ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01J3/45 

Изобретение относится к оптической микроскопии, в частности к оптическим интерферометрам.

Известны оптические гетеродинные интерферометры, обеспечивающие измерение оптической разности фаз с точностью порядка 10^-3 10^-4 [1 и 2] В частности, указанные интерферометры применяются в качестве измерительной системы оптического фазового рельефа в лазерных дифференциально-фазовых микроскопах. Обязательными элементами интерферометра являются делитель излучения, разделяющий когерентное излучение на два канала, соответствующие двум плечам интерферометра, и оптический модулятор, смещающий частоту когерентного излучения в одном плече интерферометра относительно другого.

В качестве прототипа выбрано устройство [3] представляющее собой интерферометр, содержащий источник когерентного излучения, расположенные по ходу излучения делитель излучения на два канала, устройство сдвига частоты излучения одного канала относительно частоты излучения другого канала, светоделитель, опорный фотоприемник и сигнальный фотоприемник.

В прототипе делитель излучения на два канала и устройство сдвига частоты реализуются одновременно на акусто-оптическом брегговском дефлекторе.

Недостатком такого совмещенного устройства является сравнительно большая протяженность и виброчувствительность его оптической системы, поскольку она должна включать в себя телескопический расширитель пучка и фильтрующую диафрагму дифрагировавших волн. Вследствие этого такое устройство без применения тщательной антивибрационной развязки является источником вибрационного шума в измеряемом сигнале, что ограничивает точность интерферометра. Кроме того, оно требует достаточно сложного электронного устройства управления, высокочастотный сигнал которого должен состоять из двух близких спектральных компонентов со стабилизированной разностью частот.

Техническая задача изобретения повышение разрешающей способности интерферометра, уменьшение его габаритов и виброчувствительности, упрощение управления устройством сдвига частоты, снижение частоты и мощности сигнала управления.

Задача достигается тем, что в предлагаемом интерферометре, содержащем источник когерентного излучения, расположенные по ходу излучения делитель излучения на два канала, устройство сдвига частоты излучения одного канала относительно частоты излучения другого канала, светоделитель, опорный фотоприемник и сигнальный фотоприемник, упомянутые делитель излучения и устройство сдвига частоты выполнены в виде единого блока, содержащего расположенные по ходу излучения входной волновод, разветвитель входного волновода и фазовый модулятор, при этом фазовый модулятор расположен, по крайней мере, на одном из волноводов, а выходные торцы волноводов расположены на расстоянии, при котором модовые поля волноводов частично перекрываются между собой.

Таким образом, в предлагаемом интерферометре делитель излучения и устройство сдвига частоты, выполненные в виде единого блока, представляют собой оптическую интегральную схему (ОИС). Упомянутая интегральная оптическая схема строится на одномодовых полосковых волноводах и имеет также одномодовый волоконно-оптический ввод излучения с жестко фиксированным торцовым соединением, благодаря чему достигается значительная виброзащищенность и cокращение габаритов устройства. Управление модулятором ОИС значительно упрощается, так как оно осуществляется низкочастотными (≅ 2 МГц) импульсами с мощностью в доли/милливатт (в то время как акустооптический модулятор требует управления на частоте ≈100 МГц с мощностью ≈1 Вт).

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Интерферометр содержит следующие конструктивные элементы: источник 1 когерентного излучения, оптическую интегральную схему ОИС-3, содержащую расположенные по ходу излучения входной волновод 2, разветвитель входного волновода 4 и фазовый модулятор 5, расположенный на плечах 6 (или на одном из них) разветвленного волновода, датчик 7 измеряемой оптической разности фаз (для конкретности в качестве датчика на фиг.1 изображен микроскопный объектив), наблюдаемый отражательный объектив 8, держатель 9 объекта (сканирующий микроскопный столик), сигнальный фотоприемник 10, опорный фотоприемник 11, генератор 12 управления устройством сдвига частоты, коллиматор 13, собирающий объектив 14 и 15, светоделитель (зеркало) 16.

Предлагаемый интерферометр действует следующим образом.

Когерентная световая волна со средней частотой ω_o излучается источником 1 и вводится во входной полосковый волновод 2 ОИС 3, затем излучение разделяется поровну разветвителем 4 на две волны в одномодовых волноводах, где они подвергаются фазовой модуляции и после этого излучаются из открытых концов волноводов ОИС. Таким образом ОИС формирует пару близко расположенных взаимно когерентных одномодовых точечных источников освещения для конфокального микроскопа. Фазовая модуляция производится импульсами пилообразной формы с частотой гетеродинирования ω_г и пиковой амплитудой, обеспечивающей разность фаз между волноводами Φ_m= 2π (или кратной 2π). Например, технически целесообразно производить модуляцию одновременно в обоих волноводах антисимметрично, т. е. создавая разнополярные импульсы сдвига фазы с амплитудой, обеспечивающей v_m= ±π При этом каждая из излучаемых волн может иметь сложный спектр с компонентами типа ω_o= ±nω_г, где n целое число, но интенсивность интерференции этих двух волн, т. е. их функция взаимной когерентности, должна быть периодической во времени с частотой ω_г и иметь преобладающую гармонику на этой частоте. Коллиматор 13 превращает излучение пары точечных источников в две плоские когерентные волны с угловым расхождением по сравнению с угловой апертурой объектива, которое может быть сделано очень малым. Таким образом, ОИС-3 вместе с коллиматором 13 выполняет ту же функцию, что и акустооптический светоделитель-модулятор в прототипе. После коллиматора 13 пара волн E₁ и Е₂ разделяется на две пары светоделителем 16 на полупрозрачном плоском зеркале. Отраженная часть волн собирается собирающим объективом (линзой) 15 и интерферирует на входном зрачке опорного фотоприемника 11. Переменная часть фототока согласно вышеуказанному имеет вид
J_o= I_ocos(ω_гt+ψ) (1),
где I_о амплитуда фототока;
ω_г частота гетеродинирования;
t время;
ψ случайная постоянная или медленно меняющаяся (например, в результате фоторефрактивного или терморефрактивного эффектов в интегрально-оптическом модуляторе) разность набега фаз разделенных волн.

В этом случае датчик 7 измеряемой оптической разности фаз проектирует прошедшую часть волн на наблюдаемый объект 8, образуя пару близко расположенных световых фокусных пятен. Отразившись от объекта, каждая из волн приобретает локальный комплексных коэффициентов отражения , , где ρ₁,ρ₂ амплитуды; Φ₁,Φ₂ фазы средних комплексных коэффициентов отражения (усредненных по распределению поля в фокусных пятнах); е основание натурального логарифма . Отраженные волны коллимируются датчиком 7, затем отражаются частично от светоделителя 16. Эта отраженная часть собирается объективом 14 на сигнальный фотоприемник 10, который регистрирует результат интерференции отраженной от объекта пары волн в виде
J_c= I_oρ₁ρ₂cos(ω_гt+ψ+ΔΦ),
где разность фаз коэффициентов отражения, приобретаемая на объекте в точках фокусировки (х₁, y) и (x₂, y), где вертикальная координата точек фокусировки; ε интервал между центрами фокусных пятен по оси координата средней точки между центрами пятен. Используя опорный сигнал (1) методом синхронного детектирования, можно выделить из сигнала (2) разность фаз и амплитуду в средней точке (,) между пятнами на плоскости объекта. Путем сканирования пары пятен по объекту с помощью перемещения координатного микроскопного столика или с помощью дефлектора, вставленного между коллиматором 13 и светоделителем 16, можно получить дифференциальное фазово-контрастное изображение всего объекта, а также обычное изображение по интенсивности . Наибольшая чувствительность и разрешающая способность интерферометра в описанном режиме дифференциально-фазового контраста достигается, когда расстояние между центрами фокусных пятен на объекте порядка диаметра самих фокусных пятен. Действительно при полном перекрытии, когда расстояние между пятнами равно нулю, исчезает измеряемый дифференциальный эффект. В другом крайнем случае, когда это расстояние намного больше диаметра пятен, исчезает перекрытие пятен и интерференционный эффект между ними. С этой целю выходные концы волноводов на интегральной схеме ОИС сводят вместе на расстояние порядка диаметра волноводной моды так, что поля двух волн перекрываются на выходном торце. Это обеспечивает перекрытие фокусных пятен на объекте, близкое к оптимальному, поскольку фокусные пятна являются изображением модовых распределений светового поля, проецируемых на плоскость объекта.

Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. C. W. See, M. vaez. Iravahi, Н. К. Wickranasinghe Appl. Optics, 1985, v. 24, N 15, р. 2373.

2. Е. М. Золотов, В. М. Пелехатый, К. К. Свидзинский, Р. Г. Тагиев, "Письма в ЖТФ", 1992, т. 18, N 3, с. 54 58.

3. С. W. See, R. K. Appel, M. G. Somekh, Appl. Phys. Lett, 1988, v. 53, р. 1.

Использование: в оптической микроскопии для измерения оптической разности фаз с точностью порядка 10^-3 - 10^-4 рад. Сущность изобретения: в интерферометре делитель освещающей волны и устройство сдвига частоты выполнены в виде оптической интегральной схемы на одномодовых полосковых волноводах с волоконно-оптическим торцевым вводом. При этом указанная интегральная схема содержит волноводный разветвитель входного волновода на два волновода, выходящих открытыми концами на свободный торец интегральной схемы, и расположенный на этих волноводах (или одном из них) фазовый модулятор. 1 ил.

Интерферометр, содержащий источник когерентного излучения, расположенные по ходу излучения делитель излучения на два канала, устройство сдвига частоты излучения одного канала относительно частоты излучения другого канала, светоделитель, опорный фотоприемник, сигнальный фотоприемник, отличающийся тем, что делитель излучения и устройство сдвига частоты выполнены в виде единого блока, содержащего расположенные по ходу излучения входной волновод, разветвитель входного волновода и фазовый модулятор, при этом фазовый модулятор расположен по крайней мере на одном из волноводов, а выходные торцы волноводов расположены на расстоянии, при котором модовые поля волноводов частично перекрываются между собой.