Лазерна діагностика

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Дифракційні кошти лазерної діагностики

Дифракційні явища в оптиці в повсякденному поданні негативні, як причина обмеженості можливостей оптичних систем, в тому числі лазерних метрологічних, навігаційних і гіроскопічних приладів. Відомі й корисні практичні застосування класичної дифракції світла, наприклад, для вимірювання розмірів отворів, діаметрів ниток і числа їх в скрутці, показників заломлення і ряду інших. Однак, є важливий аспект цих явищ - дифракційне зворотне розсіювання (ДОР) на локальних неоднорідностях в оптичному резонаторі, що надає їм особливий статус. Висока чутливість фази результуючої ДОР до зміщення виділеної локальної неоднорідності (ВЛН) по осі резонатора лазера робить дифракцію засобом управління характеристиками генерації як лінійного, так і кільцевого лазера, а також тонким вимірювальним інструментом у галузі фізичних параметрів. Зазначимо, наприклад, можливість реалізації внутрірезонаторними доплерівського вимірювача швидкості потоку на основі ДОР, прямого вимірювання відносного перевищення накачування над порогом і самих значень втрат резонатора і посилення активного середовища [1] та інших У даній роботі наведено приклад достатньо простого визначення на основі ДОР деяких фізичних параметрів, вимір яких традиційними способами вважається досить трудомістким, наприклад: коефіцієнта конвективної тепловіддачі, величини поляризаційного оптичного дихроїзму поглинання - по термічній реакції ВЛН, визначальною ДОР у резонаторі лазера, на що поглинається нею енергію оптичного випромінювання.

Запишемо поля біжать зустрічних хвиль у резонаторі лазера з частотою генерації w у вигляді
E2, 1 (z, t) = E2, 1 (t) exp {- j (wt ± kz + F2, 1 (t))}, де E1, 2 (t), F1, 2 (t) - повільні речові амплітуди і фази хвиль, позначимо F (t) = F1 (t) - F2 (t) - різниця фаз. У лінійному лазері Fє Const (t), тому що зустрічні хвилі жорстко пов'язані відображенням на дзеркалах, а в кільцевому лазері F (t) залежить від присутніх в резонаторі локальних неоднорідностей (в т.ч. діафрагм), що створюють окрім додаткових втрат кожної з хвиль, також лінійну зв'язок зустрічних хвиль внаслідок їх зворотного розсіювання. Позначимо M, Q - амплітуду і фазу результуючого (ефективного) комплексного коефіцієнта зв'язку зустрічних хвиль на всіх неоднорідностях резонатора, що створюють зворотне розсіювання, m, u - амплітуду і фазу парціального коефіцієнта ДОР від однієї виділеної локальної неоднорідності. Характер залежності фази результуючого коефіцієнта зв'язку Q від u (фази ДОР на ВЛН) визначається співвідношенням амплітуд M, m. При m <<M фаза Q мало чутлива до змін u, однак, при m @ M фаза Q практично точно "стежить" за u, а в проміжних випадках Q слід u тільки в середньому за період (DQ = 2p в інтервалі D u = 2p). При використанні як ВЛН одномірної діафрагми (ОД) у площині z = z0 у вигляді тонкої відбиває металевої нитки u = - 2kz0. Отже, у разі вкладу ДОР від ОД, переважаючого над усіма іншими джерелами зворотного розсіювання, переміщення діафрагми по осі z резонатора z0 (t) призводить до управління фазою Q результуючого зворотного розсіяння через фазу u ДОР від ОД
Q (t) = u (t) = - 2kz0 (t).

З укорочених рівнянь для E1, 2 (t), F1, 2 (t), усереднених за об'ємом резонатора з локальними неоднорідностями, запишемо e - втрати за прохід у резонаторі, I - безрозмірну інтенсивність одномодової генерації і F - різниця фаз зустрічних хвиль, не обмежуючись слабким полем, але без урахування просторової модуляції заселеності в поляризуемости активного середовища і при I = (I1 + I2)>> Ѕ I1 - I2Ѕ у вигляді e = e 0 + m - M Cos (F + Q); I = (c / e) 2 - (1 + f2); F (t) = - Q (t) - Б (t); c, e 0 - посилення в активному середовищі і власні втрати резонатора без діафрагми за прохід, m - ординарні дифракційні втрати , що вносяться діафрагмою, f - безрозмірна відбудова частоти w від центру лінії активного середовища, Б (t) - відома функція часу [2], що залежить від розщеплення зустрічних хвиль і смуги захоплення. У дифракційної картини від ОД - циліндра радіусу r, в інтерференційної складової інтенсивності дальньої зони спостереження в напрямку j поза резонатора можна записати різниця фаз дифрагованих зустрічних хвиль в геометрооптіческом наближенні F (t) = 2k [z0 (t) - r 21 / 2 Sin ( j / 2 - p / 2)] - F (t). У лінійному лазері (F = Const (t)) модуляція інтенсивності I (t), зумовлена ​​e (t), як і Ф (t) у дифракційної картини, однозначно характеризують переміщення діафрагми z0 (t) по осі z.

В експериментах в лінійному лазері ОД у вигляді мідної нитки радіуса r = 30 мкм і довжиною l0 = 50 мм, перпендикулярної осі z резонатора, мала форму дуги стрілкою вздовж z з висотою сегмента d0 »2 мм. Прояв ДОР від ОД полягало в тому, що при перериванні потоку енергії, що висвітлює ділянку ОД, занурений в лазерний пучок з довжиною хвилі l = 0.63 мкм, в інтенсивності генерації I (t) і в дифракційної картини Ф (t) виникали коливання довжиною h макс = (3 - 5) періодів з затухаючої частотою. Детальне дослідження проводилося із застосуванням для управління ДОР від ОД зовнішніх лазерних пучків ТМ або ТІ поляризованих по відношенню до нитки, фокусируемого на задану ділянку нитки, що перериваються заслінкою. Постійна часу загасання t практично не залежала від обставин дослідів, але асимптотичну значення Hмакс істотно залежало від поляризації та інтенсивності пучка, що висвітлює ділянку нитки ОД, властивостей матеріалу нитки, висоти сегмента d0 і була аддитивна при спільному висвітленні ділянки нитки кількома пучками з різних сторін. Це дозволило пояснити реакцію ОД на зміну інтенсивності зміною фази ДОР від ОД (що грає роль ВЛН) внаслідок переміщення по осі z ділянки нитки, зануреної в світловий пучок, на величину h = 2 (D z0) / l, h (t) = h макс (1 - et / t) з причини деякої зміни (D d) стрілки дуги нитки ОД при її термічному подовженні внаслідок зміни поглинається оптичної потужності. При потужності випромінювання зовнішнього джерела W »1.5 мВт максимальна величина Hмакс = 5 отримана з TE поляризацією світла, а з TM вдвічі менше (це пояснено відмінностями коефіцієнтів поглинання q). Час релаксації t при такій апроксимації, усереднене по великому числу експериментальних кривих, t = {0.21 ± 0.03] c.

Розрахунок подовження нитки у вигляді дуги великого радіусу з закріпленими кінцями показав, що приріст стрілки прогину багато більше подовження нитки | D l | <<| D d | <<d. Розрахунок подовження однорідної нитки при нагріванні D l (t) зручно вести через збільшення температури DT (t) = T (t)-T0 середнє по її довжині (T0 - температура термостата, риса внизу означає середнє по довжині нитки), яке визначається інтегральним збільшенням кількості тепла по всій нитки DQ (t) = Q (t)-Q0 і не залежить від його розподілу по довжині. У таких наближеннях зв'язок DT (t) ch (t) отримана у вигляді DT (t) = h (t) (8l d0) / (3a l02), де a - коефіцієнт термічного розширення. Для інтерпретації експериментальних результатів середній нагрів нитки DT (t) шукаємо в рамках задачі теплопровідності для однорідного циліндра кінцевої довжини з термостатіровалі при T0 кінцями і конвективної тепловіддачею з бічної поверхні в повітряний термостат при T0, випромінювання з бічної поверхні не враховується. Циліндр нагрівається локальним джерелом потужністю P по кільцю в площині x = x0, розподілом температури по радіусу нехтуємо, вирішуємо одновимірну задачу для В = T (x, t) (0 <x <l) з граничними та початковими умовами T (0, t) = T (l, t) = T (x, 0) = T0 у вигляді ¶ В / ¶ t = A2 ¶ 2В / ¶ x2 - c (В-T0) + G (x, t), де G (x, t) = (P / (mнcv)) g (t) d (x-x0) - функція обурення зовнішнім джерелом, g (t) - ступінчаста функція включення; mн = mpr 2l0 - повна маса нитки з щільністю m, A = [ b / (m cv)] 1 / 2, c = k / (am cv); A, b, k - коефіцієнти температуропровідності, теплопровідності і конвективної тепловіддачі, cv - теплоємність. Рішення для DT (x, t) = В-T0, усереднене по довжині нитки, має вигляд DT (t) = 4P / (p mнcv) S i [Sin ((2i +1) p x0/l0) (1 - et / q) / ((2i +1) qi)], де позначено q i-1 = [c + g (2i +1) 2], g = (p A/l0) 2, індекс підсумовування 0 <i <Г . Для якісного порівняння експериментальних результатів з наведеній тут теоретичної інтерпретацією реакції ОД досить обліку 1-2 членів ряду (швидка відповідність при не дуже великих c / g). При обліку одного члена (i = 0) запишемо DTмакс »4PSin (px0/l0) [1 - e-(c + g) t] / [p mнcv (c + g)]. Видно, що всі зазначені особливості експериментально спостерігається реакції ОД добре якісно описуються на основі такої моделі при співвідношеннях t = (с + g) -1, Hмакс = 1.5 Wq [tal02 / (pld0mнcv)] Sin (px0/d0), де q - поляризаційний коефіцієнт поглинання, що залежить від матеріалу нитки. Розраховане за цими даними 1 / g = 1.84c>> ​​t показує, що швидкість релаксації реакції ОД визначається переважно швидкістю конвективної тепловіддачі (c>> g). По знайденому c = (t -1 - g) = 4.22 c-1 визначено коефіцієнт конвективної тепловіддачі k = 1.09Г (Г = 10-2 Вт/см2град, облік другого члена ряду збільшує k на »10%), близький з відомими емпіричними значеннями (1.1 - 1.9) Г для контакту металевого циліндра з повітрям. Експериментально певне співвідношення для TM, TE поляризації падаючого поля h макс (TE) / h макс (TM) »2 безпосередньо дає величину поляризаційного дихроїзму поглинання світла об'єктом, використовуваним як ОД, вимір якого іншими способами важко [3], а розрахунок вимагає суворого обліку якості поверхні досліджуваного зразка. Це показує перспективність використання ДОР як інструменту фізичних і прикладних досліджень.

Література

В. М. Смірнов, Г. А. Строковская / / Сибірський фізико-технічний журнал - 1992, вип.2, с.121-127.

Е. Е. Фрадкін та ін Хвильові і флуктуаційні процеси в лазерах.-М.: Наука, 1974 .- 416с.

А. Б. Катрич / / ЖТФ, 1983., Вип.3, с.604 - 605.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Доповідь
17.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Лазерна нанотехнологія
Лазерна технологія
Лазерна корекція кератотомія - що це таке
Лазерна терапія Лікувальне застосування хвиль оптичного діапазону
Лазерна система для вимірювання статистичних характеристик просторових квазіперіодичних структур
Клініка діагностика і лікування відкритих артеріальних проток Класифікація клініка та діагностика
Діагностика вагітності
Діагностика до школи
Діагностика двигуна
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru