Оптический фильтр фабри-перо

 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению . Цель изобретения - повышение спектрального разрешения и стабильности частоты пропускания. Для этого в устройстве реализовано сравнение частоты пропускания вспомогательного

„.SU„,1542202

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИЯ

РЕСПУБЛИН (51)5 С 01 3 3/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 23,04. 92. Бюл. Р 15 (21) 4423415/25 (22) 11.05.88 (71) Горьковский на .чно-исследовательский радиофизический институт (72) И,E.Kîæåâàòîâ и И.П.Черагин (53) 535.853(088.8) (56) Известия ВУЗов. Радиофизика, 1977, т. ХХ, Р 9, с. 1324. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ФАБРИ-ПЕРО (57) Изобретение относится к опти ческому спектральному приборостроению. Цель изобретения — пдвышение спектрального разренения и стабильности частоты пропускания. Для этого в устройстве реализовано сравнение частоты пропускания вспомогательного

15422О2

3 интерферометра 5 с частотой источника

29 эталонного излучения, При этом стабильность оптической длины промежутков межцу зеркалами основного интерферометра 10 достигается за счет обеспечения стабильности фаз интерферограмм излучения источника белого света. Для этого в оптический фильтр Фабри-Перо введены источНик 29 эталонного излучения„ дна рагма 4, делитель 6 спектра, предмонохроматор 15 и дополнительный пьеЭоэлектрический элемент 9. Г(ьевоэлектрический элемент 9 обеспечи-. вает перемещение подвижного зеркала 8 вдоль оптической оси по пилооб-. разному закону с амплитудой Дз/2, где 3з — длина волны излучения источника 29 эталонного излучения.

При этом подвижное зеркало 8 обеспечивает перестройку по частоте пропускания интерферометра 5 и, следовательно, перестройку частоты прошедшего через интерферометр 5 излучения от источника 1, Тем самым обеспечивается постоянство оптической длины промежутка вспомогательного интерферометра 5 с точностью,. определяемой стабильностью частоты эталонного источника 29. 3 ил.

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению

g может быть использовано в экспери ментальной астрофизике, метеорологии, нри спектральном анализе излучения 25 лабораторных источников.

Цель изобретения - повышение спектрального разрешения и стабильности частоты пропускания.

Па фиг. 1 приведена структурная . 3О схема разработанного оптического фильтра Сабри Перо; на фиг. 2 — вариант структурной схемы светорасщепителя; на фиг. 3 - вариант структурной схемы делителя спектра.

Ста билиз ированный onòè÷å ский

Аильтр фабри-Перо (фи „1) содержи г

J оследовательно установленные на оптической оси источник tl белого света, блок 2 сложения, конденсор 3, диа- 4О фрагму 4, вспомогательный интерферометр 5 Фабри-IIepo и делитель 6 спектРа. Ъ(терферометр 5 включает установленпые параллельно. дрУг другу и »Р иендикулярно оптической осН неподвиж д5 пое зеркало 7 и цодвчжное зеркало 8, на котором укреплен пьезоэлектрический элемент 9. Основной интерферометр 10 @абри-Перо включает установленные параллельно неподвижное зеркало

11 и подвижное зеркало 12, по периметру которого укреплены три.идентич пых пьезоэлектрических элемента 1l3 (на фиг. 1 показан один пьезоэлектрический элемент 13).. Перед интерферометром 10 установлен светорасщепитель 14, оптически связанный с пред монохроматором 15, и делитель 6 спектра. C подвижным зеркалом 12 onтически связаны три фотодетектора 16, каждый из которых установлен напротив соответствующего пьезоэлектрического элемента 13. Выход каждого фотодетектора 16 через последовательно соединенные селективный усилитель 17, фазовый детектор 18 и операционный усилитель 19 подключен к входу соответствующего пьезоэлектрического элемента 13. К неинвертирующему входу каждого операционного усилителя 19 подключен соответствующий управляемый источник 20 опорного напряжения (на фиг. 1 показана одна цепь, со" держащая фотодетектор 16, селектнвный усилитель l7., фазовый детектор

18 и операционный усилитель 19, а также один управляемый источнн с 20 опорного напряжения). На выходе делителя 6 спектра установлен фотодетектор 21, выход которого через последовательно соединенные селективный усилитель 22, фазовый детектор 23, операционный усилитель. 24 и сумматор 25 подключен к входу пьезоэлектрического элемента 9. К неинвертирующему входу операционного усилителя 24 подключен управляемый источник 26 опорного напряжения, а выход селективного усилителя 22 соединен также с опорными входами всех фазовых детек„торов 18. Ьлок 27 синхронизации соединен с опорным входом фазового де тектора 23 и входом модулятора 28, а выход последнего подключен к второму входу сумматора 25. Источник 29 эталонного излучения оптически сопряжен через блок 2 сложения с источником 1 белого света.

5 15 !

Источник 1 белого света установлен в фокусе конденсора 3 и предназначен для формирования вспомогательHblx интерферограмм иитерферометра 10.

Источник 1 характеризуется постоянной интенсивностью в пределах дисперсии интерферометра 10. В качестве источника 1 может быть использована, например, лампа накаливания.

Ьлок 2 сложения предназначен для оптического сопряжения источников 1 и 29. В качестве блока 2 может быть использовано, например, полупрозрачное зеркало.

В Качестве конденсора 3 может быть использована, например, собирательная линза.

Диафрагма 4 предназначена для совмещения фронтов излучения источников

1 и 29. Диафрагма 4 может быть выполнена, например, в виде непрозрачного экрана с круглым отверстием,,диаметр которого не превышает диаметра волнового фронта излучения источников 1 и 29.

Пьезоэлектрические элементы 9 и 13 могут быть выполнены, например, в виде стандартных пьезоэлектрических . элементов типа ЛУ-5.

Светорасщепитель 14 предназначен для преобразования пучка лучей от источника 1 белого светя в три параллельных пучка. Светорасщегитель 14 (фиг. 2) содер ит оптически связанные собирательную короткофокусную линзу 30, длиннофокусную собирательную линзу 31, экран 32 с 1ремя круглыми отверстиями и три идентичных поворотных зеркала 33, установленные каждое напротив соответствующего отверстия экрана 32 под углом i/4 к оп. тической оси светорасщепителя 14.

Делитель 6 спектра предназначен для пространственного разделения пучков излучения источников 1 и 9. Делитель 6 (фиг. 3) содержит оптически связанные полупрозрачные зеркало

34, оптический фильтр 35, не пропускающий излучение источника 1, и оптический фильтр 36, не пропускающий излучение источника 29.

Предмонохроматор 15 предназначен для выделения одного порядка интерференционной картины источника 1 белого сва . а. В качестве предмонохро.матора 15 может быть использован, например, интерференционный оптичес42202 6 кий фильтр, Фирина полосы которого определяется условием

Л2

ДЛ

2д

5 где d — длина промежутка между зеркалами 7 и 8 интерферометра 5)

Р., - длина волны пропускания предмонохроматора 15, значение которой Определяется чувствительностью фотодетектора 1б.

В качестве фотодетекторов 16 могут быть использованы, например, фотодетекторы типа ФД-25. Число фотодетекторов

16 выбраНо из условия однозначной установки положения зеркал интер20 ферометра 10.

Селективные усилители 17 и 22

\ предназначены для выделения из электрических сигналов соответствующих фотодетекторов 16 и 21 составляющей

25 на частоте первой гармоники модулятора 28.

Фазовые детекторы 18 предназначены для получения сигналов..., >рциональных смещению фазы интерферограм30 мы интерферометра 10 относительно . фазы интерферограммы интерферомет- " ра 5.

Фазовый детектор 23 предназначен для получения сигнала, пропорциональ ного смещению фазы интерферограммы

35 интерферометра 5 относительно фазы сигнала блока 27 синхронизации.

В качестве фазовых детекторов 18 и 23 могут быть использованы, например, фазометры типа Ф2-13.

Операцибнные усилители 19 и 24 предназначены для формирования сигналов коррекции положения зеркал 11,12

45 и 7,8 соответственно интерферометра 10 и интерферометра 5. Коэффициенты усиления усилителей l9 и 24 определяются заданной нестабильностью разработанного оптического фильтра

50 и составляют приблизительно 10

Управляемые источники 20 и 26 опорных напряжений предназначены для формирования напряжений предварительной настройки соответственно интер- фербметров 10 и 5. Источники 20 и 26 могут включить последовательно соединенные источник постоянного напряжения (например, типа Б5-30) и реостат.

1542202

Длина d промежутка между зеркала ми 7 и 8 интерферометра 5. Определяется заданным -спектральным разрешением оптического фильтра

Л«

d- =— 2-—2РЛ }Я где Я - центральная длина волны исследуемого источника излучения;

ХЛ вЂ” заданное спектральное разрешение;

N — число эффективно интерферирующих лучей (зависит от качества используемых зеркал).

Блок 27 синхронизации предназначен для формирования сигнала синхрониза ции модулятора 28, используемого в качестве опорного для фазового детектора 23. В качестве блока 27 синхро изации может быть использован, например, генератор типа ГЗ-112/1.

Модулятор 28 предназначен для формирования ннлообразного напряжения с периодом, равным периоду первой гармоники сигнала блока 27 синхронизации, и амплитудой Л /2, где

Э центральная длина волны излучения. источника 29.

В качестве источника 29 эталонного излучения может быть использован, например, стабилизированный па частоте лазер типа }}ГН-307 с нестабильностью частоты / } / д =-10 « -10

Оптический фильтр Фабри-Перо работает следующю. Образом.

Блок 2 обес:ечивае; сложение рас ходящихся пучков излучения источников i и 29. Кондепсор 3 формирует из расходящегося пучка излучения параллельный пучок. Диафрагма 4 осуществляет ограничение этого пучка так, чтс в каждой точке рабочего сечения вспомогательного интерферометра 5 присутствует В Одинаковой щ>ОПОрции излучение источников 1 и 29, Иптерферометр. 5, формирует интерферограммы одновременно двух источников излучения: источника 1 белого света и источника 29 эталонного излучения. ПОдвижное зеркало 8, пьезоэлектрический элемент 9, модулятор 28 и блок 27 синхронизации обеспечивают считывание одного периода интерферограммы излучения источника -29. Для этого пьезоэлектрический элемент 9 обеспечивает перемещение подвижного зеркала 8 вдоль оптической оси по пилообразному закону с амплитудой Л>/2, где ЛЭ вЂ” длина волны излучения ИстоЧника 29. Модулятор 28„ синхронизи руемый блоком 27, формирует пилооб„1 разное напряжение, управляющее пьезоэлектрическим элементом 9. Одновременно подвижное зеркало 8 обеспечивает перестройку по частоте пропускания интерферометра 5 и, следовательно, перестройку частоты прошедшего через интерферометр 5 излучения от источника 1. Целитель б спектра обеспечивает разделение пучков излучения источников 1 и 29, прошедших через йнтерферометр 5. Излучение ис.) . точника 29 направляется на фотодетектор 21, а излучение источника 1 направляется через предмонохроматор 15, светорасщепитель 14 и основной интерферометр 10 на фотодетекторы 1б. Фотодетекторы 21 и 1б осуществляют преобразование световых сигналов в электрические. Селективный усилитель 22 и фазовый детектор 23

Обеспечивают измерение фазы первой

< гармоники в электри еском сигнале на выходе фотодетектора 21. Период этой гармоники равен периоду считывания ннтерферограммы на выхо3С} де интерферометра 5. Фаза г,2 первой э гармоники электрического сигнала на выходе фотодетектора 21 связана с длиной Л волны источника 29 соотно3 J ii шением

2d

35 =2sЛ э

Усилитель 24 вырабатывает сигнал коррекции взаимного положения зеркал 7 и Я. Устойчивое c .oñòîÿíèå цепи, вклю40 чающей элементы 5,21 — 28 соответству.ет постоянной фазе интерферограммы излучения источника 29, т.е.

2d

ЛЭ

4,=2}7-- const.

Поскольку с

Э,! п9

Э где с - скорость света я вакууме;.1}Э- частота излучения исто 2ннка 29;

n - коэффициент преломления сре,цы 1 го

2d и

iгу =2fi-=---- g const

У

Откуда

-const с} и=

1}Э

Следовательно, в разработанном оптическом фильтре обеспечивается посто".

1542202 1О ря 10. Псскопьку (и(стоянство фазы и и т p p ф e p n Г р я им 11((J I! (р ж и !3 я е т с я r3 т I i (х точках я!Iерту13ы, фязя 3!(сто!!и!!я 1!о

5 всему рабочему сечению основного интерферометря 10, т.е. (Зi =const. (ч3

В результате

2d m

2Ч вЂ „--=const, 2d с(10 так как

const

d-----—

4э.п то

НH cò13О oнтич Рc кой f(пины rfpof (ewvтка вспомогательного интерферометра 5 с точностью опредеп»емсй стабильностью частоты этял(3нногс источника 29.

Сумматор 25 предназначен дпя исключения взаимного влияния модулятора 28 и операционнс го усилителя 24, связанных с пьезоэлектрическим эле.ментом 9, и обеспечивает яддитивное сложение сигналов, поступающих на его входы.

Основной интерферометр 10 ФабриЛеро обеспечивает спектральную фильтрацию анализируемого оптического сигнала, т.р. селективное пропускание излучения со строго определенным набором частот.

Модулированное по частоте излученне источникя I HG выхОде ° оснОвногО интерферометря 10 становится модулирОВаннь1м по и/(тР1(си!!ности. Ilp« этом предмонохроматор 15 обеспечивает прохождение излучен(!н лишь на одной резонансной частоте интерферометря 5.

Светорасщеиитель 14 формирует. три идентичных по спектральному составу пучка лучей, lfpoxñ Jfÿff«õ через основной интерферометр 10. Селс ктивные усилители 17 выдел»ют из электрических сигналов н» !зыходах фотодетекторов 16 первые гярмон«к«электрических сигналов, период которых равен периоду м((ду(!»п!13! «ромежуткя всг!оMora (eJIhHn r(I(II 3 op((le p uM(f 5 . Фязоные дет«кторы 18 (il первых гармоник электрических сигналов на выходах селект«нных усилителей 17 определяются соотн:f;feH«pM

2d

=2 f1— (I3 )( где =2d /m — длина волны моды ноО р»дкя г. основного интep(II((!pol.!етря 10; (lo — длина пр<зм«жутк.! Основно!.о 1!Нтерферометра 10.

Усилители 19 вырабат(»вают сигналы коррекции взаимного псложения зеркал 11 и 12. При помощи блоков 16, 17,18, t3 аналогично тому, как это произнодится в интер(!(ер(эм(тре 5, осуществляется подл(.р(((! III(!!(cто»нствя фазы интерферогр:..(Мь! «"- л ч 3!(!!.! источника 1 .На г!..1:одР .- ."! . ро:!етI5

d< n const э

Однозначность m обеспечивается предмонохромятором 15. В результате в основном интерферометре 10

20 также с точностью, соо1 нетствующей стабильности частоты эталонного источника 29, обеспечивается постоянство оптической длины промежутка (d„и=сопяt).

25 д(1я перестройки частоты пропускяния оптического фильтра Фабри-Неро необходимо при помощи управляемого источника 26 опорного напряжения изменить напряжение на неинвертирующем входе усил(!те3!» 24. В результате на выходе этого усилителя возникает сигнал коррекции дпиш(промежутка между зеркалами 7 и 8 интерферометра 5, что приводит к см"!цен((ю

35 фазы с«гняпя на выходе сепективного уcl I!!i \ I» 22. IlpH этом ня вь(ходах фязо!3!1х детекторов 18 возникают напряжения, соотнетствующие С31вигу фаз сигналов с выходов с(.пектHRHMx

40 усилителей 17 и 22, а ня выходах уси" лителей 19 формируются сигналы коррекции длины промежутка !(еж7(у зеркалами 11 .и 12 (эснонного «."Тс рферэметра 10.

45 Предварительная настрой!(,»1я(3ялпельности зеркал 11 и 12 интерферометра IO ссуществл»ется p! I J JIHðoffêoé уровней опорного напряжения источников 20.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н.и я

Оптический фильтр Фабри-llepo, содержащий расположенные пос.((едонатель" но на одной оптическ(>й (>(3!! источник бЕЛОГО СВЕта, r(OHJIHHCnp, »С»ОМОГательныи интерферометр Фабр«-Перо, включающий двя эеркяпя, ня сдв(м иэ которых зякренлен пьезо:33(Р(тр«ческий элемент, светорясщепитепь н . !Ов11 1542202 )2 ной интерферометр Фабри-Перо, вклю- - дом делителя спектра, первый выход ча щий подвижное зеркало, по пери- которого через предмонохроматор оптиметру которого закреплены три пьеэо- чески связан с первым входом светоэлЕктрических элемента, и неподвиж- - расщепителя, а второй выход делителя ное зеркало, рн этом каждый из трех, спектра оптически связан с входом выходов светорасщепителя оптически четвертого фотодетектора, выход котосвязан с входом соответствующего . рого через четвертый селективный уэифотодетектора, фотодетекторы расцо-4 литель подключен к опорным входам ложены по ходу луча за основным ин- О первого, второго и третьего фазовых терферометром .напротив соответствую детекторов и к сигнальному входу четщиК пьезоэлектрических элементов„ к вертого фазового детектора, выход по аходу каждого фотодетектора подключен следнего соединен с инвертирующим. выкод соответствующего операционного входом четвертого операционного усиусйлителя, отличающийся 1 лителя,- неинвертирующий вход и выход теы, что, с целью повышения снектраль» которого соединены соответственно с ного разрешения и стабильйости часто выходом управляемого источника опор.ты,пропускания, в него дополнительно ного напряжения и с одним из входов введены источник эталонного излуче .сумматора, выход .которого соединен с ния, блок сложения, диафрагма, дели- 20 пьезоэлектрическим элементом вспомогатель спектра, предмонохроматор чет- тельного интерферометра, выход блока ве тый Фотодетектор, блок синхрониза „ синхронизации подключен к опорному ци, модулятор, сумматор и четвертый входу четвертого фазового детектора оп рационный усилитель, сумматор„ уп и к,входу модулятора, а выход последра ляемый источник опорного напряже- 25 него соединен с вторым входом суммания, четыре селективных усилителя, тора, выходы первого, второго и тре-. че ыре фазовых детектора, три источ тьего фотодетекторов через соответстниМа.опорного напряжения, четвертый вующие первый, второй. и третий се операционный усилитель, при этом ис- лективные усилители подключены к сигточник эталонного излучения через Зп нальным входам первого, второго н блок сложения оптически сопряжен с третьего фазовых детекторов, выходы: источником белого света, диафрагма которых. соединены с инвертирующимн установлена между коидейсатором и входами соответствующих первого, вспомогательиым интерферометром,фаб- . второго и,третьего операционных усиФи Иеро, зеркала которого установле- лителей, к неинвертирующим входам ны перпендикулярно оптической оси, . которых подключены соответствующие прф этом одно из них установлено,с управляемые источники опорного на- воэможиостВю перемещения вдоль опти- нряжения, а выходы соединены с соотчеСкой оси, выход вспомогательного ветствующими пьезоэлектрическими терферометра оптически связан с вхо», 4а элементами основного интерферометра. с

1542202

Составитель Г.Воробьева

Техред Л,Сердюкова КорректорО.Ципле

Редактор Л.Курасова

Заказ 2311

Подписное

Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская. наб ., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат ."Патент", r. ужгород, ул. Гагарина, 101