Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ивакин Евгений Васильевич Кицак Анатолий Ильич Карелин Николай Владимирович Лазарук Александр Михайлович Рубанов Александр Сергеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство подавления спекл-шумов когерентного излучения, включающее линии задержки и светоделители, отличающееся тем, что линии задержки выполнены в виде двух интерферометров Фабри-Перо, причем база первого интерферометра Фабри-Перо выполнена равной или большей длины когерентности излучения, база второго интерферометра Фабри-Перо выполнена враз большей базы первого интерферометра Фабри-Перо, гдечисло субимпульсов на выходе первого интерферометра Фабри-Перо, при этом нормали к зеркалам первого и второго интерферометров Фабри-Перо повернуты под углами вокруг осей, составляющих вместе с осью исходного пучка излучения декартову систему координат, с возможностью формирования на выходе линий задержки прямоугольной матрицы субимпульсов , где М - число субимпульсов по столбцу,- по строке, совпадающее с числом субимпульсов на выходе первого интерферометра Фабри-Перо, светоделители выполнены со ступенчатым убыванием коэффициентов отражения при условии равенства интенсивностей получившихся субимпульсов по мере увеличения номера субимпульса,один из поперечных размеров зеркал интерферометров Фабри-Перо выполнен меньше соответствующего размера светоделителей, а для пространственной модуляции интенсивности излучения за линиями задержки установлен стационарный фазовый модулятор. 7273 1 2005.09.30 Областями применения являются голографическая интерферометрия, лазерная микроскопия, лазерная фотолитография. Уникальные характеристики лазерного излучения, такие как высокая яркость, малая расходимость и монохроматичность создают предпосылки для решения многих задач интерферометрии, регистрации быстропротекающих процессов, фотолитографии. Проблемой здесь, однако, является высокая пространственная когерентность излучения, которая приводит к появлению так называемых спекл-шумов в отображаемой информации. Наличие их вызывает уменьшение отношения сигнал/шум и контраста изображений. Известен способ и устройство преобразования пространственной когерентности излучения малой длительности, порядка и меньше 10 наносекунд 1. Способ заключается в делении исходного светового пучка по фронту на совокупность составляющих парциальных пучков с внесением в них постоянных временных задержек. Практически это осуществляется путем введения пучка в жгут оптических волокон различной длины. Значения оптических длин волокон образуют последовательность с постоянным шагом. Длина шага выбирается равной или большей длины когерентности излучения 2, где- длина волны излучения,- эффективная ширина спектра излучения. После выхода из жгута пучки некогерентно складываются на фотоприемнике. Степень подавления спекл-шумов при использовании данной оптической конструкции определяется тремя параметрами числом волокон в жгуте, постоянной шага длины волокна и величиной затухания светового импульса в волокне. Основными недостатками рассматриваемого устройства преобразования пространственной когерентности излучения являются 1) наличие затухания световых волн в световолокнах (особенно в области вакуумного ультрафиолета), 2) отсутствие возможности настройки длины шага световолокон на длину когерентности излучения, изменяющуюся при различных режимах работы источника. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является система лазерного освещения с подавлением спеклов 2. Суть способа преобразования когерентности излучения, лежащего в основе работы данного устройства, состоит в делении исходного светового пучка по амплитуде на совокупность парциальных пучков с последующей задержкой каждого из них друг относительно друга на время, равное или большее времени когерентности исходного излучения. Устройство освещения включает совокупность связанных между собой линий задержек, отличающихся длинами задержки. Длина задержки должна быть равной или большей исходной длины когерентности преобразуемого излучения. Каждая из линий задержки собрана из светоделителей и совокупности поворотных призм или зеркал, обеспечивающих циркуляцию по замкнутому пути направленного в них импульса излучения большое число раз. При этом рождается бесконечное число субимпульсов, убывающих по амплитуде и сдвинутых по времени друг относительно друга на время, равное или большее времени когерентности излучения. В каждую из линий задержки вносится аберрационный элемент типа фазовой синусоидальной решетки с различными значениями периода и амплитуды с целью формирования на детекторе большого числа независимых спекл-полей. При условии гауссовой статистики распределения флуктуации их интенсивности степень разрушения когерентности излучения данным устройством, оцениваемая по контрасту К результирующей спекл-картины на фотодетекторе, определяется выражением 1 2 2 7273 1 2005.09.30 где- число парциальных пучков (субимпульсов), 0 - число поперечных мод исходного светового поля, направляемого в устройство,- модуль степени временной когерентности междуипучкамии- средние интенсивности пучков. В пределе при 0 и 1(3) 0 Как видно из формулы (3), основными условиями эффективного усреднения спеклшумов является формирование достаточно большого количества субимпульсов с ортогональными (независимыми) пространственными распределениями интенсивности и примерно одинаковыми их средними значениями интенсивности. Запатентованная конструкция линий задержки (когда исходный импульс распространяется в них по одному и тому же оптическому пути) не позволяет реализовать эти условия в совокупности при использовании только одной линии задержки. Поэтому используют дополнительные линии задержки. Это приводит одновременно как к увеличению числа пучков с пространственно ортогональными и приблизительно равными средними значениями интенсивности, так и к росту общей длины пути задержки , а, значит, и к увеличению времени усреднения спекл-картин. Причем для каждой длины когерентности излучения существует определенное значение , при котором можно получить заданное число таких пучков. Например,как показано в прототипе, около 500 субимпульсов с достаточно заметной интенсивностью можно получить в районе 24 м при оптимальном коэффициенте отражения светоделителей 21 и длине когерентности 6 мм. Соответствующее данному случаю время регистрации приемника должно составлять не мене 80 нс. При этом длительность исходного импульса излучения равна всего лишь 4 н. Выбранная в прототипе схема формирования субимпульсов ограничивает также возможность преобразования пространственной когерентности импульсов излучения с длинами когерентности меньшими, чем оптическая толщина используемых аберрационных элементов. Таким образом, выравнивание интенсивности формируемых субимпульсов ведет к усложнению конструкции устройства подавления спеклов, увеличивает время усреднения спекл-шумов и не обеспечивает максимально возможной эффективности преобразования пространственной когерентности исходного излучения. Задачей изобретения является решение проблемы эффективного и скоростного подавления спекл-шумов. Эта задача решается таким образом, что при реализации способа преобразования когерентности излучения путем некогерентного сложения большого числа световых пучков с независимыми пространственными распределениями интенсивности и задержанных друг относительно друга на время равное или большее времени когерентности исходного излучения пучки формируют пространственно разделенными и выровненными по интенсивности с помощью устройства, включающего линии задержки и светоделители, отличающегося тем, что линии задержки выполнены в виде двух интерферометров Фабри-Перо (ИФП), причем база первого интерферометра Фабри-Перо выполнена равной или большей длины когерентности излучения, база второго интерферометра Фабри-Перо выполнена враз большей базы первого интерферометра Фабри-Перо, гдечисло субимпульсов на выходе первого интерферометра Фабри-Перо, при этом нормали к зеркалам первого и второго интерферометров Фабри-Перо повернуты под углами вокруг осей, составляющих вместе с осью исходного пучка излучения декартову систему координат с возможностью формирования на выходе линий задержки прямоугольной матрицы субимпульсов, где- число субимпульсов по столбцу,- по строке, совпадающее с числом субимпульсов на выходе первого интерферометра Фабри-Перо, светоделители выполнены со ступенчатым убыванием коэффициентов отражения при условии равенства интенсивностей получившихся субимпульсов по мере увеличения номера субимпульса,один из поперечных размеров зеркал интерферометров Фабри-Перо выполнен меньше соответствующего размера светоделителей, а для пространственной модуляции интенсивно 7273 1 2005.09.30 сти излучения за линиями задержки установлен стационарный фазовый модулятор. Конструкция устройства, предлагаемого к патентованию, позволяет получить такое же эффективное число пучков, что и в прототипе, но с одинаковыми средними интенсивностями и при меньшей общей длине линии задержки. Следовательно, усреднение спекл-шумов можно проводить более эффективно и за более короткое время. Кроме того, она позволяет расширить возможности подавления спекл-шумов импульсов излучения с малыми длинами когерентности, поскольку пространственная модуляция парциальных световых пучков осуществляется единственным фазовым модулятором, расположенным вне линий задержки. Оптическая схема устройства и результаты усреднения спекл-шумов с его помощью представлены на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно. Устройство включает две последовательно расположенные линии задержки в виде интерферометров Фабри-Перо (ИФП) 1 и 2. Интерферометры состоят из зеркал 3, 5 и светоделителей 4, 6. Зеркало и светоделитель каждого из интерферометров устанавливают параллельно друг относительно друга на определенном расстоянии, называемом базой интерферометра. Один из поперечных размеров зеркал делается меньшим соответствующего размера светоделителей с целью ввода исходного лазерного пучка 7 в интерферометры без потери мощности. База первого интерферометра выставляется равной или большей длины когерентности входного излучения, база второго интерферометра Фабри-Перо устанавливается враз большей базы первого интерферометра Фабри-Перо, где- число субимпульсов на выходе первого интерферометра Фабри-Перо. При этом нормали к зеркалам первого и второго интерферометров Фабри-Перо повернуты под углами вокруг осей, составляющих вместе с осью исходного пучка излучения декартову систему координат, с возможностью формирования на выходе линий задержки прямоугольной матрицы субимпульсов, где- число субимпульсов по столбцу,- по строке, совпадающее с числом субимпульсов на выходе первого интерферометра Фабри-Перо. Светоделители изготавливаются со ступенчатым убыванием коэффициентов отражения по мере увеличения номера субимпульса на заданной длине волны излучения с целью обеспечения равенства интенсивностей получившихся субимпульсов. Коэффициенты отражения зеркал близки к единице на той же длине волны. За линиями задержки располагается телескопическая система, собранная из линз 8 и 9, а также фазовый модулятор 10 и детектор 11. Принцип работы устройства состоит в следующем. Излучение лазера направляют в первый ИФП под небольшим углом к его оси для получения пространственно разделенных параллельных пучков света в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей пространства. Затем образовавшийся набор изпучков света посылают на второй интерферометр, ось которого составляет определенный угол с осью исходного пучка в другой плоскости пространства. На выходе второго ИФП формируется прямоугольная матрица изстрок истолбцов световых пучков, задержанных друг относительно друга на время,равное или большее времени когерентности исходного излучения, выровненных по интенсивности вследствие того, что коэффициенты отражения светоделителей убывают по мере увеличения номера пучка в строке, формируемой первым интерферометром, и номера пучка в столбцах, формируемых вторым интерферометром. Интервал задержки в первом ИФП задается установкой его базы, равной или большей длины когерентности излучения лазера. База второго ИФП выбирается враз больше базы первого интерферометра. Выходящие из линии 2 световые пучки затем направляются линзами 8 и 9 на стационарный фазовый модулятор 10 и регистрируются детектором 11, где происходит их некогерентное сложение. На фиг. 2 представлены графики зависимости контраста результирующей спеклкартины от числа субимпульсов разбиенияпри различных значениях пространственной когерентности исходного излучения, определяемой числом 0. Пространственная когерентность изменялась путем введения в резонатор лазера диафрагм различного диаметра. Измерения контраста проводились для излучения четвертой гармоникилазера с 266 нм, длительностью импульса 10 нс при длине базы первой линии задержки 15 мм. 7273 1 2005.09.30 Длина когерентности излучения оценивалась по ширине кривой измеренного модуля степени временной когерентности излучения на длине волны 532 нм в предположении ее минимального изменения на длине волны 266 нм. При мощности накачки лазера 25 Дж и в отсутствие диафрагмы в его резонаторе ее значение равнялось 10 мм. Распределение интенсивности результирующей спекл-картины регистрировалось линейным ПЗС приемником. Значками отмечены экспериментальные данные. Контраст вычислялся на основе статистической обработки зарегистрированных интенсивностей спекл-картин по стандартной формуле 3 где- среднеквадратичное отклонение сигнала,- его среднее значение. Сплошными линиями отмечены результаты расчета контраста по формуле (2) при условии равенства как интенсивностей субимпульсов, так и модулей степени временной когерентности между ними. Последнее предположение можно считать справедливым, когда разность хода между субимпульсами лазерного излучения больше длины когерентности излучения. Как видно из хода экспериментальных кривых, контраст результирующих спекл-картин падает с увеличением числа субимпульсов. Полученные зависимости хорошо коррелируют с расчетными кривыми. Необходимые для расчета контраста данные о величинеоценивались по той же формуле (2), исходя из экспериментально найденного значения контраста спекл-картины, полученного при заданном числе пучков и известном числе пространственных мод исходного излучения. Общая длина всей линии задержки при базе первого ИФП 15 мм и разбиении импульса излучения на 100 субимпульсов составила 3 м. При 6 мм и 500 субимпульсах она также равна 3 м. Это почти на порядок меньше, чем общая длина линии задержки, используемой в прототипе. Источники информации 1.В.,.,.//94, 1993. - . 132-136. 2.,.., 6,191,887,02 005/30, 2001. 3..,.,.,//. - . 19. - .20. - 1980. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

МПК / Метки

МПК: G02B 27/48, G03H 1/32, G02B 27/14

Метки: когерентного, устройство, подавления, излучения, спекл-шумов

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/5-7273-ustrojjstvo-podavleniya-spekl-shumov-kogerentnogo-izlucheniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство подавления спекл-шумов когерентного излучения</a>

Похожие патенты