективной теплоотдачей бүйір бетінің әуе термостат T 0 , сәуле бүйір бетінің ескерілмейді. Цилиндр қызады жергілікті көзі қуаты P сақина жазықтығында x=x 0 , бөлуге температура радиус бойынша пренебрегаем, шешеміз одномерную міндетін үшін =T(x,t) (0<x<l) шекаралас және бастапқы шарттарына T(0,t)=T(l,t)=T(x,0)=T 0 түріндегі ¶ / ¶ t = A 2 ¶ 2В / ¶ x 2 — c (T 0 ) + G(x,t), онда G(x,t) = (P/(m н c v) g(t)d (x-x 0 ) — функциясы ауытқу сыртқы көзі, g(t) — сатылы функция қосу; m н =m p r 2 l 0 — толық салмағы жіптің тығыздығы m , A = [b /(m c v )] 1/2 , c = k/(a m c v ); A, b , k — коэффициенттер температуропроводности, жылу өткізгіштік және конвективті жылу берудің, c v — жылусиымдылық. Шешім үшін D T(x,t) = — T 0 , орташа алғандағы ұзындығы бойынша жіптер бар түрі D T (t) = 4P/(p m н c v )S i [Sin((2i+1)p x 0 /l 0 ) (1 — e -t/ q ) / ((2i+1)q i )] , онда белгіленген q i -1 = [c + g (2i+1) 2 ], g = (p A/l 0 ) 2 , индексі қосу 0 < i < Ґ . Сапалы салыстыру эксперименттік нәтижелерді приводимой мұнда теориялық түсіндірумен реакция НҚ жеткілікті түрде есеп 1-2 мүшелерінің бірқатар (жылдам жинақталуы кезінде өте үлкен c/g ). Есепке алу кезінде бір мүшесі (i =0) запишем D T макс » 4PSin(px 0 /l 0 )[1 — e -(c+g )t ] / [p m н c v (c+g)]. Көрініп тұрғандай, барлық белгіленген ерекшеліктері эксперименталды бақыланатын реакциялар НҚ жақсы сапалы сипатталады негізінде мұндай модель кезінде тепе-теңдікте t = (с+g) -1 , h макс = 1.5 Wq[tal 0 2 /(pld 0 m н c v )] Sin(px 0 /d 0 ), мұндағы q — поляризациялық сіңіру коэффициенті байланысты материал жіптер. Есептелген, осы деректер бойынша 1/g = 1.84 c >> t көрсеткендей, жылдамдығы релаксация реакция НҚ анықталады негізінен жылдамдықпен конвективті жылу берудің (c >> g). Бойынша найденному c = (t -1 — g) = 4.22 c -1 анықталды конвективті жылу берудің коэффициенті k = 1.09 Г (Г = 10 -2 Вт/см 2 град, есеп екінші мүшесінің бірқатар арттырады k » 10%), жақын белгілі эмпирическими мәндері (1.1 — 1.9)Г контакт үшін металл цилиндр ауамен. Эксперименттік белгілі бір арақатынасы арналған TM, TE поляризация құлайтын өріс h макс (TE) / h макс (TM) » 2 тікелей береді шамасын поляризационного дихроизма сіңіру света объектісі ретінде пайдаланылатын НҚ, өлшеу, оны басқа да тәсілдермен қиын [3], ал егер талап қатаң есепке алу бетінің сапасын зерттелетін үлгінің. Бұл көрсетеді болашағын пайдалану ДОР құралы ретінде жеке және қолданбалы зерттеулер.