
- •Проведение сравнительных исследований спектральных характеристик миниатюрных источников излучения.
- •Задание по работе:
- •Теоретическая часть
- •Интерферометры – оптические корреляторы
- •1.2. Параметры выходного сигнала интерферометра
- •2. Экспериментальная часть
- •2.1. Экспериментальная установка
- •2.2. Юстировка интерферометра
- •Литература
- •Вопросы для самопроверки:
Лабораторная работа № 2.
Проведение сравнительных исследований спектральных характеристик миниатюрных источников излучения.
Цель работы – изучение спектральных характеристик миниатюрных высокоэнергетичных источников излучения с использованием интерферометров как корреляторов электромагнитных сигналов. Исследуя различные характеристики источников, изучить принципы работы Фурье –спектроанализаторов, оптической когерентной томографии и основы цифровой обработки фотоэлектрических сигналов.
Задание по работе:
-
Изучить теоретическую часть работы (принцип работы интерферометра как оптического коррелятора, частотный спектр мощности сигнала, корреляционная функция, параметры выходного сигнала интерферометра).
-
Провести настройку и юстировку сканирующего интерферометра Майкельсона.
-
Зарегистрировать корреляционный сигнал от низкокогерентного миниатюрного источника света.
-
Определить частотный спектр оптического излучения.
-
Теоретическая часть
-
Интерферометры – оптические корреляторы
Для определения частотного спектра мощности сигнала необходимо предварительное определение функции автокорреляции сигнала. Устройство, реализующее такую процедуру определения, называется Фурье – спектроанализатором. Устройство, которое реализует операцию автокорреляции сигнала, называют коррелятором (рис. 1). В этом устройстве сигнал необходимо разделить на две части, в одной части с помощью линии задержки ввести регулируемую по величине временную задержку относительно времени прохождения другой части сигнала. Затем необходимо произвести смешение сигналов с помощью того или иного устройства с интегрирующим (усредняющим) действием.
Рис.
1. Блок – схема коррелятора сигнала.
Общими элементами для всех корреляторов волновых процессов являются делитель, линия задержки и умножитель с интегратором. Для волновых процессов различной природы эти элементы корреляторов имеют существенные конструктивные отличия. Отличаются они и для электромагнитных сигналов различных диапазонов.
В качестве корреляторов в оптическом диапазоне используют интерферометры. Разработано много различных конструкций интерферометров, основанных как на использовании объемных дискретных оптических элементов (призма, зеркала, линза), так и на использовании оптических волокон и волноводных планарных структур.
Рассмотрим
схему интерферометра Майкельсона (рис.
2). Пучок света от источника S делится на
две части с помощью полупрозрачного
зеркала, зеркалами М1 и М2 световые волны
опять возвращаются к делителю и на
выходе интерферометра реализуется
сложение (суперпозиция) двух волн
и
,отраженных
от зеркал М1 и М2. Взаимная временная
задержка этих волн осуществляется путем
смещения на одного из зеркал, например
М2.
Рис. 2. Интерферометр Майкельсона.
Оптический канал с зеркалом М2 служит в качестве линии задержки коррелятора. Полупрозрачное зеркало выполняет роль как делителя исходного сигнала, так и сумматора разделенных полей. Фотодетектор D выполняет роль умножителя и интегратора.
Когерентные интерферирующие лучи, пройдя двойной путь в каждой из ветвей интерферометра (после отражения от зеркальных поверхностей пластин M1 и М2), вновь соединятся на поверхности пластины. Благодаря различию длин оптических путей L1 и L2 разность хода определится соотношением A = 2(L1-L2). Условие максимумов, как и обычно, записывается в виде А = kX. Интерферометр Майкельсона может перестраиваться с помощью юстировочных перемещений: в приборе могут наблюдаться полосы равного наклона при строгой перпендикулярности
зеркал M1 и М2. В этом случае изображение пластины M1 будет параллельно М2, и мы можем наблюдать интерференционные полосы равного наклона, соответствующие воздушной плоскопараллельной пластине M1M2.
Таким образом, в интерферометре Майкельсона можно наблюдать интерференционные картины в воздушных пластинках параллельных и клиновидных, толстых и тонких. Необходимо только правильно настроить прибор для получения желаемого результата.
В последние годы интерферометр Майкельсона получил новое и весьма перспективное применение. Его можно использовать как диспергирующую систему для преобразования сложного излучения и анализа его спектрального состава. Спектральный прибор, построенный на базе интерферометра Майкельсона, получил название фурье-спектрометра.
Вид полуполученной сложной интерферограммы на выходе прибора зависит от спектрального распределения излучения источника света. Далее эту интерферограмму можно расшифровать путем разложения ее в ряд Фурье с помощью электронно-вычислительной машины.
Смешение
оптических сигналов в интерферометре
реализуется путем фоторегистрации
суммарной световой волны. Любой
фотодетектор реагирует на интенсивность
световой волны
,
которая пропорциональна квадрату
амплитуды волны. Поэтому такой нелинейный
детектор называют квадратичным. Поскольку
время срабатывания любого фотоприемника
значительно больше периода световых
колебаний
,
,
то фотоприемник реагирует на усредненное
значение мощности света. Это усредненное
значение выражается интенсивностью,
которая пропорциональна среднему
значению квадрата модуля напряженности
электрического поля волны
,
(1.1)
где
–
электрическая постоянная, с
– скорость
света в вакууме, n
– показатель преломления среды, угловые
скобки
определяют
усреднение по времени срабатывания
фотоприемника
.
Коэффициент пропорциональности в
формуле (1.1) часто можно не учитывать и
для интенсивности рассматривать
выражение
(1.2)
Таким
образом, выходной фотоэлектрический
сигнал интерферометра
описывается
выражением
.
(1.3)
Учитывая
суперпозицию двух волн на выходе
интерферометра, для
получаем выражение
, (1.4)
где было использовано свойство линейности операции усреднения.
Первые
два слагаемых в (1.4) определяют интенсивности
световых волн, они равны для стационарных
световых волн. Третье слагаемое
представляет собой реальную часть
автокорреляционной функции волны
.
Если время срабатывания фотоприемника
существенно
превышает время корреляции сигнала
,
то усреднение, реализуемое фотоприемником,
оказывается достаточным для того, чтобы
считать выражение
функцией корреляции волны. Таким образом,
выходной фотоэлектрический сигнал
интерферометра определяется корреляционной
функцией световой волны и может быть
записан в виде
(1.5)
Временная
задержка
в интерферометре (рис. 2) может изменяться
путем смещения
зеркала
М2,
.
Следовательно, приближая или удаляя
зеркало М2, с помощью интерферометра
можно полностью измерить действительную
часть функции автокорреляции волны и,
используя Фурье-преобразование (1.6),
определить частотный спектр мощности
света
.
,
(1.6)
где
- функция автокорреляции сигнала.
Поскольку
выходной сигнал интерферометра
пропорционален реальной части функции
корреляции световой волны, то для
определения комплексной функции
корреляции
необходимо
знание аргумента этой функции
– фазы функции корреляции.