Многолучевой интерферометр

Изобретение относится к устройствам оптических спектральных приборов, в частности к устройствам интерферометров. Многолучевой интерферометр содержит два зеркальных полупрозрачных покрытия. При этом зона формирования интерференционной картины образована преломляющей призмой, имеющей полноотражающую грань и являющейся общей подложкой для двух зеркальных полупрозрачных покрытий. Призма обладает двумя одинаковыми преломляющими углами, которые образованы гранью с полным внутренним отражением и гранями с зеркальными полупрозрачными покрытиями. Технический результат заключается в обеспечении возможности механической и оптической стабилизации многолучевого интерферометра. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптике, к устройствам оптических спектральных приборов, в частности к устройствам интерферометров.

В качестве аналога выбрано устройство классического многолучевого интерферометра - двухзеркального интерферометра Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.], в котором два плоских полупрозрачных зеркала расположены параллельно друг другу на некотором расстоянии. Интерферометр с воздушным промежутком между зеркалами часто используют в качестве анализатора спектров поглощения газообразных веществ - их вводят в пространство между зеркалами, что приводит к изменению спектра пропускания интерферометра и позволяет идентифицировать химические соединения.

Недостатком его применения в качестве спектроанализатора является сложность механических устройств, поддерживающих и юстирующих положение зеркал, отсутствие механической стабильности, что затрудняет его использование не в лабораторных условиях, а также необходимость при проведении анализа в значительных количествах анализируемых веществ - необходимо заполнить весь внутренний объем интерферометра.

В качестве прототипа выбран эталон Фабри-Перо, представляющий собой плоскую прозрачную пластинку с зеркальными полупрозрачными покрытиями на противостоящих ее сторонах [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.].

Недостатком прототипа является его невосприимчивость к воздействию внешних факторов при попытках применения в качестве сенсора, например сенсора состава окружающей среды.

Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является создание механически и оптически стабильного многолучевого интерферометра, обладающего чувствительностью к составу окружающей среды. Для решения задачи предлагается ввести в конструкцию многолучевого интерферометра, содержащего два полупрозрачных зеркала, третье зеркало с полным внутренним отражением, причем общей подложкой зеркал является преломляющая призма, с двумя одинаковыми преломляющими углами, образованными гранью с полным внутренним отражением и гранями с зеркальным полупрозрачным покрытием, что приведет к влиянию состава прилегающих к интерферометру слоев среды на ход световых лучей внутри интерферометра, на спектр пропускания интерферометра.

Изобретение поясняется с помощью фигур 1 и 2, на которых изображены варианты конструкций многолучевых интерферометров.

На фигуре 1 схематически показано устройство многолучевого интерферометра в виде прозрачной прямоугольной равнобедренной призмы; основанием призмы является прямоугольный равнобедренный треугольник. Здесь 1 - прямоугольная трехгранная равнобедренная прозрачная призма, 2 - катетные грани, 3 - полупрозрачные зеркала, 4 - гипотенузная грань, 5 - входящие лучи, 6 - прошедшие лучи, a - размер катетной грани призмы.

На фигуре 2 схематически показано устройство многолучевого интерферометра в виде прозрачной равнобедренной четырехгранной призмы с углами между нижней и боковыми гранями, не равными 45°; основанием призмы является трапеция. Здесь 8 - призма, 9, 10, 11, и 12 - верхняя, нижняя, входная боковая и выходная боковая грани призмы, соответственно.

Рассмотрим оптические процессы, происходящие в представленных устройствах. На фиг.1 излучение 5 падает на полупрозрачное зеркало 3 входной грани 2, прошедшая часть излучения (показано стрелками) отражается от гипотенузной грани 4; угол падения излучения на гипотенузную грань должен быть приблизительно π/4, это обусловлено геометрией призмы. Для полного внутреннего отражения излучения от гипотенузной грани необходимо следующее значение показателя преломления n призмы:

Здесь n₀ - показатель преломления среды, окружающей призму.

Отраженное от гипотенузной грани излучение попадает на полупрозрачное зеркало 3 на выходной грани 7, частично отражается назад, повторяя свою траекторию, и так далее; излучение внутри призмы многократно отражается от зеркал и гипотенузной грани. Вышедшее из выходной грани излучение 6 образуется множеством интерферирующих между собой лучей. Максимум интенсивности интерферирующих лучей достигается, когда длина nL оптического пути между зеркалами на катетных гранях равна целому числу полуволн излучения:

Из геометрии призмы следует, что L=a/cosβ, где β - угол преломления луча на входной грани призмы. Учитывая закон преломления n₀sinα=nsinβ, где α - угол падения луча на входную грань из окружающей среды, и считая среду воздухом, получим:

справедливое при малых α. Для длины волны излучения, соответствующей максимуму интерференции, можно найти, используя (2) и (3), формулу:

Из последней формулы видна возможность перестройки интерферометра по длинам волн, как и в прототипе, путем изменения угла падения.

Рассмотрим оптические процессы в устройстве на фиг.2. Ход лучей в этом устройстве повторяет ход лучей в первом устройстве, отличием является то, что угол падения излучения на нижнюю грань призмы, на которой отражение происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения, может быть больше, чем в прямоугольной призме, то есть можно использовать в качестве материала призмы вещество с меньшим показателем преломления.

Рассмотрим процессы в устройстве при адсорбции на грани с полным внутренним отражением молекулярного слоя некоторого вещества внешней среды. Электромагнитная волна оптического излучения, падающая на поверхность грани изнутри призмы, туннелирует в окружающую среду на расстояние порядка длины волны и проходит снаружи призмы вдоль поверхности грани некоторое расстояние прежде, чем вернется в призму; проходя вдоль поверхности, волна взаимодействует с материалом адсорбированного слоя и может ослабляться, ее ослабление является индикатором наличия адсорбированного слоя. Этот эффект используется в известных рефрактометрических призменных и оптоволоконных датчиках, работающих с использованием методов НПВО (нарушенного полного внутреннего отражения). В таких датчиках каждый луч оптического излучения испытывает только однократное отражение от данного локального участка поверхности полного внутреннего отражения, поэтому эффективность взаимодействия излучения с адсорбированным слоем невысока.

При использовании предложенного многолучевого интерференционного устройства каждый луч светового потока отражается от поверхности с полным внутренним отражением многократно. В теории резонаторов Фабри-Перо число отражений от зеркал характеризуется «эффективным числом отражений» N_ЭФФ, равным примерно 30-100. В такое же число раз возрастает чувствительность анализаторов адсорбционного слоя с использованием взамен рефрактометрических датчиков предложенного многолучевого интерферометра.

При реализации способа могут использоваться обычные для оптики материалы и конструкции.

Таким образом, показана реализуемость устройства и достижимость поставленных целей.

Многолучевой интерферометр найдет применение в оптике при создании интерференционных приборов различного назначения - для спектроскопии, при обработке оптической информации, в качестве сенсорных устройств различных датчиков и анализаторов.

Технический результат изобретения состоит в разработке механически стабильного компактного многолучевого интерферометра, спектр пропускания которого определяется составом окружающей интерферометр среды.

Многолучевой интерферометр, содержащий два зеркальных полупрозрачных покрытия, отличающийся тем, что зона формирования интерференционной картины образована преломляющей призмой, имеющей полноотражающую грань и являющейся общей подложкой для двух зеркальных полупрозрачных покрытий, с двумя одинаковыми преломляющими углами, которые образованы гранью с полным внутренним отражением и гранями с зеркальными полупрозрачными покрытиями.