СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ - ИК-ДИАПАЗОНА Российский патент 1994 года по МПК G01J7/00 

Изобретение относится к технике сверхвысокочастотного (СВЧ) и инфракрасного (ИК) диапазонов, а именно к способам измерения длины волны в этих диапазонах, наиболее эффективно оно может быть в диапазоне миллиметровых (мм) и субмиллиметровых (субмм) волн.

Известен способ измерения длины волны при помощи резонансного волномера, в частности открытого резонатора. В соответствии с этим способом резонатор возбуждают излучением, длину которого требуется измерить, и перемещают одно из его зеркал до тех пор, пока не будет достигнут резонанс, а длину волны вычисляют по положению зеркала, при котором был достигнут резонанс.

Недостаток этого способа заключается в низком быстродействии, т.е. большом времени, затрачиваемом на единичное измерение. Причина этого в том, что частотная перестройка резонатора осуществляется путем прецизионных механических перемещений, которые принципиально нельзя выполнить быстро, причем для единичного акта измерения необходимо как минимум два таких перемещения (из исходного положения в резонансное и за него, чтобы убедиться, что "экстремальная" точка уже позади).

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения длины волны (прототип), состоящий в том, что излучением возбуждают двухлучевой интерферометр типа Майкельсона, одно из зеркал которого выполнено подвижным. Затем в интерферометр многократно вносят разность хода, для чего перемещают его подвижное зеркало, и считывают показания индикаторного прибора, причем делают это до тех пор, пока по индикаторному прибору не установят минимум сигнала, после чего отмечают положение подвижного зеркала. Затем в интерферометр вновь многократно вносят разность хода, для чего перемещают подвижное зеркало и одновременно ведут отсчет числа полуволн (обычно двадцати) по индикаторному прибору, после чего вновь устанавливают минимум проходящего через интерферометр сигнала и отмечают положение подвижного зеркала, а затем по двум отмеченным положениям зеркала, характеризующим разность хода интерферометра, и отсчитанному числу полуволн вычисляют длину волны.

Недостатком этого способа, как и предыдущего, является низкое быстродействие. Причина этого та же: перестройка разности хода интерферометра осуществляется путем прецизионного механического перемещения зеркала, т.е. медленно, причем для единичного акта измерения необходимо, как минимум, четыре таких перемещения, так как сигнал надо замерить не менее, чем в пяти точках: в обоих минимумах, между ними, по одну и по другую сторону от обоих минимумов. Реально необходимое количество перемещений зеркала для одного измерения длины волны на несколько порядков больше. Кроме того, для реализации этого способа принципиально необходимо наличие в интерферометре прецизионного узла непрерывного перемещения зеркала, а это один из наиболее сложных, дорогих и уязвимых узлов всего интерферометра, а неточности его изготовления часто оказывают решающее влияние на полную погрешность измерения при помощи данного интерферометра.

Цель изобретения - повышение быстродействия способа путем уменьшения количества прецизионных механических перемещений элементов интерферометра. Вторая цель изобретения, которая может быть достигнута одновременно с первой или независимо от нее, - упрощение реализации способа (путем упрощения конструкции интерферометра).

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся во внесении в двухлучевой интерферометр разности хода и вычислении длины волны по разности хода, в интерферометр вносят заданную оптическую разность хода, измеряют соответствующую ей разность фаз лучей интерферометра частотно-независимым способом, например через амплитудные измерения, а длину волны вычисляют по известной (заданной) разности хода и по измеренной разности фаз. Цель изобретения здесь достигается благодаря тому, что вносимая разность хода не связана жестко с измеряемой длиной волны, а потому может быть внесена лишь однократно или даже один раз на несколько измерений длины волны. Таким образом резко уменьшается количество прецизионных механических перемещений элементов интерферометра, приходящихся на единичный акт измерения (заявляемый способ можно реализовать вообще без прецизионных перемещений), и, следовательно, возрастает производительность измерений. Более того, поскольку вносимая разность хода не связана жестко с измеряемой длиной волны, отпадает принципиальная необходимость иметь в составе интерферометра узел непрерывного точного изменения разности хода, а достаточно лишь ступенчатого изменения. Соответствующий "ступенчатый" узел можно выполнить существенно проще, дешевле, надежнее и точнее.

Поставленная цель достигается, в частности, если внесение разности хода в интерферометр осуществляют путем перемещения одного или более его элементов на заданное расстояние. В том числе, это может быть однократное прецизионное перемещение зеркала в интерферометре Майкельсона.

Поставленная цель достигается также, если внесение разности хода в интерферометр осуществляют путем введения по крайней мере в один из его лучей фазовой пластики заданной оптической толщины. Преимущество этого варианта осуществления заявляемого способа перед предыдущим состоит в том, что он вообще не требует прецизионных перемещений для реализации, поскольку точность размещения фазовой пластинки в тракте может быть значительно ниже, чем для подвижных зеркал, а толщина пластинки, в процессе измерения неизменная и действительно существенная для его результата, может быть выдержана значительно точнее, чем любые перемещения зеркал в процессе измерения. В данном варианте реализации заявляемого способа (в отличие от прототипа) можно использовать простейшие интерферометры с неподвижными зеркалами.

Поставленная цель достигается также, если разность хода вносят с помощью фазовой пластинки, по крайней мере с одной стороны снабженной согласующим электропроводящим покрытием. Преимущество этого варианта реализации способа перед предыдущим состоит в том, что упрощается процедура вычисления длины волны, если в предыдущем варианте учитывать нелинейность фазочастотной характеристики фазовой пластинки из-за интерференции пучков излучения, испытавших разное число отражений от граней пластинки внутри нее. Если эту нелинейность в предыдущем варианте не учитывать, данный вариант реализации способа будет иметь более высокую точность.

Заявляемый способ можно реализовать, например, следующим образом. Излучением, длину волны которого требуется измерить, возбуждают двухлучевой интерферометр типа Майкельсона, аналогичный тому, который использован в способе-прототипе. Пусть первоначально интерферометр отъюстирован так, что его плечи имеют равную длину (разность хода равна нулю). В него вносят заданную разность хода Δ , например 0,5 мм, для чего одно из зеркал сдвигают вдоль плеча на 0,25 мм. Затем частотно-независимым способом измеряют разность фаз ϕ лучей интерферометра.

Возможный вариант выполнения этой процедуры таков. Перекрывают одно из плеч интерферометра и измеряют на выходе интерферометра амплитуду А2 сигнала, прошедшего по другому плечу. Затем открывают первое плечо интерферометра, перекрывают второе и измеряют амплитуду А1 сигнала на выходе, прошедшего по первому плечу. Далее открывают оба плеча и измеряют на выходе результат А3 интерференции сигналов А1 и А2 (тоже амплитуду). После этого вычисляют разность фаз ϕ сигналов А1 и А2. В данном случае ее вычисляют как внешний угол треугольника, стороны которого пропорциональны А1, А2 и А3, прилежащий к вершине, противоположной А3 (для других двухлучевых интерферометров это может быть внутренний угол).

Измерив разность фаз ϕ, равную например 90^о, соответствующую заданной разности хода Δ, вычисляют искомую длину волны излучения λ. В простейшем случае это можно сделать по формуле λ = Δ x360/ϕ, что для данного случая дает λ =0,5х360/90=2 мм.

В данном случае цель изобретения достигается тем, что для измерения длины волны потребовалось всего одно прецизионное перемещение зеркала интерферометра, что требует существенно меньше времени, чем многократные перемещения в способе-прототипе. Более того, при многократных измерениях длины волны (например, при частотной калибровкe перестраиваемых генераторов излучения, в частности ламп обратной волны), можно один раз подвинуть зеркало и 10, 100, 1000 или более раз измерять длину волны при неизменной разности хода, что еще более увеличивает производительность измерений. Упрощение конструкции интерферометра здесь можно достигнуть, заменив в интерферометре зеркало с прецизионным механизмом непрерывного перемещения более простым зеркалом, которое может крепиться к опорной плоскости через прокладку заданной толщины, и небольшим набором (например 2 штуки) прокладок разных толщин.

Существует другой вариант. Излучением, длину волны которого требуется измерить, возбуждают двухлучевой интерферометр типа Маха-Цендера. Пусть первоначальная балансировка интерферометра неизвестна, т.е. он может иметь некоторую начальную разность хода, заранее неизвестную. В него вносят заданную разность хода, для чего в один из лучей интерферометра вводят фазовую пластинку, например пластинку из плавленного кварца толщиной 2 мм. Показатель преломления кварца равен примерно 1,96, т.е. задаваемая фазовой пластинкой разность хода составляет в первом приближении (1,96-1)х2=1,92 мм. Измеряют разность фаз лучей интерферометра с фазовой пластинкой частотно-независимым способом, например так, как это описано ранее. В результате получают фазовый сдвиг, например 120^о. Но это полный фазовый сдвиг, обусловленный как заданной, так и начальной разность хода. Для того, чтобы исключить из игры начальную разность хода интерферометра, из него изымают фазовую пластинку и измеряют разность фаз лучей "пустого" интерферометра частотнонезависимым способом. Получают, например, 30^о. Тогда разностью фаз лучей, соответствующая только заданной разности хода (т.е. фазовой пластинке), составляет 120^о-30^о=90^о. Теперь по этой разности фаз и заданной разности хода вычисляют длину волны излучения: λ = 360х1,92 мм/90=7,68 мм.

В данном варианте реализации увеличение производительности достигается благодаря тому, что вовсе отсутствуют прецизионные перемещения. Внесение и изъятие фазовой пластинки, хотя и являются механическими перемещениями, но могут быть выполнены с относительно невысокой точностью, т.е. быстро, поскольку на результат измерения влияет прежде всего толщина фазовой пластинки, а она не зависит от этих перемещений. Конструкция интерферометра здесь может быть упрощена по сравнению с прототипом за счет выполнения зеркал полностью неподвижными, т.е. без механизмов как непрерывного, так и ступенчатого перемещения.

У приведенного только что примера реализации заявляемого способа есть вариант, отличающийся только способом вычисления длины волны по известным толщине фазовой пластинки, параметрам материала, из которого она изготовлена, и фазовому сдвигу, вносимому пластинкой. Его можно рассматривать и как явную зависимость внесенной в интерферометр разности хода от длины волны, однако этот и подобные ему варианты включаются в предлагаемый способ, так как разность хода остается связанной с длиной волны однозначно, и в этом смысле ее можно считать заданной. Ранее предполагалось, что фазовый сдвиг пластинки пропорционален ее толщине и обратно пропорционален длине волны, а связь его с показателем преломления материала пластинки линейная. Это верно лишь приближенно (для кварца отличие может достигать единиц градусов, что значительно больше достижимых ныне погрешностей измерения фазы). Одна из причин этого - наличие на выходе из фазовой пластинки не только волны, однократно прошедшей сквозь пластинку, но и компонент, прошедших сквозь нее 3, 5, 7 и более раз после соответствующего числа отражений от граней пластинки внутрь нее, и интерференция всех этих компонент (как в резонаторе Фабри-Перо). Этот эффект можно учесть, если для расчета длины волны использовать известное нелинейное (но однозначное) уравнение, связывающее фазовый сдвиг пластинки ϕ, ее толщину d, показатели преломления n и поглощения k материала, из которого изготовлена пластинка, и длину волны λ. Его вид
ϕ = 2Π(n-1)d/λ-arctg +,
+ arctg (1) где
R = ; Ψ = arctg .

При использовании этого уравнения погрешность может уменьшиться на порядок и более. Возможно также использование и других формул для расчета длины волны по фазовому сдвигу, например, учитывающих отклонения от геометрической оптики.

Другой способ устранения упомянутой интерференционной погрешности использование фазовой пластинки с согласующим электропроводящим покрытием. Согласованная грань пластинки не будет более ни на какой длине волны отражать излучение внутрь пластинки, ввиду чего ее фазовый сдвиг будет с большей точностью, чем у несогласованной, пропорционален ее толщине и обратно пропорционален длине волны. В этом случае по сравнению с предыдущим вариантом будет достигнуто повышение точности, если в предыдущем варианте пользовались простейшими линейными вычислениями, или упрощение вычислений, если в предыдущем варианте вычисляли по нелинейной формуле.

Пример варианта реализации способа может быть такой. Двухлучевой интерферометр типа Маха-Цендера возбуждают излучением, длину которого требуется измерить. Пусть первоначальная разность хода интерферометра равна нулю. В одно из его плеч вводят фазовую пластинку из плавленого кварца толщиной 6 мм, которая с одной стороны, например с той, откуда падает излучение, снабжена согласующим электропроводящим покрытием. Покрытие может быть выполнено из любого металла, например из никеля, методом термического распыления в вакууме. Высокочастотный импеданс покрытия для кварцевой пластинки в воздушной среде при угле падения, близком к нормальному, задается выражением Z= 377/(1,96-1)=393 Ом. В другое плечо интерферометра вводят вторую фазовую пластинку, тоже из плавленого кварца, толщиной 6,1 мм, снабженную согласующим покрытием, например из тантала, с тем же импедансом 393 Ом, нанесенным, например, методом ионного распыления на сторону пластинки, противоположную той, на которую падает излучение. Разность хода интерферометра, заданная двумя фазовыми пластинками, составляет Δ =(1,96-1)х(6,1-6)=0,096 мм. Далее измеряют фазовый сдвиг, обусловленный этой разностью хода, например способом, приведенным ранее. Пусть фазовый сдвиг получился 60^о. Тогда длину волны можно вычислить как λ =360х0,096/60=0,576 мм.

Приведенные варианты реализации не исчерпывают предлагаемый способ. Так при реализации данного способа можно использовать не только интерферометры типа Майкельсона или Маха-Цендера, но и любые другие двухлучевые интерферометры: типа Жамена, Мартина-Поплетта, Рэлея и т.д. Эти интерферометры могут быть выполнены не только в квазиоптическом, но и в волноводном, лучеводном и иных вариантах. В плечах интерферометра излучение может распространяться по вакууму, воздуху, другим газам, жидкостям или твердым средам, причем эти среды могут быть одинаковы или различны в двух плечах.

Существует множество вариантов выполнения операции внесения заданной разности хода в интерферометр в рамках заявляемого способа. Прежде всего это перемещение одного или нескольких зеркал интерферометра на заданное расстояние. Перемещаемые зеркала могут находиться в одном или обоих плечах интерферометра, перемещение может быть непрерывным или ступенчатым, ручным или с электрическим приводом. Возможны также перемещения иных элементов интерферометра, приводящие к внесению разности хода: поворот фазовой пластинки, смещение призм клинового компенсатора, изменение толщины компенсатора с жидкостным заполнением и другие.

Можно вносить разность хода путем введения в интерферометр фазовых пластинок, причем пластинки могут быть изготовлены из разнообразных материалов, их можно вводить в интерферометр в количестве одной, двух, трех и более, как в одно, так и в оба плеча интерферометра, как перпендикулярно, так и под заданным углом к оптической оси. Фазовые пластинки могут быть однородны или неоднородны по толщине, в том числе согласованы.

Согласованные фазовые пластинки могут содержать согласующее электропроводящее покрытие как со стороны падения на пластинку излучения, так и с обратной стороны, либо с обеих сторон одновременно, причем в последнем случае покрытия могут быть одинаковы или различны. Согласующие покрытия могут быть маталлическими (золото, серебро, нихром), из неметаллических электропроводящих материалов, многослойными из проводящих и диэлектрических слоев и другими. Они могут быть нанесены на пластинку вакуу мным или ионным напылением, химическим осаждением, приклеиванием, механическим наложением или иначе. Высокочастотные импедансы согласующих покрытий можно определить из уравнений
= - (2) для S - поляризации или
= - (3) для p-поляризации,
где W₁ - волновое сопротивление материала фазовой пластинки,
W2 - волновое сопротивление среды, заполняющей плечо интерферометра в месте, куда вводят пластинку, θ₂ - угол падения излучения на пластинку, а θ₁ - угол между нормалью к пластинке и направлением распространения излучения внутри пластинки (связан с θ₂ обычным законом преломления).

Разность хода можно внести в интерферометр не только введением фазовой пластинки, но и изменением параметров пластинки, постоянно размещенной в интерферометре, за счет воздействия на нее заданным электрическим или магнитным полем, температурой и т.п., т.е. без механических перемещений.

Возможны варианты внесения заданной разности хода в интерферометр, являющиеся комбинацией перечисленных способов, а также другие варианты. Величина вносимой разности хода может колебаться в значительных пределах в зависимости от способа измерения фазового сдвига и может быть как много меньше предполагаемой длины волн (для грубых измерений), так и на несколько порядков больше ее (для точных, но относительно сложных измерений), а также и одного с ней порядка. Эта разность хода может сама быть функцией частоты (длины волны) или не зависеть от нее. Возможны варианты заявляемого способа, в которых одну длину волны измеряют, внося несколько различных разностей хода, и в то же время возможны варианты, в которых одну фиксированную разность хода вносят на множество измерений разных длин волн, например изготавливают специальный интерферометр с плечами фиксированной, но разной длины.

В рамках заявляемого способа измерения длины волны возможно множество вариантов, отличающихся способом измерения фазового сдвига, обусловленного заданной разностью хода. Выше был описан один из таких способов измерения фазы, но возможны и другие. Например, отведя часть излучения из обоих плеч интерферометра на отдельные приемники, можно без каких либо механических перемещений и одновременно считать амплитуды сигнала в обоих плечах А1 и А2, а также результат их интерференции А3, и рассчитать по ним фазу так, как это описано ранее. Таким образом появляется возможность измерить и длину волны вообще без механических перемещений. Можно измерять фазу и другими способами, для реализации которых не нужно предварительного знания длины волны (частоты), как известными в настоящее время, так и такими, которые могут быть реализованы в будущем. При этом для измерения одной длины волны может понадобиться одно или более измерений фазы (например, при нескольких различных разностях хода), причем в последнем случае фазу можно измерять одним или несколькими разными способами.

Длину волны в заявляемом способе определяют путем вычисления по заданной разности хода и измеренному фазовому сдвигу. При этом методы расчета и расчетные формулы допускают множество вариантов. В приведенных выше вариантах описаны расчеты по простейшим формулам, а также по более сложным нелинейным выражениям (для несогласованной фазовой пластинки). Возможно проводить расчет и по другим формулам, учитывающим, например, дифракционную расходимость пучков излучения в плечах интерферометра, заполнение плеч интерферометра средой, отличной от воздуха или вакуума (ранее неявно предполагалось, что показатель преломления среды внутри интерферометра - единица), или иные эффекты. Кроме того, в результате вычисления можно получать не только длину волны данного излучения в вакууме, а любые другие величины, связанные с этой длиной волны: длину волны в наперед заданной среде, частоту излучения, его циклическую частоту и т.п. Все это не выходит за пределы заявляемого способа.

Заявляемый способ может быть эффективен во всех случаях, когда требуются многократные измерения длины волны, в частности при частотной калибровке перестраиваемых источников излучения, в особенности источников, перестраиваемых немеханически (т.е. быстро), типа ламп обратной волны (ЛОВ). В этом случае за счет отказа от прецизионных механических перемещений зеркал при каждом измерении, можно сократить время, необходимое для однократного измерения длины волны, от единиц и десятков минут, до долей секунды (фактически оно ограничивается здесь уже скоростью работы электроники, перестраивающей источник излучения и измеряющей фазу). Кроме того, этот способ позволяет значительно упростить двухлучевой интерферометр за счет отказа от механизма непрерывного точного перемещения зеркал, в пользу механизма ступенчатого перемещения или набора фазовых пластинок.

Двухлучевые интерферометры часто применяются в составе разнообразных спектрометров, в частности ЛОВ-спектрометров (монохроматических спектрометров на основе ЛОВ), для проведения фазовых измерений. Для частотной калибровки в этих спектрометрах часто используют также и многолучевые интерферометры типа Фабри-Перо с механической перестройкой, являющиеся весьма громоздкими, сложными и дорогими. Заявляемый способ, будучи применен в подобных спектрометрах, может позволить в некоторых случаях существенно упростить их за счет отказа от многолучевого интерферометра и проведения частотной калибровки на основном двухлучевом интерферометре заявляемым способом.

Изобретение относится к технике сверхвысокочастотного (СВЧ) и инфракрасного (ИК) диапазонов, в частности миллиметрового и субмиллиметрового, а именно к способам измерения длины волны в этих диапазонах. Сущность: способ измерения длины волны заключается в том, что излучением, длину волны которого измеряют, возбуждают двухлучевой интерферометр, вносят в него разность хода и вычисляют длину волны по разности хода. Новым в способе является то, что в него вносят заданную отпическую разность хода, измеряют соответствующую ей разность фаз лучей интерферометра частотно-независимым способом, а длину волны вычисляют как по известной разности хода, так и по измеренной разности фаз. 3 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ - ИК-ДИАПАЗОНА, включающий внесение в двухлучевой интерферометр разности хода и вычисление длины волны, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и/или упрощения реализации способа, в интерферометр вносят заданную оптическую разность хода, измеряют соответствующую ей разность хода, измеряют соответствующую ей разность фаз частотно-независимым способом, а длину волны вычисляют по известной разности хода и измеренной разности фаз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность хода вносят в интерферометр путем перемещения одного или более его элементов на заданное расстояние. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность хода вносят в интерферометр путем введения по крайней мере в один из его лучей фазовой пластинки заданной оптической толщины. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что, с целью упрощения вычисления длины волны или повышения точности, разность хода вносят с помощью фазовой пластинки, по крайней мере с одной стороны снабженной согласующим электропроводящим покрытием.