IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Для получения полной характеристики ультракоротких импульсов (УКИ) необходимо измерить не только его спектр и энергию, но и временной профиль. Методика измерения спектра и энергии хорошо известна[1]. Измерение же временного профиля УКИ является сложной задачей из-за исключительно малой длительности импульса. Традиционные методы временных измерений с использованием фотоэлектронных устройств в сочетании с самыми быстродействующими осциллографами обеспечивают временное разрешение, на порядки уступающее длительности УКИ современных лазеров. В связи с этим для измерений характеристик УКИ применяются исключительно оптические методы, основанные на корреляционных методиках [1, 2].

Методика измерения ультракоротких импульсов

Информацию о временных характеристиках УКИ можно получить, измеряя автокорреляционную функцию интенсивности. В качестве приборов для измерения автокорреляционной функции применяются интерферометры различных конструкций. Исследование ультракоротких лазерных импульсов основывается на принципе разделения лазерного пучка, интерференции двух этих пучков с изменяемой задержкой вторичного импульса относительно первоначального и последующего получения автокорреляционной функции. В данной работе для реализации прибора измерения характеристик УКИ используется схема автокорреляционного приемника на основе интерферометра Майкельсона[2].

График автокорреляционной функции получатся путем построения по оси ординат коэффициента корреляции двух функций (основной и функции сдвинутой на величину τ) и величиныτ по оси абсцисс. В том случае, когда основная функция периодична, на графике автокорреляционной функции также будет строго периодическая функция. Из этого графика можно делать выводы о периодичности основной функции, и, следовательно, о её частотных характеристиках[3]. Принципиальная оптическая схема автокоррелятора на основе интерферометра Майкельсона приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Оптическая схема автокоррелятора на основе интерферометра Майкельсона.

На детекторе автокоррелятора измеряется интенсивность интерферометрического взаимодействия двух пучков оптического импульса, зависящих от задержки τ:

(1)

Автокорреляционная функция (АКФ) представляет собой зависимость видности интерференционных полос на выходе интерферометра Майкельсона от разности хода или временной задержки между интерферирующими лучами. Для сигнала в виде одиночного импульса ширину АКФ определяют по уровню половинной интенсивности от максимума огибающей АКФ. Для измерения АКФ одиночного импульса измерения интенсивности излучения на выходе интерферометра надо производить многократно для разных значений разности хода интерферирующих лучей.

Пусть на интерферометр Майкельсона падает оптический импульс излучения, поле которого описывается функцией E(t). На рисунке 2, а показана расчетная зависимость интенсивности этого импульса с гауссовой формой огибающей от времени. Она определяется выражением:

(2)

Непосредственно зависимость интенсивности от времени не может быть измерена. На выходе интерферометра Майкельсона излучение обычно регистрируют инерционным приемником с постоянной времени Т, значительно большей, чем длительность импульса. В зависимости от τ фотоприемник дает электрический сигнал, пропорциональный:

(3)

где - произвольный момент начала регистрации. В приведенной формуле первый интеграл представляет собой среднюю интенсивность излучения, которая зависит от постоянной времени фотоприемника и энергии импульса. Эта интенсивность не зависит от разности хода лучей в интерферометре. Второй интеграл – есть автокорреляционная функция первого порядка поля излучения. Это кривая видности интерференционных полос, введенная Майкельсоном.

Рис. 2. Зависимость интенсивности импульса с гауссовой огибающей от времени (а); АКФ первого порядка (б).

На рисунке 2, б показана АКФ первого порядка, рассчитанная для импульса длительностью . Она определяется следующим выражением:

(4)

На рисунке хорошо видны все особенности такой АКФ [4]:

• АКФ симметрична относительно нулевой задержки между импульсами;

• АКФ симметрична относительно фоновой интенсивности – = 0,5;

• полуширина огибающей АКФ примерно два раза больше полуширины интенсивности импульса.

Разработка экспериментальной установки

Автокорреляционный приемник можно разделить на две части:

• оптико-механическая часть (конструкция интерферометра Майкельсона);

• электронная часть, в которую входят фотоприемный модуль, блок управления и обработки данных с усилителем динамика, персональный компьютер.

Схема оптико-механической части автокоррелятора приведена на рисунке 3. Полупрозрачное зеркало (2) разделяет падающий поток света для дальнейшей интерференции. Крайне важным элементом в работе автокоррелятора на основе интерферометра Майкельсона является система, обеспечивающая смещение подвижного зеркала относительно полупрозрачного зеркала для изменения разности хода между опорным и информационными импульсами [5]. При изменении разности хода межу этими импульсами происходит их интерференция, что приводит к изменению показаний фотоприемника. В данной установке подвижное зеркало (4) расположено на мембране динамика (5). При подаче напряжения на динамик происходит смещение мембраны, а вместе с ней и зеркала, на уровень, соответствующий приложенному напряжению.

Механическая конструкция автокоррелятора обладает возможностью изменения положения относительно входящего светового потока (1), а также позволяет юстировать все имеющиеся оптические компоненты. Для этого предусмотрена возможность перемещения площадки с интерферометром. Неподвижное зеркало (3) можно перемещать вдоль оси для изменения разности между двумя плечами интерферометра, кроме того, имеется возможность наклона этого зеркала с помощью юстировочных винтов (6). Расстояние от полупрозрачного диагонального зеркала до динамика возможно изменять для настройки интерферометра. Также динамик можно юстировать винтами (7) для настройки соосности системы.

Рис. 3 Схема оптико-механической части автокоррелятора

Схема электронной части установки представлена на рисунке 4:

Рис. 4. Схема электронной части установки

Основу электронной части составляют:

• фотоприемный модуль;

• блок управления и обработки данных;

• персональный компьютер.

Блок управления и обработки данных объединяет в себе плату управления, блок питания, фильтр блока питания и усилитель динамика. На плате управления расположен микроконтроллер со встроенным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Микроконтроллер при помощи внешнего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) генерирует пилообразный сигнал, который усиливается усилителем динамика (УД) и поступает на динамик (Д). Подвижное зеркало расположено на мембране динамика. При подаче напряжения на динамик происходит смещение мембраны, а вместе с ней и зеркала, на уровень, соответствующий приложенному напряжению. В результате движения динамика меняется разность плеч и возникает интерференционная картина, фиксируемая фотоприемным модулем. Фотоприемный модуль состоит из фотодиода (ФД) и усилителя фотодиода (УФД). В связи с тем, что напряжение сигнала, поступающего на АЦП с фотоприемного модуля, может быть выше максимально возможного уровня напряжения, которое может обработать АЦП, установлен аттенюатор (А) с регулируемым коэффициентом ослабления. Затем оцифрованные данные передаются на персональный компьютер в специальное программное обеспечение.

Заключение

Предварительная юстировка и настройка экспериментальной установки подтвердили работоспособность оптико-механической и электронной частей автокоррелятора. В данный момент ведется разработка программного кода микроконтроллера, а также программного обеспечения для персонального компьютера для визуализации полученных данных на экран, их сохранения, управления автокорреляционным приемником, задания параметров сканирования, коэффициента ослабления.

Список литературы

1. П.Г. Крюков, "Лазеры ультракоротких импульсов", Квант. электроника, 2001, 31 (2), 95–119.

2. Пастор А.А., Сердобинцев П.Ю. Методы измерения длительности УКИ фемтосекундного диапазона [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ckp.lab2.phys.spbu.ru/pdf/new/19.pdf.

3. Кальянов А.Л., Лычагов В.В., Лякин Д.В., Перепелицына О.А., Рябухо В.П. Оптическая низкокогерентная интерферометрия и томография [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/607/74607.

4. Борисов В.И., Лебедев В.И., Перепечко С.Н. Введение в оптику ультракоротких лазерных импульсов. – Могилев: МГУ им. А.А. Кулешова, 2004.

5. В.А. Зубов, А.В. Крайский, Т.Т. Султанов, А.Г. Хлебников. Коррелятор на основе модифицированного интерферометра Майкельсона с управлением от ЭВМ. Автометрия, №2, с.84, 1984.

Код для цитирования: Скопировать