Вовченко Лазерні методи діагностики 2008 - Стор 11

теля. Напруга на виході такого підсилювача пропорційна різниці вхідної напруги, тому корисний сигнал виявляється вдвічі більшим, ніж у одиночного фотоприймача. У той же час однакова для обох детекторів зміна інтенсивності, викликана випромінюванням плазми, флуктуаціями потужності лазера, ослабленням лазерного випромінювання або зміною ширини інтерференційної смуги відхилення світлових променів, а також можливі електромагнітні перешкоди віднімаються. В цьому випадку при роботі на лінійній ділянці апаратної функції, що має постійну диференціальну чутливість dI / d δ, в околиці максимальної крутості, вимірюваний електричний сигнал практично пропорційний фазовому зсуву δ. Застосування подібної схеми та системи активної стабілізації вібрацій дозволяє забезпечити чутливість на рівні інтерференційної смуги. Для використовуваної в цій роботі лазера (λ = 0,63 мкм) мінімально реєстрована електронна щільність в експериментах з вимірювання ступеня іонізації в імпульсному аргоновому струмені склала

5.5. Інтерферометрія із квадратурною фотореєстрацією

У разі, коли плазма вносить в електромагнітну хвилю фазовий зсув, що істотно перевищує довжину хвилі, для відновлення динаміки електронної щільності в часі зазвичай достатньо проводити вимірювання в режимі рахунку мінімумів і максимумів інтерференційних смуг. При цьому, як було показано вище, неоднозначність визначення знака зміни фази може бути усунена введенням додаткової фазової модуляції з частотою, яка перевищує максимальну частоту зміни інтенсивності при переміщенні інтерференційних смуг через діафрагму детектора. При малих фазових зсувах і прове-

денії вимірів на околиці початковоїфази δ 0 = π /2 зміна фотоструму детектора однозначно відтворює зміну показника заломлення плазми. Однак часто в плазмовому експерименті доводиться стикатися з ситуацією, коли фаза електромагнітної хвилі при поширенні в плазмі змінюється в широкому діапазоні від часток періоду до одиниць або більше інтерфе-

ренційних смуг. У цих умовах нелінійної диференціальної чутливості інтерференційних вимірів, особливо за немонотонному зміні щільності плазми у часі і за умови, що значна частка фазових зрушень посідає область з близькою до нуля диференціальної чутливістю, відновлення цього закону зміни фази становить серйозну проблему. Крім того, інтерференційний сигнал, що реєструється, лінійно залежить від твору амплітуд зондувального і опорного пучків, тому варіації цього твору в часі можуть бути помилково прийняті за зміни фазового зсуву.

Усунути труднощі дозволяє квадратурна методика фотоелектричної реєстрації, що має однорідну диференціальну чутливість у всьому діапазоні змін. Вперше в оптичній діагностиці плазми квадратурну схему було застосовано в середині років ХХ століття Бухенауером і Джекобсоном. Водночас у НВЧ діагностиці ця методика стала застосовуватися значно раніше і відома під назвою «інтерферометр з полярною індикацією». У практиці прецизійних вимірювань переміщень прилади на основі квадратурної методики отримали назву інтерферометри з реверсивним рахунком смуг.

p align="justify"> Основна ідея квадратурних інтерферометрів зводиться до використання двох інтерференційних сигналів, зрушених один щодо одного на чверть періоду. На виході такого інтер-

ферометра формуються два сигнали виду:

U 1 ( t ) = U 0 ( t ) sin ( δ ( t )) ,

U 2 ( t ) = U 0 ( t ) cos ( δ ( t )) ,

де U 0 (t) - Містить мультиплікативну перешкоду, пов'язану з флуктуаціями інтерферуючих полів. Перетворення цих сигналів, подібне до перетворення декартової системи координат на полярну, дозволяє відновити закон зміни оптичної довжини

δ (t) = arctg (U 1 (t) / U 2 (t)).

Зауважимо, що операція поділу сигналів один на одного дозволяє усунути вплив повільно мінливої порівняно з функціо-

ціями sin( δ ( t )) і cos ( δ ( t )) мультиплікативної перешкоди U 0 ( t ) в інтерференційному сигналі.

Квадратурний інтерферометр дозволяє однозначно реєструвати практично будь-які набіги фази з високою однорідною диференціальною чутливістю. Крім того, він не тільки усуває помилки, пов'язані зі зміною інтенсивності зондувального випромінювання I 0 внаслідок поглинання в плазмі або зміни ефективного коефіцієнта відображення дзеркал у процесі проведення вимірювань, наприклад, модифікації поверхні, що відбиває, але і дає можливість контролю цих процесів

U 1 2 (t) + U 2 2 (t).

На сьогоднішній день найбільш ефективна реалізація алгоритму обробки квадратурних сигналів можлива з використанням цифрових систем збору даних з подальшою комп'ютерною обробкою. Зазначимо, що перетворення (5.23) дозволяє однозначно виміряти зсув фаз тільки в області головних значень функції arctg, в межах одного фазового циклу δ ≤π радий, тому якщо в процесі вимірювань зміна n l відбувається на величину, що перевищує λ /2, то відбувається стрибок поточного значення аrctg(U 1 / U 2 ) на 2 π радий із втратою попередньої інформації про фазу (рис. 5.19).

Мал. 5.19. Квадратурні інтерференційні сигнали (б,в) та результат відновлення «розгортання» фази (г) при параболічній зміні показника заломлення середовища (в)

Типовий алгоритм «розгортання фази», тобто. перетворення значень наведеної фази на інтервалах π] в безперервно змінюються значення фази, полягає у виявленні стрибків значень фази між двома сусідніми точками, що перевищують величину π рад. Додаванням або відніманням стрибків фази 2 π радий можна відновити безперервність фазової функції.

Квадратурні сигнали можуть бути сформовані різними способами, наприклад, з використанням двох фотоприймачів, розміщених у різних ділянках інтерференційної смуги, відстань між якими дорівнює чверті її ширини. Це досягається переміщенням діафрагмованих детекторів упоперек напрямку інтерференційної смуги.

Поточне значення різниці фаз сигналів з фотодетекторів при юстуванні можна контролювати на двокоординатному осцилографі, в режимі розгорнення (х) (рис. 5.20).

Якщо при попередньому налаштуванні забезпечити модуляцію довжини одного з плечей інтерферометра порядку довжини хвилі, то на екрані осцилографа буде спостерігатися еліпс. При рівності амплітуд сигналів із детекторів квадратурному режиму відповідає коло. Однак цей спосіб формування квадратурних каналів має низку недоліків. використовується тільки мала частина інтенсивності, вирізаної діафрагмами з сумарного світлового потоку, в результаті чого знижується відношення сигнал/шум фотоелектричної реєстрації.

В інтерферометрі налаштованому в режим нескінченно широкої смуги квадратурні сигнали можна сформувати за допомогою чвертьхвильової пластинки,встановленої під 45° до площини поляризації зондувального випромінювання та взаємно ортогональних поляризаторів (рис. 5.20). Чвертьхвильова платівка в цьому випадку трансформує поляризацію випромінювання на виході з інтерферометра з лінійної в кругову, яка може бути представлена як суперпозиція двох лінійно і ортогонально поляризованих компонентів, зрушених фазою на π /2. Просторове роз-