Юстировка длин плеч интерферометра Майкельсона

В ряде применений интерферометра Майкельсона, в частности при его использовании в широкополосном по спектру излучении, высокий контраст полос возможен при точно вырáвненных оптических длинах его плеч. В настоящей работе экспериментально продемонстрирована методика уменьшения разности длин плеч до уровня в несколько микрон, состоящая в последовательном применении нескольких источников излучения с различной длиной когерентности. Обсуждается возможность применения интерферометра Майкель-сона в качестве составного резонаторного зеркала с управляемым коэффициентом отражения для генерации ультракоротких лазерных импульсов.

Кл. сл. : интерферометр Майкельсона, разность оптических длин плеч, интерферограмма, ширина спектра излучения

ВВЕДЕНИЕ                 отметим схему, в которой ИМ является составным зеркалом лазерного резонатора [3–5]. В работе [3]

Интерферометры Майкельсона (ИМ) являются чрезвычайно чувствительными устройствами, широко используемыми в прецизионных измерительных спектральных приборах, а также в приборах для измерения очень малых линейных перемещений. В частности, они нашли широкое применение в фурье-спектроскопии [1], в схемах оптических корреляторов для измерения длительностей ультракоротких лазерных импульсов [2]. В подобных приборах, как правило, одно из зеркал устанавливается на линейный транслятор, позволяющий изменять разность оптической длины плеч (РОДП), осуществляя линейное сканирование.

В прецизионных фурье-спектрометрах важно исключить влияние собственных ошибок и шумов ИМ на результаты измерений. По этой причине в технической литературе (см. [1] и библиографию в ней) имеется большое количество разработанных оригинальных схем ИМ, обладающих пониженной чувствительностью к угловым разъюстировкам и повышенной точностью измерения относительного изменения оптической разности длин плеч интерферометра. При этом вопрос об абсолютной точности измерения РОДП и прецизионном выравнивании длин плеч интерферометра в приборах данного класса остро не стоит.

В то же время в ряде специфических применений ИМ, в частности при его использовании в широкополосном по спектру излучении, именно рав-ноплечность интерферометра является свойством, определяющим возможность его успешной работы с достаточно высоким контрастом.

В качестве примера подобного использования предложена, а в [4] предварительно протестирована схема лазерного резонатора, в котором в качестве выходного зеркала резонатора твердотельного лазера, предназначенного для генерации пикосекундных импульсов, используется управляемый ИМ. В одном из плеч интерферометра установлен фазовый электрооптический модулятор (ЭОМ), который обеспечивает модуляцию добротности и активную синхронизацию продольных резонаторных мод лазера. При этом, благодаря интерферометру, удается преобразовать фазовую модуляцию в амплитудное изменение активных потерь резонатора с очень высоким "контрастом". Теоретически коэффициент отражения выходного зеркала, выполненного в виде управляемого ИМ, может изменяться от 0 до 100 %.

В этом случае оптические длины плеч интерферометра должны быть тщательно вырáвнены, во-первых, для получения достаточно высокого контраста интерференционной картинки в пределах спектральной ширины линии усиления активной среды лазера, а во-вторых, для увеличения количества продольных мод, участвующих в генерации лазера, без чего получение ультракоротких импульсов становится невозможным. Кроме этого, отметим, что использование неравноплечного ИМ в качестве составного выходного зеркала резонатора приводит, как известно (см. [5]), к обратному эффекту, т.е. к селекции продольных мод лазера. Таким образом, задача выравнивания длин плеч ИМ с микронной точностью может быть достаточно актуальной.

Настоящая работа посвящена описанию экспе-

Рис. 1. Схема выравнивания длин плеч ИМ. З1, З2 — зеркала; СД — 50% светоделитель; ЭОМ — электрооптический модулятор из 2 кристаллов RTP; К1 — стеклянный компенсатор; К2 — стеклянная пластинка-компенсатор, АП — анализатор распределения интенсивности пучка; ЛФ — линза; РП — расширитель светового пучка; Л1… Л4 — источники излучения

Рис. 2. Внешний вид ИМ.

1 — зеркало З1, 2 — компенсатор К2, 3 — ЭОМ, 4 — светоделитель СД, 5 — компенсатор К1, 6 — зеркало З2

риментальных результатов по выравниванию длин плеч ИМ, полученных на примере управляемого интерферометра, устанавливаемого в резонатор твердотельного лазера на основе Nd:YAG, предназначенного для генерации лазерных импульсов с пикосекундной длительностью (подробнее см. [4]).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Схема экспериментов по выравниванию РОДП показана на рис. 1, внешний вид ИМ показан на рис. 2. Интерферометр, составленный зеркалами З1, З2 и 50%-м светоделителем СД, смонтирован на инваровом основании. Зеркала интерферометра З1 и З2 имеют точные угловые юстировочные подвижки, кроме этого, зеркало З1 установлено на линейном трансляторе, позволяющем осуществить предварительное выравнивание длин плеч ИМ с точностью до десятка микрон. Зеркало З2 уста- новлено на линейной пьезоплатформе типа P-611.1S с драйвером E-609SO (PI, Германия), что позволяет повысить точность выравнивания РОДП до единиц и долей микрон. Оптические покрытия элементов ИМ по спектральным характеристикам рассчитаны на эффективную работу с излучением на длине волны 1.06 мкм.

В вертикальном (в плоскости рисунка) плече установлены кристаллы электрооптического модулятора ЭОМ (два термоскомпенсированных кристалла RTP с размерами 4 × 4 × 10 мм каждый). Во втором плече имеется стеклянный компенсатор К1, имеющий точно такую же оптическую толщину, как кристаллы RTP. Еще одна просветленная стеклянная пластинка К2 позволяет скомпенсировать несимметричную установку светоделителя СД в интерферометре.

Как уже отмечалось выше, интерферометр предназначается для работы в лазерном резонаторе в коллинеарных световых пучках, поэтому требования к точности выравнивания оптических

а

б

Рис. 3. Выравнивание длины плеч ИМ при свете He-Ne лазера (см. пояснения в тексте)

длин плеч определяются шириной спектра и длиной когерентности лазерного излучения. Для поэтапного повышения точности выравнивания РОДП представляется целесообразным применить последовательно несколько источников излучения Л1…Л4, имеющих все более и более широкие спектры излучения.

Для каждого источника излучения в широком параллельном пучке, формируемом расширителем РП, зеркала ИМ юстировались по углам, а затем при перемещении зеркала З1 с помощью линейного транслятора подбирался наилучший контраст интерференционной картинки.

Затем после расширителя в пучок вводилась линза ЛФ с фокусным расстоянием 40 мм, так что на входе в интерферометр пучок приобретал сходящийся сферический волновой фронт (см. методику выравнивания плеч ИМ в [6]). Интерферограммы на выходе ИМ регистрировались с помощью матричного анализатора распределения интенсивности пучка (АП на рис. 1) типа LaserBeamProfiler (LLG, Германия) с набором сменных нейтральных фильтров.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Первая серия экспериментов

В первой серии экспериментов кристаллы ЭОМ и компенсатор К1 в схеме ИМ отсутствовали. В качестве первого источника излучения Л1 применялся He-Ne лазер ЛГН-207 (ООО "ЛазерВарио-Ракурс", Рязань). Его излучение имеет узкий спектр, и интерференционная картинка в плоских фронтах сохраняла высокий контраст при варьировании разности плеч в пределах нескольких сантиметров. На рис. 3 показаны интерферограммы, полученные в сферических волнах при наличии в схеме короткофокусной линзы ЛФ, соответст- вующие выравненным длинам плеч ИМ (б) и симметричным расстройкам в противоположные стороны (а и в) на ± 2 мм, вводимым линейным транслятором, сдвигающим зеркало З1. На рис. 3 видны паразитные кольца и полосы, наличие которых связано с большим количеством бликов, возникающих из-за несовпадения спектральных характеристик покрытий на оптических элементах ИМ, рассчитанных на длину волны 1.06 мкм, с длиной волны зондирующего красного излучения.

В качестве второго источника излучения Л2 применялся непрерывный лазер DTL-313, излучающий на второй гармонике Nd:YLF в зеленом свете (527 нм) со спектральной шириной линии генерации 0.125 нм (ООО "Лазер-Экспорт", Москва), сравнимой с шириной линии люминесценции Nd:YAG. Преимуществом данного источника была визуальная видимость излучения, облегчающая настройку ИМ, а недостатком, как и в первом случае, — несовпадение спектральных характеристик покрытий и длины волны излучения.

Глубина контраста интерференционной картинки в плоских волнах по разности длин плеч интерферометра составляла около 2 мм, что по оценкам совпадает с длиной когерентности используемого зеленого излучения. На рис. 4 показаны интерферограммы, полученные в сферических волнах (при наличии в схеме короткофокусной линзы ЛФ), соответствующие выравненным длинам плеч ИМ (б) и симметричным расстройкам в противоположные стороны (а и в) на ± 0.5 мм, вводимым линейным транслятором зеркала З1.

Следующим шагом в повышении точности выравнивания РОДП интерферометра было применение в качестве источника излучения Л3 бытового красного светодиодного фонарика с мощностью до 50 мВт и типичной шириной спектра порядка 40 нм. Интерференционная картина наблюдалась

б

в

Рис. 4. Выравнивание длины плеч ИМ в свете зеленого лазера DTL-313 (см. пояснения в тексте)

в почти параллельном пучке; для точной подстройки длины одного из плеч ИМ использовался транслятор зеркала З2 (см. рис. 1) на пьезокерамике. Глубина контраста прямых полос составляла в этом случае от 5 до 7 мкм, что по порядку величины совпадает с оценками длины когерентности излучения светодиода.

Вторая серия экспериментов

Во второй серии экспериментов в ИМ вводились кристаллы ЭОМ и компенсатор К1 (см. рис. 1), что привело к наличию сильных апертурных ограничений и снижению наглядности интерференционных колец при их наблюдении в сферическом пучке.

Для повышения чувствительности схемы регистрации в качестве источника излучения Л4 использовался достаточно мощный DPSSNd:YLF-лазер "TechAdvanced" (ООО "Лазер-Экспорт", Москва), излучающий на длине волны 1.053 мкм, близкой к рабочей и соответствующей спектральным характеристикам покрытий оптических элементов ИМ. Лазер работает в импульсно-периодическом режиме со средней мощностью до 4 Вт, имеет угловую расходимость, близкую к дифракционной, и ширину спектральной линии порядка 0.5 нм. Чтобы избежать дополнительной юстировки, излучение лазера заводилось в ИМ точно по той же оси, что и видимое излучение зеленого лазера Л2 (DTL-313).

Глубина контраста интерференционной картинки в плоских волнах по разности длин плеч интерферометра составляла от 3 до 4 мм, что соответствует оценкам длины когерентности используемого ИК-излучения, длина волны которого вдвое больше по сравнению с длиной волны зеленого излучения лазера Л2.

На рис. 5 показаны интерферограммы, полученные в сферических волнах, соответствующие выравненным длинам плеч ИМ (б) и симметричным

Рис. 5. Выравнивание длины плеч ИМ в свете лазера "TechAdvanced" 1.053 мкм (см. пояснения в тексте)

а

б

Рис. 6. Нулевое поле ИМ с выравненными РОДП (см. пояснения в тексте)

расстройкам в противоположные стороны (а и в) на ± 0.5 мм, вводимым линейным транслятором, сдвигающим зеркало З1. Видно, что расстройки РОДП приводят к искривлению прямых полос в разные стороны.

На рис. 6 показаны интерферограммы, полученные при оптимальном выравнивании РОДП и настройке ИМ на бесконечно широкую полосу, где наблюдается светлое (а) или темное (б) "нулевое поле" в зависимости от настройки положения управляемого пьезокерамикой зеркала З2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение резюмируем, что в настоящей работе экспериментально продемонстрирована методика выравнивания РОДП в ИМ, состоящая в последовательном уменьшении длины когерентности источников излучения. В интерферометре с зеркалами диаметром 25 мм, не имеющем апертурных ограничений, получена точность выравнивания на уровне нескольких микрон. При ограничении апертуры диафрагмой диаметром 3 мм достигнутая точность выравнивания оценивается в несколько сотен микрон. Для ее повышения требуется использование светодиодного источника повышенной мощности с высокой направленностью излучения.

Как показали результаты работы [4], полученной точности выравнивания РОДП оказалось достаточно для использования ИМ в управляемом режиме в качестве составного зеркала резонатора твердотельного лазера, излучающего импульсы наносекундной длительности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания 2019 г. № 075-00924-19-00 от 28.12.2018.