SU1658041A1

SU1658041A1 - Method for measuring interference pattern contract

Info

Publication number: SU1658041A1
Application number: SU894712922A
Authority: SU
Inventors: Ирина Ивановна Комиссарова; Галя Всеволодовна Островская; Юрий Исаевич Островский; Валерий Николаевич Филиппов; Елена Николаевна Шедова
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1991-06-23

Abstract

Изобретение откоситс к оптическим измерени м и может быть использовано дл определени степени когерентности излучени различных лазерных источников света, а также дл определени контраста интерфе- ренционно-голографических структур в схемах дл регистрации голограмм. Цель - упрощение и расширение спектральной области применени способа. Способ состоит в регистрации интерференционной картины на светочув- ствительном материале. В качестве светочувствительного материала используют материал, обладающий скачкообразным изменением пропускани или отражени под действием излучени . Измер ют усредненную по площади плотность энергии Ic« исследуемого интерференционного пол , освещают зарегистрированную интерференционную картину и определ ют величину усредненного по площади коэффициента пропускани Т или отражени R, а искомый контраст, наход т из зависимостей Р (Inop/ cp O/cos/iT(T- -Т,,)/ - Т0) или Р (1„ор/1ср - 1)/cosff(R - R0)(R, - R0), где I pop - плотность энергии излучени , при которой происходит скачкообразное изменение коэффициента пропускани от То до Т, или коэффициента отражени от R0 до R, TO - исходный коэффициент пропускани , Т, - конечный коэффициент пропускани , RO - исходный коэффициент отражени , R - конечный коэффициент отражени . 7 ил. с е (Л О5 сл 00The invention is inclined to optical measurements and can be used to determine the degree of coherence of radiation from various laser light sources, as well as to determine the contrast of interference-holographic structures in schemes for recording holograms. The goal is to simplify and expand the spectral scope of the method. The method consists in registering the interference pattern on the photosensitive material. As a photosensitive material, a material is used which has a discontinuous change in transmission or reflection under the action of radiation. The area-averaged energy density, Ic "of the interference field under study, is measured, the recorded interference pattern is illuminated, and the value of the transmittance T, averaged over the area, or the reflection R, is determined, and the desired contrast is found from the P dependences (Inop / cp O / cos / iT ( T- –T ,,) / - T0) or P (1 Ор / 1ср - 1) / cosff (R - R0) (R, - R0), where I pop is the radiation energy density at which an abrupt change in the coefficient the transmittance from To to T, or the reflection coefficient from R0 to R, TO is the initial transmittance, - final transmittance, RO - source reflection coefficient, R - final reflectance. 7 il. with e (L O5 cl 00

Description

Изобретение относитс к оптическим измерени м и может быть использовано дл определени степени когерентности излучени различных лазерных источников света, а также дл определени контраста интерферен- ционно-голографических структур в схемах дл регистрации голограмм.The invention relates to optical measurements and can be used to determine the degree of coherence of radiation from various laser light sources, as well as to determine the contrast of interference-holographic structures in schemes for recording holograms.

Цель изобретени - упрощение и расширение спектральной области применени способаThe purpose of the invention is to simplify and expand the spectral scope of the method.

На фиг.1 схематически представлена зависимость коэффициентов пропускани Т; на фиг.2 - отражени R от плотности энергии I дл материала, скачкообразно измен ющего эти характеристики под действием излучени (порогового материала); на фиг.З - распределение плотности энергии в интерференционном поле; на фиг.4 - рас пределепне пропускани порогового материала , на котором зарегистрирована интерференционна картина;на фиг.З - схема экспериментальной установки дл конкретной реализации способа, где 1 - СО -лазер, 2 - светоделитель на германиева пластина, 3 - плоское зеркало, 4 и 5 - вогнутые зеркала , 7 - светочувствительный материал , 7 - He-Ne-лазер, 8 - линза, 9 - фотодиод, 10 - гальванометр; на фиг.6 и 7 - микрофотографии фрагмен- та интерференционной картины, зарегистрированной на полупрозрачной алюминированной стекл нной пластине, при различных значени х плотности энергии.Fig. 1 shows schematically the dependence of the transmittance T; Fig. 2 illustrates the reflections R from the energy density I for a material that jumply changes these characteristics under the action of a radiation (threshold material); on fig.Z - distribution of energy density in the interference field; Fig. 4 shows the distribution of the threshold material on which the interference pattern is recorded; Fig. 3 shows the experimental setup for a specific implementation of the method, where 1 is a CO laser, 2 is a beam splitter on a germanium plate, 3 is a flat mirror, 4 and 5 - concave mirrors, 7 - photosensitive material, 7 - He-Ne laser, 8 - lens, 9 - photodiode, 10 - galvanometer; Figures 6 and 7 are micrographs of a fragment of an interference pattern recorded on a translucent aluminized glass plate at different values of energy density.

Как видно из фиг.1 и 2 при 1 1„ор |Т Т0 и R R0, а при I 1пок Г |Т - Т0 н R R,.Г As can be seen from figures 1 and 2 with 1 1 „or | T 0 and R R0, and with I 1 ок G Т T - T 0 n R R,. D

Таким материалом вл ютс , например , тонкие металлические слои, нанесенные на стекл нную подложку. При .их облучении.световым пучком с плот- ностью энергии, превышающей 1пор, происходит испарение металлического сло , привод щее к скачкообразному изменению коэффициентов пропускани и отражени .Such a material is, for example, thin metallic layers deposited on a glass substrate. When they are irradiated with a light beam with an energy density exceeding 1por, the metal layer evaporates, leading to an abrupt change in the transmittance and reflection coefficients.

Светочувствительный материал, об- ладающий пороговыми свойствами, подвергают воздействию исследуемого интерференционного пол , распределение интенсивности в котором описываетс выражениемThe photosensitive material, which possesses threshold properties, is exposed to the investigated interference field, the intensity distribution of which is described by the expression

I - I (1 4- р cos 2fr-g-) (1)I - I (1 4- p cos 2fr-g-) (1)

где d - период интерференционнойwhere d is the interference period

картины; х - координата.paintings; x - coordinate.

5five

Величина 1С представл ет собой усредненную по площади плотность энергии в интерференционном поле.The value of 1C is the energy density averaged over the area in the interference field.

Соответствующее распределение плотности энергии показано на фиг.Ч, гдеThe corresponding energy density distribution is shown in FIG. CH, where

We- ГСр 1 + Р « 1Мии Ч-РЬ В тех участках ннтерференцнон ной картины,где 1 I „„. дл данного материала, происходит скачкообразное изменение его пропускани или отражени . Распределение пропускани в за-j регистрированной интерференционнойWe- GSR 1 + P “1MII H-Pb” In those areas there is an interfering picture, where 1 I „„. for a given material, an abrupt change in its transmission or reflection occurs. Distribution of transmittance in for-j registered interference

картине имеет вид, представленный на фиг.4.the picture has the form shown in figure 4.

Очевидно, что I „„- при значегIt is obvious that I „„ - with

j. Оj. ABOUT

ни х х i-y, т.е.nor x x i-y, i.e.

./V а./V

пор 1вр 1 + Pcos7-2-). then 1vr 1 + Pcos7-2-).

(2)(2)

Далее записанную на пороговом материале интерференционную картину освещают пучком света, диаметр сечени которого много больше периода интерференционной картины, и определ ют усредненный по ее площади коэффициент пропускани Т (или отражени R), равный отношению интенсивности прошедшего (или отраженного) пучка к интенсивности падающего пучка. Нетрудно показать, что усредненные значени Т и R св заны с шириной светлых и темных полос соотношени миNext, the interference pattern recorded on the threshold material is illuminated with a beam of light, the cross section of which is much longer than the period of the interference pattern, and the transmittance T (or reflection R) averaged over its area is equal to the ratio of the intensity of the transmitted (or reflected) beam to the intensity of the incident beam. It is not difficult to show that the averaged values of T and R are related to the width of the light and dark bands by the ratios

т - TO d - -|-) 4 т,-|-; (3)t - TO d - - | -) 4 t, - | -; (3)

R R0 (1 - -f- 4 R|-J-. (4) Наход из выражений (3) и (4) значени --т- и подставл его в выражение (2), получаютR R0 (1 - -f- 4 R | -J-. (4) Finding the values from the expressions (3) and (4) - t- and substituting it into the expression (2), get

Ьор р 1 coef |-E-k.(Lo p 1 coef | -E-k. (

н n

i«ro| icp 1 + p cos/ Ц-Е-ЦЧ 6i «ro | icp 1 + p cos / C-E-TsCh 6

Найд Р из формул (5) и (6), получают расчетные формулы дл определени контрастаFinding P from formulas (5) and (6), get the design formulas for determining the contrast

. .. .

f йГ 5 /f yy 5 /

COSCos

т - т х 1еt - t x 1e

(7)(7)

I.ctop /Icp - 1I.ctop / Icp - 1

I I I iWp мЬи I i i iwp mby

( /R - R а ч (/ R - R and h

cos и (Ј)cos and (Ј)

к t - KOto t - KO

(8)(eight)

Соотношени 7 и 8, дающие простую и однозначную св зь между контрастом интерференционного пол и пропусканием (или отражением) зарегистрированной интерференционной картины,выполн ютс именно дл случа регистрации на материале, скачкообразно измен ющем оптические характеристики поч действием излучени . Как нанесIH , в случае работы на линейном у члстки характеристической кривой с.веточунгтни- тепьного материала усредненного по площади интерференционной картины пропускание Т пропорционально величине IСр и совсем не зависит от контраста интерференционного пол .The ratios 7 and 8, which give a simple and unambiguous connection between the contrast of the interference field and the transmission (or reflection) of the recorded interference pattern, are performed precisely for the case of recording on a material that irregularly changes the optical characteristics by the action of radiation. As applied, in the case of working on a linearly characteristic characteristic curve of a photocharacter material averaged over the area of the interference pattern, the transmittance T is proportional to the ICp value and does not depend at all on the contrast of the interference field.

Дл расчета контраста по формулам 7 п 8, кроме измеренного значени Т (или R), соответствующего определенному значению 1Ср, необходимо также знать Та, Т (или R o, R,) и I П0р , если они неизвестны из литературных данных, то они легко могут быть измерены , В частности, величины Т и Т, (R и RJ) наход т путем непосредственного измерени коэффициента пропускани (или отражени ) материала до его облучени (Т0 и RQ) и после облучени однородным полем при плотности энергии большей I п0Р (Т и RJ-) Что касаетс величины Ipop, то дл ее измерени можно, например, подвергнуть материал интерференционной засветке при значени х плотности энергии IСр . как больших, так и мень Т- To calculate the contrast using the 7 p 8 formulas, besides the measured T (or R) value corresponding to a specific 1 Cp value, it is also necessary to know Ta, T (or R o, R,) and I P 0 p, if they are unknown from the literature, In particular, the values of T and T, (R and RJ) are found by directly measuring the transmittance (or reflection) of the material before it is irradiated (T0 and RQ) and after irradiation with a uniform field at an energy density greater than I r0R ( T and RJ-) With regard to the magnitude of Ipop, for its measurement can, for example, be subjected s material interference with illumination values of energy density ICP. both large and smaller T-

Из совокупности зарегистрированных интерференционных картин выдел ют ту, на которой ширина светлых и темных полос одинакова , т.е. а From the set of registered interference patterns, the one on which the width of the light and dark bands is the same, i.e. but

dТ ft + ТdТ ft + T

При этом Т --г-- (или At the same time T - g-- (or

I... т,.о;- .партии Т f p тм-педуемого инт Ь - пенци чН г м псчм , измерить усредненный пп площади литерферограм- мы коэффициент пропугкчни (или пт- рпжснн н рассчитать исьомып контраст по формулам 7 и 8.I ... t, .о; - batches T f p tm -putated int b - pensions, measure the averaged pp of the area of the literferogram, the ratio of the progs (or calculate the contrast using formulas 7 and 8.

В известном способа измер ютс ло- кальнпе характеристики интерференцниннон картины, что существенно ограничивает его применение в случае интерференционных полей высокой прост панственной частоты. В предлагаема способе измер ют усредненные поIn the known method, the local characteristics of the interference patterns are measured locally, which significantly limits its use in the case of interference fields of a high spatial frequency. In the proposed method, the averaged

5 большой площади характеристики интерференционной картины и плотности энергии пол , что приводит к существенному упрощению как методики измерений , так и используемой аппаратуры.5 large area characteristics of the interference pattern and the energy density of the field, which leads to a significant simplification of both the measurement method and the equipment used.

Лногие материалы, такие, как ме- тиллизированные слои, скачкообразно мчмен ют свое пропускание (отражение) вследствие нагрева падающим излучением . Такие материалы практическиLight materials, such as metallized layers, abruptly shift their transmission (reflection) due to heating by the incident radiation. Such materials are practically

5 неселективны и могут работать в широким спектральном диапазоне от ультрафиолетовой до далевой инфракрасной областей спектра. В этом случае ,;:.ос игаетс еще и существенное расши0 рент; спектрального диапазона его применимости.5 are non-selective and can operate in a wide spectral range from ultraviolet to far-infrared spectral regions. In this case,;:. Os, there is also a substantial expansion of rents; spectral range of its applicability.

Предлагаемый способ примен лс дл измерени контраста интерференци- онно-голографических структур при исследовании процесса записи голо5The proposed method was used to measure the contrast of the interference-holographic structures in the study of the recording process of the head.

граггм в ПК-диапазоне.graggm in pc range.

RR

R o+ RR o + R

--). Плотность энергии, при-). Energy density when

которой зарегистрирована эта картина , соответствует I пор . то следует из формул 5 и 6, в которых при указанных соотношени х дл Т, То и Tj (или R, R0 и RJ) будет выполн тьс равенство I П0р 1Ср независимо от значени контраста. Величины Т., Т (или R0 и RJ ) и I.pop вл ютс характеристиками данного порогового материала и повторного их измерени при каждом акте определени контраста интерференционного пол не требуетс . Таким образом, дл измерени контраста интерференционного пол необходимо зарегистрировать интерференционную картину на материале, обладающем скачкообразным изменением коэффициента пропускани или отражени , измерить усредненную по площадиwhich this picture is registered, corresponds to I then. This follows from formulas 5 and 6, in which at the indicated ratios for T, T0 and Tj (or R, R0 and RJ) the equality I P0p 1Cp will be fulfilled regardless of the contrast value. The values of T., T (or R0 and RJ) and I.pop are the characteristics of this threshold material, and re-measuring them at each act of determining the contrast of the interference field is not required. Thus, in order to measure the contrast of the interference field, it is necessary to register the interference pattern on a material that has a discontinuous change in the transmittance or reflection, measure the area averaged over

Пример. В качестве порогово- го материала используют полупрозрачнос алюминированное зеркало с исходными коэффициентами пропускани Т0 50% и отражени RO 45%. Оптическа схема показана на фиг.5. Источником света дл создани ннтерференционно-голографических структур вл етс импульсный СО -лазер 1, излучение которого на длине волны 10,6 мкм с помощью германиевой пластины 2 делитс на два пучка. Плоскнм зеркалом 3 и вогнутыми зеркалами 4 и 5 модова структура пучков совмещаетс в плоскости регистрации голограммы. Дл определени контраста интерференционно-голографическойExample. As a threshold material, a semi-transparent aluminized mirror with initial transmittances T0 of 50% and an RO reflection of 45% is used. The optical circuit is shown in FIG. The light source for creating non-interference holographic structures is a pulsed CO laser 1, whose radiation at a wavelength of 10.6 µm using a germanium plate 2 is divided into two beams. The flat mirror 3 and the concave mirrors 4 and 5 of the modal structure of the beams are combined in the recording plane of the hologram. To determine the contrast of the interference-holographic

структуры в ту же плоскость помещают светочувствительный материал 6 - полупрозрачное алюминированное зеркало , на поверхности которого регистрируют интерференционно-голографи716structures in the same plane are placed photosensitive material 6 - a translucent aluminized mirror, on the surface of which an interference holography is recorded716

ческую структуру. Ее частота 12 лин/мм.cheskuyu structure. Its frequency is 12 lin / mm.

Дл пределенин порогового значени плотности энергии 1пор материал подвергают последовательно интерференционной засветке восемью лазерными импульсами с плотностью энергии 1С« , в диапазоне 0,1-0,8 Дж/ /см . Измерение I ср осуществл етс с помощью измерител энергии и мощности лазерного излучени ИМО-2Н. Из совокупности зарегистрированных интерференционных картин выдел ют ту, у которой ширина светлых и тем- ных полос одинакова . Плотность энергии , при которой зарегистрирована эта картина, и вл етс пороговой и в этом случае составл ет 0,2 Дж/см При данном значении I Ср I ло « 0,2 Дж/см происходит скачкообразное изменение коэффициента пропускани от Т0 - 50% до Т { - 95% и коэффициента отражени от Re ™ 45% и R - 4%.For a limine threshold density energy of 1 pore, the material is subjected to successive interference irradiation by eight laser pulses with an energy density of 1 ° C, in the range of 0.1-0.8 J / / cm. Measurement of I cp is performed using an IMO-2H laser energy and power meter. From the set of registered interference patterns, the one with the width of the light and dark bands is the same is distinguished. The energy density at which this picture is recorded is the threshold, and in this case it is 0.2 J / cm. With this value of I Cp I lo "0,2 J / cm, there is a sudden change in the transmittance from T0 - 50% to T {- 95% and a reflection coefficient of Re ™ 45% and R - 4%.

. В качестве примера на фиг.6 и 7 представлены фотографии микроструктуры интерференционной картины, зарегистрированной на данном материале при значени х плотности энергии 1ср I пор ™ 0,2 Дж/см (см. фиг.6) и 1Ср - 0,36 Дж/см2 (см.фиг.7).. As an example, Figures 6 and 7 present photographs of the microstructure of the interference pattern recorded on this material with energy density values of 1cr I por ™ 0.2 J / cm (see Fig.6) and 1Cp - 0.36 J / cm2 (see Fig.7).

После регистрации одна из интерференционных картин -освещаетс пучком Не-Не-лазера 7. Например, вы- бирают картину, зарегистрированную при Ice a 0,36 Дж/см . С помощью линзы 8 все дифрагированные на интерференционной картине пучки направл ютс на фотодиод К-19 9, фото- ток которого измер етс гальванометром 10. Определ етс усредненный по площади коэффициент пропускани Т, дл чего измер етс интенсивность падающего и прошедшего через интер- ференционную картину лазерного пучка . Дл определени усредненного по площади коэффициента отражени Р интерференционна картина освещаетс пучком Не-Не-лазера со стороны от- ражающего сло и измер етс интенсивность падающего и отраженного излучений . After registration, one of the interference patterns is illuminated by a beam of an He-Not-laser 7. For example, a picture is taken that was recorded with Ice a 0.36 J / cm. Using a lens 8, all beams diffracted in the interference pattern are directed to a photodiode K-19 9, whose photocurrent is measured by a galvanometer 10. The area-averaged coefficient T is determined, for which the intensity of the incident and transmitted through the interference pattern is measured. laser beam. To determine the area-averaged reflection coefficient P, the interference pattern is illuminated by a beam of an He-He-laser from the reflecting layer side and the intensity of the incident and reflected radiation is measured.

Дл интерферограммы, показанной на фиг.7, коэффициент пропускани Т 83%, а коэффициент отражени R For the interferogram shown in Fig. 7, the transmittance T is 83% and the reflectance R

15Z. Подставив значени Т - 83%, Ј Т0 - 50%, Т - 957, и Inop-° 2 в формулу 7, получают дл контраста15Z. Substituting the values of T - 83%, Ј T0 - 50%, T - 957, and Inop-° 2 in formula 7, are obtained for contrast

8eight

величину Р 0,7. Подставив значени R 15%, R0 - 50%, R, 4% Inep 0,2 Дп/смг в формулу 8, получают дл контраста ту же величину Р - 0,7.P value 0.7. Substituting the values of R 15%, R0 - 50%, R, 4% Inep 0.2 Dp / cmg in formula 8, we obtain for contrast the same value of P - 0.7.

Таким образом, с помощью предлагаемого способа определен контраст интерференционного пол в ИК-области спектра, при этом существенно упрощена как процедура измерени контраста, так и примен ема аппаратура.Thus, using the proposed method, the contrast of the interference field in the infrared region of the spectrum is determined, and the procedure for measuring the contrast and the equipment used are substantially simplified.

Claims

The proposed method can be used to determine the degree of coherence of laser radiation in coherent optics and holography. Invention Formula

The method of determining the contrast of the interference field, which consists in registering the interference field on a photosensitive material, measuring the radiation energy density, characterized in that, in order to simplify and expand the spectral range of application of the method, a material having a discontinuous change in transmission or reflection is used as a photosensitive material radiation, measure the area-averaged energy density of 1m of the interference field under study, illuminate the reg the interference pattern is determined and the value of the transmittance T or the reflection R averaged over the area is determined, and the desired contrast is found from the dependences

ifilL - t p „lie.

costf) AO

"

or

where i

lore

RO

radiation energy density, at which a jump-like change of the transmittance from Tb to Tj or the reflectance from RO to R occurs (; transmittance before the material is irradiated by a uniform field with an energy density greater than I, 0pj

- transmittance after irradiation;

- the reflection coefficient before the material is irradiated by a uniform field at

3flop

energy density greater than 1por;

reflection coefficient after irradiation.

2

FIG L

5

About df 02 0.3 About 0.5 0.6 (mp) FIG. 6

9 Yu

but

.7