Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона

Автокорреляционную функцию (АКФ) оптического излучения измеряют с помощью интерферометра Майкельсона. Этот интерферометр представляет собой систему из трех зеркал, расположенных так, как показано на рис.7.1.

Прибор работает в параллельном пучке света. Пучок разделяется светоделительным зеркалом, наклоненным к падающему пучку на угол 45 градусов, или светоделительной призмой на два пучка равной интенсивности (коэффициент отражения этого зеркала берется равным 0,5 для указанного выше угла падения). Эти пучки отражаются точно назад зеркалами 2 и 3 с нанесенными на них полностью отражающими покрытиями.

Рис.7.1. Схема измерений огибающей АКФ с помощью интерферометра Майкельсона.

 1 - лазер, 2 -телескопическая система, формирующая широкий, параллельный пучок света. 3 - зеркало, колеблющееся вдоль оси пучка с амплитудой, примерно равной половине длины волны излучения; 4 - уголковый отражатель, который перемещается вдоль оси интерферометра, обеспечивая изменение разности хода интерферирующих лучей; 5 - диафрагма, 6 фотоприемник и регистрирующая система.

При этом на экране, установленном на выходе интерферометра, пучки точно накладываются друг на друга, создавая интерференционную картину. Сдвиг фазы между интерферирующими лучами определяется разностью расстояний от светоделительного зеркала до двух других зеркал. Интенсивность светового пятна на экране изменяется от нуля до максимального значения, равного интенсивности падающего на интерферометр луча в зависимости от разности хода интерферирующих лучей.

До создания лазеров работа с интерферометром при использовании в качестве источника света лампы накаливания представляла собой сложную экспериментальную задачу. Это было связано с необходимостью формирования параллельного светового пучка, точной юстировки зеркал и выравнивания оптических длин плечей интерферометра. Для осуществления такого выравнивания для разных длин волн анализируемого излучения внутрь интерферометра устанавливался компенсатор точно такой же толщины и из того же стекла, что и светоделительное зеркало.

С помощью лазера настройка интерферометра доступна даже школьникам. Поскольку при этом не требуется точно выравнивать оптические длины плечей интерферометра, легко сформировать параллельный световой пучок, а лучи, отраженные зеркалами хорошо видны на удаленном экране. Для обеспечения необходимой точности юстировки зеркал экран, на котором наблюдают степень пространственного совмещения двух пучков, следует устанавливать в нескольких метрах от интерферометра.

Для устранения влияния на работу лазера лучей, отраженных от интерферометра в обратном направлении, оптическая ось интерферометра немного разъюстируется по отношению к оптической оси лазера. Поэтому лазер необходимо относить на возможно большее расстояний от интерферометра, чтобы отраженный луч не попадал на выходное зеркало лазера.

При исследовании предельно коротких импульсов на результатах измерений может сказываться дисперсия света в светоделительном зеркале. В этом случае его толщина должна быть минимальной. При высоком оптическом качестве зеркал и при использовании хорошо сколлимированного с помощью телескопа луча непрерывного гелий-неонового лазера, обычно используемого для юстировки прибора, нетрудно наблюдать интерференционные полосы. В случае идеальной юстировки на выходе интерферометра наблюдают равномерное освещение, а также полное погашение светового луча на экране, когда интерферирующие лучи оказываются в противофазе.

Для наблюдения на экране интерференционных полос одно из зеркал интерферометра слегка разъюстируют. Изменение разности хода интерферирующих лучей, за счет перемещения с помощью микрометрического винта одного из зеркал интерферометра вдоль оптической оси, приводит к смещению на экране всей системы интерференционных полос, причем направление смещения определяется знаком изменения разности хода.

В случае падения на интерферометр расходящегося светового пучка, на экране, естественно, наблюдают кольцевую интерференционную картину, симметричную оптический оси прибора. При плавном изменении разности хода интерферирующих лучей за счет перемещения одного из зеркал диаметры колец непрерывно изменяются. При этом кольца в интерференционной картине в зависимости от направления перемещения зеркала или последовательно схлопываются в точку на оси картины или расходятся из центра.

При падении на идеальный интерферометр Майкельсона плоской монохроматической волны с длиной волны l, и интенсивностью I ₀, интенсивность света на его выходе I зависит от разности фаз интерферирующих лучей: , где   и  оптические длины плечей интерферометра.

Это означает, что при нулевой разности хода лучей в интерферометре и в последующих максимумах интерференции, когда косинус становится равным единице, интерферометр Майкельсона полностью пропускает падающую на него волну. В минимумах интерференции, естественно, свет полностью отражается от интерферометра назад в направлении источника света. Учет этого отражения устраняет кажущийся парадокс с сохранением энергии в интерференционной картине на выходе интерферометра: в максимумах интерференционной картины интенсивность света в два раза превышает сумму значений интенсивностей интерферирующих лучей.

В современных конструкциях интерферометра Майкельсона точное перемещение зеркала осуществляют с помощью шагового электрического двигателя, управляемого компьютером. Сигнал с фотоприемника преобразуют аналогово-цифровой платой в цифровую форму и также записывают в память компьютера.

Лазер и интерферометр помещают на оптическую скамью, подвешенную на воздушной подушке для развязки от механических вибраций пола лаборатории.