Интерференционный монохроматор

Изобретение может найти применение в системах экспресс-анализа химических веществ и различных промышленных жидкостей и газов, при исследованиях содержания вредных веществ в окружающей среде. Интерференционный монохроматор содержит мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками интерференции на одной длине волны. Один из входящих в его состав интерферометр является эталоном Фабри-Перо. Величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции. Технический результат - обеспечение перестройки монохроматора в широкой спектральной области с одновременным обеспечением высокой разрешающей способности и возможности переключать пропускание интерферометра по фиксированным значениям длин волн спектра пропускания путем регулирования расстояния между зеркалами резонатора Фабри-Перо. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например, использовании резонаторов Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

В качестве аналога можно рассматривать известный тип диспергирующих элементов спектральных оптических приборов - сканирующий интерферометр Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989]. Основной частью аналога являются два частично отражающих зеркала, параллельных друг другу. Зеркала могут быть нанесены на смежные поверхности двух параллельных стеклянных пластин, расстояние между которыми можно изменять специальным механизмом. Недостатки аналога: невозможность одновременно иметь высокую разрешающую способность и широкую свободную область дисперсии (без наложения соседних порядков интерференции).

Прототипом изобретения является мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками интерференции отдельных интерферометров [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989], который состоит из двух интерферометров Фабри-Перо, расположенных друг за другом по ходу излучения. Монохроматоры этого типа могут иметь расширенную область свободной дисперсии при высокой разрешающей способности, но не являются перестраиваемыми в этой области.

Задача изобретения - обеспечение перестройки монохроматора в широкой спектральной области с одновременным обеспечением высокой разрешающей способности и возможности переключать пропускание интерферометра по фиксированным значениям длин волн спектра пропускания путем регулирования расстояния между зеркалами резонатора Фабри-Перо.

Решение задачи достигается тем, что в интерференционном монохроматоре, содержащем мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками интерференции на одной длине волны, в соответствии с изобретением, входящий в его состав интерферометр более высокого порядка является эталоном Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции.

Новым в предложенном устройстве управляемого монохроматора является то, что входящий в его состав интерферометр более является эталоном Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции.

Предложение применить в составе мультиплексного интерферометра в качестве интерферометра эталон Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции, позволяет переключать спектральную полосу пропускания мультиплексного интерферометра с одной фиксированной полосы спектра пропускания эталона Фабри-Перо на другую с сохранением малой величины полосы пропускания, характерной для эталона Фабри-Перо, то есть с обеспечением высокой разрешающей способности.

Упрощенная схема такого монохроматора показана на фиг.1. Интерферометр первого порядка образован зеркалами 1 и 2 и воздушным зазором 3 между ними, зеркала в виде тонких металлических слоев нанесены на поверхности прозрачных пластин 4 и 5. Интерферометр высокого порядка образован зеркалами 6 и 7 и прозрачной пластиной 8 между ними. Воздушный зазор 3 величиной 0,2÷0,4 мкм поддерживается втулкой 9, закрепленной своим фланцем на цилиндре 10, выполненном из магнитострикционного или пьезоэлектрического материала, деформирующегося при погружении в магнитное или электрическое поле; при этом цилиндр может укорачиваться или удлиняться, что изменяет величину зазора 3 и перестраивает интерферометр первого порядка интерференции. Для возбуждения электрического поля в пьезоэлектрическом цилиндре на нем, например, на его торцевых поверхностях, формируют металлические обкладки, подсоединяемые к источнику электрического напряжения. В случае использования магнитострикционного цилиндра его погружают в проволочную катушку с током.

Рассмотрим оптические характеристики устройства. В мультиплекс-интерферометре при отношении оптических толщин интерферометров, кратном целому числу, область дисперсии определяется областью дисперсии тонкого интерферометра, а разрешение - толстым интерферометром.

Прозрачность мультиплекс-интерферометра определяется формулой [Скоков И. В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989]:

где (без учета скачков фаз на отражающих поверхностях); Т и R

- энергетические прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала. Порядок спектра определяется выражением:

где Ln - оптическая ширина расстояния между зеркалами; λср - средняя длина волны области дисперсии интерферометра.

Область дисперсии примерно равна области дисперсии тонкого интерферометра [2]:

где q1 - порядок спектра тонкого светофильтра.

Разрешаемая разность длин волн в мультиплекс-интерферометре определяется выражением [Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994]:

Проведем количественную оценку достижимых параметров рассматриваемого устройства, в котором интерферометр с меньшим зазором имеет порядок q1=1; регулируемый диапазон спектра Δλ=0,4÷0,8 мкм; в соответствии с (2) получим величину зазора L1 в крайних точках диапазона перестройки: L1=0,2÷0,4 мкм.

Аппаратная функция мультиплекс-интерферометра равна произведению аппаратных функций составных частей, пропускается излучение с длинами волн, одновременно присутствующими в полосах пропускания обеих составляющих его интерферометров.

При перестройке (путем изменения зазора между зеркалами) интерферометра с первым или другим порядком интерференции его полоса пропускания смещается по спектру, происходит выделение одной полосы дисперсии второго интерферометра, затем другой, то есть «переключение» пропускаемых интерферометром с большим порядком интерференции диапазонов Δλ2. Оптимальное сочетание спектральных характеристик интерферометра получим, приравняв ширину полосы пропускания интерферометра с меньшим зазором δλ1 к полосе дисперсии Δλ2 второго:

Число М «переключаемых» полос дисперсии равно:

Найдем полосу дисперсии второго интерферометра:

Соответствующее этой полосе расстояние L2 между зеркалами второго интерферометра найдем по выражению:

Здесь n - показатель преломления среды. Результаты расчетов приведены в таблице.

R q1 q2 ΔλM, мкм Δd1,мкм δλ1, мкм δλM, мкм Δλ2, мкм М L2, мкм
0,85 1 20 0,4 0,2 0,015 7,5-10-4 0,015 27 9
0,8 1 15 0,4 0,2 0,02 1,3·10-3 0,02 20 1,5

Результаты подтверждают, что мультиплекс-светофильтр может перестраиваться в диапазоне длин волн 0,4÷0,8 мкм, расчетная разрешаемая разность длин волн δλ≈7,5÷13 Å.

Таким образом, показано, что мультиплекс-интерферометр может работать, перекрывая весь видимый диапазон спектра с разрешением порядка 10-9 м.

При изготовлении устройства применяются обычные для оптических производств материалы: стекло для пластин, алюминий для металлизации, оптические клеи.

Таким образом, подтверждается возможность решения поставленной задачи: обеспечение перестройки монохроматора в широкой спектральной области с одновременным обеспечением высокой разрешающей способности.

Подобный интерферометр, по нашему мнению, может найти применение в системах экспресс-анализа химических веществ и различных промышленных жидкостей и газов, при исследованиях содержания вредных веществ в окружающей среде. Устройство может иметь модификации, работающие в ИК-диапазонах спектра.

Изобретение может быть применено в оптотехнике, например, в монохроматорах оптического излучения, в спектрометрах, и др. Преимуществом устройства перед известными является его компактность - он может быть выполнен в габаритах чипа микросистемы.

Интерференционный монохроматор, содержащий мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками интерференции на одинаковых длинах волн, отличающийся тем, что входящий в его состав интерферометр является эталоном Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например, резонаторов Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при построении приборов для спектральной фильтрации оптических изображений, например, перестраиваемых по длине волны оптических фильтров, тепловизоров, работающих в заданных узких спектральных диапазонах.

Изобретение относится к области астрофизических измерений и может быть использовано для мониторинга одного из важнейших параметров солнечного изображения, а именно функции потемнения к лимбу.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для изучения микронеоднородностей в прозрачных средах. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерференционным приборам, предназначенным для сканирования спектра при спектральном анализе оптического излучения с высокой точностью и хорошей разрешающей способностью, его можно использовать в качестве сканирующего и перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо, а также для селекции продольных мод излучения лазеров.

Изобретение относится к технике измерения оптическими методами корреляционных функций когерентности турбулентных сред, находящихся между источником света и интерферометром.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам и способам определения местоположения хирургического инструмента в теле пациента. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерферометрам, и может быть использовано для контроля оптического качества афокальных систем, в том числе крупногабаритных, а именно для контроля плоских зеркал, светоделителей, плоскопараллельных пластин, клиньев, а также телескопических систем с увеличением, близким к единичному.

Изобретение относится к радиотехническим устройствам СВЧ-диапазона. .

Изобретение относится к средствам, предназначенным для прецизионных измерений линейных и угловых перемещений объекта, в частности к оптическим средствам данного назначения, в которых используются методы интерферометрии.

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

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к профилометрии, топографии. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к профилометрии, топографии. .

Изобретение относится к оптическим методам контроля слоев наноразмерной толщины в инфракрасном (ИК) излучении и может быть использовано как в физико-химических исследованиях динамики роста переходного слоя на проводящей поверхности, так и в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек.

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например, использовании резонаторов Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света

Наверх