УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕФРАКТИВНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР МАЙКЕЛЬСОНА

В ряде применений интерферометра Майкельсона (ИМ), в частности при его использовании в лазерном резонаторе, необходима высокая стабильность фазовых характеристик. В настоящей работе проведено экспериментальное сравнение двух конфигураций интерферометров, один из которых построен по классической схеме, а второй — по рефрактивной схеме, имеющей повышенную устойчивость к разъюстировкам и случайным флуктуациям параметров окружающей среды. Обсуждается возможность применения управляемого рефрактивного ИМ в схеме лазерного резонатора для генерации ультракоротких лазерных импульсов.

Кл. сл. : интерферометр Майкельсона (ИМ), рефрактивный интерферометр Майкельсона (РИМ), разность оптических длин плеч (РОДП), стабилизация, случайные и систематические флуктуации интенсивности излучения

ВВЕДЕНИЕ                   однако в случае резонатора, управляемого ИМ [2], использование рефрактивной схемной конфигура-

Интерферометры Майкельсона (ИМ) являются устройствами, широко используемыми для количественного фазового анализа, для регистрации малых разностей оптических длин плеч (РОДП) и управления ими с точностью до долей длин волн светового излучения. Высокая чувствительность приборов имеет и свои отрицательные стороны. Так, случайные изменения давления и температуры воздуха способны вызывать изменения в показателях преломления в плечах ИМ¸ причем даже очень малые флуктуации температуры, движение воздуха, механические колебания конструкции могут приводить к смещениям, вносящим заметные случайные и систематические ошибки в результаты измерений.

Пассивная стабилизация ИМ, предназначенного для работы в составе лазерного излучателя ультракоротких импульсов, экспериментально продемонстрирована нами в работе [1]. В настоящей работе мы исследовали возможность дальнейшего повышения стабильности лазерного резонатора с управляемым ИМ, описанного в [2], путем применения оригинальной схемы интерферометра, содержащего рефрактивные и зеркальные оптические элементы, называемого далее рефрактивным интерферометром Майкельсона (РИМ), идея которой была предложена в патенте [3].

Судя по литературе, данная схема интерферометра за последнее десятилетие не нашла широкого практического применения. Возможно, причина этого состоит в сложности нанесения составных оптических покрытий требуемой конфигурации, ции, обладающей повышенной стабильностью, может оказаться оправданным и целесообразным.

Ниже описаны экспериментальные результаты по исследованию РИМ оригинальной конструкции, включенного в состав лазерного излучателя [2]. Проведено его сравнение c классическим ИМ, описанным в нашей работе [1], и анализ факторов, вызывающих возможные нарушения стабильности выходной мощности лазера.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Оптическая схема РИМ (см. также [3]), разработанная и исследуемая в рамках настоящей работы, показана на рис. 1. Его конструктивная реализация иллюстрируется фотографией в Приложении на рис. П1.

Схема состоит из основного 1 и компенсирующего 2 светоделителей и единого глухого концевого зеркала 3. Все элементы изготовлены из оптического стекла К8 c соответствующими диэлектрическими покрытиями. Зеркало является полностью отражающим, светоделители имеют сложные составные оптические покрытия. На рис. 1 области с полностью отражающими покрытиями ( R = 99.5 %) условно обозначены черными линиями, область со светоделительным покрытием ( R = 50 %) заштрихована, а области с просветляющими покрытиями свободны от штриховки.

Пластины 1 и 2 выбираются плоскопараллельными с одинаковой толщиной и устанавливаются под одинаковыми углами падения

Рис. 1. Оптическая схема РИМ.

1, 2 — светоделители; 3 — зеркало; 4 — кристаллы ЭОМ; 5 — компенсатор; 6 — диафрагма к входному лучу I (см. рис. 1), составляющими в данном случае 30°. Положение светоделителя 1 фиксировано, пластина 2 может поворачиваться на небольшие углы (порядка единиц градусов), как показано по стрелке, обозначенной на рисунке. Концевое полностью отражающее зеркало 3 устанавливается перпендикулярно направлению входного луча и в этом положении фиксируется. Диафрагма диаметром 2.5 мм используется в составе лазерного резонатора, кроме того, ее наличие удобно с точки зрения фиксации точки входа луча I в РИМ.

Входной пучок I на задней грани светоделителя 1 делится пополам на два луча II и III (два плеча ИМ), причем, как видно из рис. 1, при равенстве углов падения количество и длина проходов по воздуху и внутри пластин в обоих плечах одни и те же, поэтому и оптические длины плеч автоматически оказываются одинаковыми. Пучки после прохода через плоскопараллельные пластины 1 и 2 всегда перпендикулярны отражающей поверхности общего заднего зеркала 3, а возможные незначительные различия в толщине и клиновидно-сти пластин могут быть скомпенсированы малым разворотом пластины 2. При таком развороте оптические длины путей в разных плечах ИМ изменяются по-разному. Поскольку оба пучка проходят через одни и те же среды, следует ожидать повышения стабильности выходного пучка IV по отношению к случайным тепловым и турбулентным флуктуациям внешней среды.

Кроме этого, поворотом пластины 2 по стрелке, показанной на рисунке, можно вводить заданную разность оптических длин плеч (РОДП) интерферометра. Для этого в конструкции пластина 2 устанавливается на поворотный столик. Таким образом, исключается необходимость включать в одно из плеч ИМ субмикронный линейный пьезотранслятор, что также повышает устойчивость ИМ к случайным ошибкам и флуктуациям.

Нелинейные кристаллы ЭОМ (поз. 4 на рис. 1) при использовании РИМ в управляемом режиме для генерации УКИ могут быть введены в одно из плеч. При этом во второе плечо устанавливается-стеклянный компенсатор 5 с соответствующей оптической длиной. Отметим, что в экспериментах по стабилизации, описываемых в настоящей работе, элементы 4 и 5 отсутствовали.

Пластины 1 и 2 с составными оптическими покрытиями были изготовлены на базе стандартных эталонных пластин ПМ15 по нашему заказу в ООО "ОптоТЛ", Санкт-Петербург. Результаты их испытаний в РИМ, установленном в составе излучателя, описанного нами в работе [2], рассматриваются в следующем разделе.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты, так же как и в работе [1], проводились на базе компактной геометрии резонатора, когда длинная (1.5 м) эквивалентная схема с помощью зеркальных ретроотражателей была "свернута" в блок с длиной, не превышающей 350 мм. Внешний вид излучателя с конфигурацией традиционного ИМ (подробнее см. [2]) приведен в Приложении на рис. П2. В нижней части рисунка показан РИМ, который теперь вводился в резонатор в качестве составного выходного зеркала взамен обычного ИМ таким образом, чтобы положения концевых зеркал, объединенных на рис. П2 стрелкой, в точности совпадали. Положения остальных элементов излучателя не изменялись.

Оптическая схема измерений, за исключением замены интерферометров, совпадает со схемой, используемой в работе [1], и далее не описывается. Юстировка резонатора с РИМ сводится к установке заднего концевого зеркала 3 (см. рис. 1) строго назад по оси резонатора, остальные элементы РИМ на точность юстировки не влияют. На выходе резонатора всегда наблюдается нулевое поле интерференционной картины, интенсивность

а

б

Рис. 2. Стабильность уровня мощности излучения для обычного ИМ (а) и для РИМ (б). Развертка 10 с/дел.

которого от максимума до минимума изменяется при малом развороте пластины 2 (см. рис. 1).

Распределение интенсивности в пятне выходного излучения было близким к гауссовому, уровень выходной мощности при настройке на максимальную интенсивность нулевого поля, как правило, составлял 0.2–0.3 Вт, что примерно вдвое уступало уровню мощности, достигаемому в [1] с использованием классического ИМ. Это могло объясняться либо увеличением активных потерь резонатора за счет увеличения числа отражений от составных оптических покрытий, либо тем фактом, что во время проведения данной серии экспериментов было отмечено некоторое уменьшение эффективности квантрона по сравнению с [1].

Долговременная стабильность РИМ была высокой и не требовала его размещения в дополнительном корпусе. Каких-либо быстрых и медленных колебаний интенсивности за время наблюдений до нескольких минут отмечено не было. На рис. 2, а, показан пример осциллограммы изменения выходной мощности для обычного ИМ из работы [1]; осциллограмма на рис. 2, б, соответствует РИМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение отметим, что в настоящей работе разработан и протестирован оригинальный стабильный интерферометр Майкельсона рефрактивного типа, идея которого предложена в патенте [3]. Экспериментально продемонстрирована повышенная стабильность рефрактивного интерферометра, который имеет следующие преимущества перед традиционным:

– простота и надежность юстировки, отсутствие необходимости угловой подстройки элементов;

– возможность точного выравнивания РОДП без пьезо-транслятора, который является элементом, чувствительным по отношению к случайным акустическим шумам;

– снижение чувствительности по отношению к микроскопическим поступательным перемещениям элементов и к колебаниям окружающего воздуха, поскольку траектории пучков в обоих плечах одинаковы.

Экспериментальная апробация РИМ в пассивном режиме позволяет рассчитывать на получение воспроизводимых и стабильных результатов и в управляемом режиме в качестве составного зеркала резонатора твердотельного лазера, излучающего ультракороткие импульсы.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П1. Конструкция РИМ

Рис. П2. Фотография излучателя, иллюстрирующая замену классического ИМ на рефрактивный

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания 2019 г. № 075-00924-19-00 от 28.12.18.