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:

1. Изучить теоретическую часть работы (принцип работы интерферометра как оптического коррелятора, частотный спектр мощности сигнала, корреляционная функция, параметры выходного сигнала интерферометра).

2. Провести настройку и юстировку сканирующего интерферометра Майкельсона.

3. Зарегистрировать корреляционный сигнал от низкокогерентного миниатюрного источника света.

4. Определить частотный спектр оптического излучения.

1. Теоретическая часть

1. 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.