Магистерская_Аникеев (1190874), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для этого интерференционные полосы, возникающие на выходеинтерферометра Майкельсона, сканируют относительно апертуры фотоприемника и регистрируют только переменную составляющую его сигнала. Такоесканирование достигают за счет колебаний одного из зеркал вдоль оптическойоси интерферометра с амплитудой порядка половины длины волны излучения.Ещё один способ – непрерывное перемещение зеркала интерферометра со строго постоянной скоростью.36На рисунке 4.1 представлена интенсивность и АКФ короткого лазерногоимпульса с гауссовой формой огибающей.а)б)Рисунок 4.1. – Интенсивность (а) и АКФ (б) короткого лазерного импульса с гауссовой формой огибающейИз рисунка 4.1 видно, что АКФ является симметричной не только относительно нулевой разности хода, но и относительно среднего значения энергииизлучения.
Среднее значение энергии регистрируется в том случае, когда временная задержка между интерферирующими импульсами превышает его длительность, то есть импульсы не перекрываются во времени и в пространстве.Ширина огибающей АКФ для гауссова импульса в два раза больше длительности самого импульса.
Для фемтосекундных лазеров измеряют АКФ с разрешением интерференционных полос. Экспериментально это требует применениявысококачественной аппаратуры и развязки интерферометра от техническихфлуктуаций пола помещения лаборатории и устранения акустических шумов влаборатории.4.2. Нахождение энергетического спектра сигналаДля нахождения энергетического спектра сигнала необходимо воспользоваться теоремой Винера-Хинчина для стационарных случайных процессов, ко37торая гласит: энергетический спектр случайного процесса и его автокорреляционная функция связаны между собой через прямое и обратное преобразованияФурье:∞() = ∫ () − (31)−∞∞1() =∫ () ,2(32)−∞Таким образом, ширина частотного спектра и длительность автокорреляционной функции однозначно связаны между собой: чем шире полоса частот, занимаемая сигналом, тем меньше интервал корреляции, то есть сдвиг, в пределах которого автокорреляционная функция отлична от нуля, и наоборот [23].4.3.
Систематическая ошибка в измерениях автокорреляцииВ измеряемой автокорреляции могут присутствовать многочисленные источники систематической ошибки, которые могут достаточно сложно определяться. К таким источникам относятся:1. Дисперсия групповой скорости (GVD). Поскольку различные длины волнраспространяются с разной групповой скоростью в среде, импульс деформируется при прохождении через любую среду (будь то линза или нелинейная среда).
Импульс может быть деформирован даже диэлектрическим покрытием назеркале. Ввиду этого очень важно минимизировать количество материала напути луча и в устройстве измерения импульса.2. Асимметрия. Выражение для автокорреляции подразумевает, что два импульса идентичны. Если один проходит через большее количество оптическихэлементов чем другой, то искажения из-за материальной дисперсии вызовутасимметрию в следе автокорреляции. Этого эффекта трудно избежать, потомучто необходим делитель луча, который отражает один импульс, но пропускаетдругой, позволяя только последнему пройти через стекло.
Пластика компенсатора в другом луче помогает выравнивать импульсы.383. Разброс групповой скорости (GVM). У нелинейно-оптического процесса, используемого в устройстве измерения импульса, должна быть достаточная ширина полосы, чтобы эффективно преобразовать весь спектр импульса в соответствующее поле. Если ширины полосы нелинейной среды будет недостаточно,то устройство измерения импульса приведет к ошибочному результату.395. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИПри разработке экспериментальной установки решено было использоватьавтокорреляционный приемник оптических ультракоротких импульсов на основе интерферометра Майкельсона.
Данная схема интерферометра получиланаиболее широкое распространение в измерительной технике и научных исследованиях благодаря простоте конструкции и широким техническим возможностям.Система состоит из полупрозрачного зеркала большой толщины, разделяющего пучок света, и двух глухих зеркал, она представлена на рисунке 5.1.ФотоприемникПолупрозрачноезеркалоГлухоезеркалоГлухое зеркалоРисунок 5.1 – Прохождение лучей света в проектируемом приемникеоптических импульсовВ экспериментальной установке полупрозрачное зеркало разделяет падающий поток света для дальнейшей интерференции. Основное преимущество полупрозрачного зеркала большой толщины – большая разность хода между пуч40ками, отраженными от двух ее граней.
Это дает возможность обеспечить выделение и интерференцию световых пучков, обладающих одинаковой задержкойотносительно друг друга, и предотвратить трехлучевую интерференцию.Крайне важным элементом в работе автокорреляционного приемника на основе интерферометра Майкельсона является система, обеспечивающая смещение подвижного зеркала относительно полупрозрачного зеркала для измененияразности хода между опорным и информационными импульсами. При изменении разности хода межу этими импульсами происходит их интерференция, чтоприводит к изменению показаний фотоприемника.
При изменении разности хода между опорным импульсом и информационными импульсами можно их детектировать и измерять параметры этих импульсов.Автокорреляционный приемник можно разделить на две части: оптико-механическая часть (конструкция интерферометра Майкельсона); электронная часть, в которую входит фотоприемный модуль, блок управления и обработки данных с усилителем динамика, персональный компьютер.5.1.
Оптико-механическая частьСхема оптико-механической части автокорреляционного приемника приведена в Приложении А. Механическая конструкция автокорреляционного приемника обладает возможностью изменения положения относительно входящегосветового потока, а также позволяет юстировать все имеющиеся оптическиекомпоненты. Для этого предусмотрена возможность перемещения площадки синтерферометром.
Неподвижное зеркало можно перемещать вдоль оси для изменения разности хода между двумя плечами интерферометра, кроме того,имеется возможность наклона этого зеркала с помощью юстировочных винтов.Подвижное зеркало расположено на мембране динамика. При подаче напряжения на динамик происходит смещение мембраны, а вместе с ней и зеркала, науровень, соответствующий приложенному напряжению. Расстояние от полу41прозрачного диагонального зеркала до динамика возможно изменять.
Такжединамик можно юстировать винтами для настройки соосности системы.Фотография оптико-механической части автокорреляционного приемникапоказана на рисунке 5.2.Характеристики использованного динамика приведены в Таблице 5.1.Рисунок 5.2 – Общий вид оптико-механической части автокорреляционного приемникаТаблица 5.1 – Характеристики динамика OLDTS-1610.ПараметрЗначениеЭффективный рабочий диапазон ча-40-23000стот, Гц;Номинальное электрическое сопро-4тивление, Ом;42Предельная шумовая мощность, Вт;8Неравномерность АЧХ, Дб;16Частота основного резонанса, Гц;50-70Ход мембраны, мм;6Вес, кг.1Для уменьшения влияния внешних механических колебаний конструкцияавтокорреляционного приемника выполнена на массивной металлической плите, установленной на песчаной подушке.
Песчаная подушка располагается в деревянном коробе, установленном на столе с помощью резиновых ножек, обеспечивающих дополнительное демпфирование паразитных колебаний.Для защиты оптической части автокорреляционного приемника от запыления был изготовлен специальный прозрачный колпак, выполненный из акрилаи алюминиевого профиля, устанавливаемый на короб с песчаной подушкой.Дополнительная пылеизоляция осуществляется с помощью резиновых прокладок, проклеенных по периметру короба с песчаной подушкой и колпака.
Фотография короба с песчаной подушкой и прозрачного колпака приведена на рисунке 5.3.Рисунок 5.3 – Внешний вид короба с песчаной подушкой и прозрачного колпака43Для первичной настройки входящего лазерного излучения была разработанаконструкция, состоящая из двух диафрагм диаметром 2 мм. Конструкция выполнена из алюминиевого профиля в форме куба с расположенными на граняхвходным и выходным отверстиями.
Она закреплена на металлической плите свозможностью юстировки относительно входного лазерного излучения.5.2. Электронная частьСтруктурная схема электронной части экспериментальной установки представлена на рисунке 5.4.УФДФДААЦПМикроконтроллерUSBПКЦПЦАПУДДРисунок 5.4 – Структурная схема электронной части автокорреляционного приемникаНа 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 подаченапряжения на динамик происходит смещение мембраны, а вместе с ней и зеркала, на уровень, соответствующий приложенному напряжению. В результатедвижения динамика меняется разность плеч и возникает интерференционнаякартина, фиксируемая фотоприемным модулем. Фотоприемный модуль состоитиз 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 обработать44АЦП, установлен аттенюатор (А) с регулируемым коэффициентом ослабления.Он позволяет ослаблять сигнал с фотоприемного модуля максимум в 8 раз. Затем оцифрованные данные передаются на персональный компьютер в специальное программное обеспечение.
Скриншот окна программного обеспеченияпредставлен на рисунке 5.5.Рисунок 5.5 – Скриншот окна программного обеспечения для работы савтокорреляционным приемникомПрограммное обеспечение предназначено для визуализации полученныхданных на экран, их сохранения, экспортирования в текстовый документ,управления и задания режимов сканирования автокорреляционного приемника.Фотография блока управления представлена на рисунке 5.6. Он состоит изблока питания, фильтра питания, платы управления и усилителя динамика.45Для снижения шумов усилитель динамика был экранирован от электрических наводок латунным экраном с нижней и верхней стороны платы, а такжевходной шлейф был выполнен в виде двухпроводного экранированного провода. Для снижения магнитных наводок на цепи питания блок фильтра питаниябыл помещен в пермаллоевый экран.Рисунок 5.6 – Внешний вид блока управления автокорреляционного приемникаоптических УКИ5.2.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
