Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Дифракционный спектрометр У дифракционного спектрометра призма заменяется дифракционной решеткой, причем принципиальная конструкция практически не меняется (см. рис. 22.1). В случае постоянной длины волны Х образуются разные порядки дифракции. При нормальном падении света на решетку угол дифракции Ф выражен через; (22.2) гйпф=пй/О (гп=ч О, 1, 2, 3,...), где Ы есть шаг (постоянная) решетки. Типовые значения для д=от! до 2 мкм.
Красный свет дифрагируется решеткой сильнее, чем синий. таблчаа 22л. Разрешающая способность различных спектрометров при длине волны около 500 нм ~2з.з~ у. м рф, ° г ф Определенность дифракционных максимумов увеличивается с числом Л/ освещенных штрихов решетки, поэтому для разрешающей способности полагаем; (22.3) Таким образом, разрешающая способность повышается с увеличением порядка дифракции т и числа освещенных штрихов дифракционной решетки. У хорошей решетки обычно У = 10' линий. Порядок дифракции для небольших шагов решетки примерно ограничивается уровнем ш= 3. При этом получают разрешающую способность около 300000 (см.
таблицу 22.1). Типовые значения для Х/З). дифракцион ных спектрометров находятся в диапазоне от 1О' до ! 0'. При знании шагов решетки возможно абсолютное определение длин волн. Упрощение технологии создания дифракционной решетки посредством реплики штриховых решеток либо на основе техники фотографического травления (голографические решетки) способствует росту популярности дифракционных спектрометров. Отражательные решетки Проходные решетки, состоящие из перемежающихся светлых и темных ступеней, отличаются относительно небольшой дифракционной эффективностью для 1-го порядка — около 10 % Более высокие интенсивности получают в случае фазовых решеток, состоящих из полос с разным показателем преломления.
Часто находят применение и отражательные решетки, представляющие собой штриховую металлическую поверхность. Дифракционная эффективность способна достигать почти 100 %, если выбирается форма штрихов согласно рис. 18.б. У блестящих (профилированных) дифракционных решеток или решеток типа чэшелетт» оптимальная дифракционная эффективность имеет место, если в отношении порядка дифракции в значительной степени выполняется закон отражения. При схеме Литгрова падающие лучи перпендикулярны штриховой поверхности. Высота штрихов в направлении падения для максимального отражения должна быть целочисленным кратным полуволны (Л/2). В частности, в вакуумном УФ-диапазоне находят применение дифракционные решетки Роуланда.
Они состоят из штрихов, нанесенных на вогнутое зеркало. Параллельно падающие лучи сводятся в фокусе, что делает излишней дополнительную оптику, формирующую изображение. В настоящее время чаще всего используются голографические решетки. Лазерный пучок расходится и расщепляется на две парциальные волны, совмещающиеся под соответствующим углом.
При этом возникают параллельные интерференционные полосы, которыми освещается фоточувствительный слой, например, фоторезист. Путем проявления и травления на носителе (например, стекле) получают штрихи подходящей формы. 22.3. Двухлучевой интерферометр У интерферометров подлежащий измерению луч расщепляется падве парциальных волны, геометрически сдвинутых относительно друг друга и затем вновь (а72 Г ос р рбр Рфр р совмещенных методом наложения.
При переменном запаздывании возникают максимумы интенсивности для разностей хода, кратных длине волны. Появление максимума интенсивности зависит от длины волны, поэтому здесь возможны разделение и измерение длин волн. Существуют разные способы создания двухлучевых интерферометров, но наиболее широко распространен интерферометр Майкельсона, показанный на рис. 22.2. Зеркало нае зеркало дь — — н Ряс. 22.2. Интерферометр Майкельсона для измерения длины Лазерные интерферометры по принципу Майкельсона используются, кроме прочего, для высокоточного измерения длины.
Волна лазерного излучения (рис. 22.2) попадает на устройство для расщепления пучка, разделяясь на две волны равной интенсивности: проходящую волну 1 и направленную перпендикулярно к ней волну 2. При этом волна 2 отражается плоским опорным зеркалом, а волна 1 подлежит ретроотражению через сигнальное зеркало. От устройства расщепления пучка часть отраженных волн отклоняется диафрагмой на фотодетектор. Поскольку оба волновых фронта 1 и 2 при наложении располагаются не абсолютно параллельно, то в плоскости диафрагмы в результате интерференции образуется полосковая система.
Когда сигнальное зеркало сдвигается вдоль измеряемого объекта с длиной 2!Т„полосковая система перемешается через узкую диафрагму, причем фотодетектор регистрирует модуляцию интенсивности. При этом возникают максимумы интенсивности, если сигнальное зеркало сдвинулось на полуволну дальше. Так удается измерить длину ЬЕ путем подсчета максимумов интенсивности гл: (22.4) Длины до нескольких десятков метров могут — из-за большой длины когерентности света лазера — измеряться до долей длины волны. Так как интерференции появляются только прн сдвигах дС в пределах длины когерентности, интерферометр используется также для измерения этой величины, как это было показано в п.20.4. Если ЬА измеряется другим способом и выбирается относящееся сюда значение числа т для максимумов, то длину волны можно определить по уравнению (22.4). 22.4.
Илтерферол!етр Фибри -- Перо 373 ф! х: ее! 22.4. Интерферометр Фабри — Перо Ин!ерферомегр гаабри -- 11еро состои1 и ! лвух параллельных, снабженных полупрозранпым !сркальным покры!ием пластинок с интервалом дат нескольких миллиметров ло сангичетра. П!!ланзщая световая волна многокр,оно прололи г межлу !ьысп!нками в прях1Оы и обри!НОы нап13авлениях, так 'по проходя!пни луч состги!! и ! множества парпиальных в1!л!!., Ес,п! г!алчность хола Л сеть ьобетг1ор злг!!!ы1 ~~~374 Глава 22 Спехгяральлые проборы и анщерферолегдры Интерферометры Фабри — Перо работают также с переменным оптическим интервалом между пластинками.
Спектр падающего света формируется тогда из проходящей интенсивности Г как функция изменения этого интервала Ьа' (рис. 22.5). Если расстояние между пластинками как раз составляет целочисленное кратное полуволны, то проходит достаточно высокая интенсивность Г,. Для другой длины волны максимум интенсивности наступает при другом интервале. На основе разности интервалов между пластинками можно вычислить разность длин волн. Интерферометр Фабри — Перо может действовать с высоким спектральным разрешением Х/ЛХ до 1О' (см. таблицу 22.1).
Недостатком здесь можно считать малый полезный диапазон длин волн ЬХ (область дисперсии), составляющий всего 1О'... 1О' ЬХ. Расчет разрешающей способности и области дисперсии уже был показан в п.18.5. Для спектрального анализа лазерного излучения используются конфокальные интерферометры Фабри — Перо с периодическим пьезоэлектрическим перемещением зеркал, которые в сочетании с фотоэлектрическим измерением проходящего света позволяют осциллографическое представление спектра (рис. 22.5).
— дхо — 1 Рис. 22.5. Иитерферометр Фабри — Перо с изменением длины. 1, — проходящая в центре интенсивность; ).о Х,, Х, — длины волн, проходящие при разных длинах аа'; Ы. — диапазон длин волн области дисперсии Интерференционные филыпры Эталоны Фабри — Перо малой толщины используются в качестве интерференционных фильтров, пропускающих только узкие области спектра около 1О нм. Эти фильтры состоят из тонкого плоскопараллельного слоя толщиной И= около 1 мкм.
Такой слой с обеих сторон снабжен зеркальным покрытием с высокой отражающей способностью. Благодаря многолучевой интерференции пропускаются только ллины волн тХ= 2пг1 (щ = 1, 2, 3,...), причем а есть показатель преломления слоя. Для поглощения нежелательных порядков интерференционные фильтры комбинируются с цветными фильтрами. 3 д а~та~а 22.5. Техника оптического гетеродинирования При оптическом гетеродинировании на анализируемую световую волну с частотой г", накладывается вторая стабильная волна с частотой~„после чего с помошью фотодетектора определяется обшая интенсивность (рис. 22.6). Измеренная интенсивность содержит звено биений, модулированное разностной частотой ()' — 7;) обеих световых волн, анализ которой возможен с помошью электронных средств (рис.
22.6). Если известна частота7н легко определяется и частотаГт. Источник света Фотодетектор ток ый слектроанализатор Задающий лазер Рис. 22.6. Принцип оптического гетеродинироввния при измерении разностной частоты Разрешающая способность при способе оптического гетеродинирования превышает 10". При этом удается определить разностные частоты ниже 1 Гц. Это означает, что спектральная ширина используемых лазеров была менее! Гц, что соответствует времени когерентности 1 сек и длине когерентности 300000 км. Техника оптического гетеродинирования находит применение, в частности, при лазерных доплеровских измерениях скорости (см. также п.23.7).
По принципу оптического гетеродинирования могут измеряться изменения длины до 10 " м. Изменение длины должно быть при этом преобразовано в движение лазерного зеркала и приводит затем к сдвигу частоты видимого излучения, После наложения стабильной опорной частоты это определяется как разностная частота. ЗАДАЧИ 22.1. Призма с базовой длиной г= 3 ем изготовлена из флинта со следуюшими показателями преломления: пи=1,8297 при )с=480,0 нм и и =1,8126 при Х = 546,1 нм. Вычислить разрешаюшую способность. 22.2.
Дифракционнвя решетка спектрометра обладает шагом 1,5 мкм и шириной 3 см. Какова здесь разрешаюшая способность? 22.3. Какой должна быть разрешающая способность и какова область дисперсии М и Л)со интерферометра Фабри — Перо, который имеет расстояние между пластинками 5 ем и для )с= 500 нм снабжен зеркальным покрытием с Я=98%? ГЛАВА 23 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРОВ Предполагаемое использование лазеров с высокой энергией излучения в «звездных войнах» и прочих милитаристских проектах частично способствовало созданию в некотором роде негативного представления о лазерной технике в целом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
