ДВУХЛУЧЕВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01B9/21 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле и испытаниях оптических изделий и исследованиях оптических неоднородностей в прозрачных средах, в частности в газодинамических и баллистических экспериментах, в широком спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолета до дальнего инфракрасного.

Известны двухлучевые интерферометры, содержащие одну или две дифракционные решетки, где они выполняют функции светоделения или совмещения пучков в проходящем свете (Васильев А.А., Ершов И.В. Интерферометр с дифракционными решетками. - М.: Машиностроение, 1976, с.15 и 26-89).

Общим существенным недостатком этих интерферометров является невозможность настройки интерференционной картины на бесконечно широкую полосу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является двухлучевой интерферометр, включающий оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив с фильтрующей диафрагмой в его задней фокальной плоскости и регистрирующее устройство, при этом осветительная система содержит источник монохроматического излучения и коллиматор, а опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения две рельефно-фазовые дифракционные решетки, в опорной ветви установлен оптический компенсатор (Патент РФ 2075063, МКИ G 01 N 21/45. Двухлучевой интерферометр. Опубликован 10.03.1997 г. БИ 7).

Основным недостатком этого двухлучевого интерферометра является необходимость применения решеток на подложках из материала, имеющего хорошее пропускание и высокую оптическую однородность, что чрезвычайно затрудняет возможность практического использования таких интерферометров в ультрафиолетовой и дальней инфракрасной областях спектра.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности интерферометрических измерений при больших размерах рабочего поля, расширение рабочего спектрального диапазона интерферометра, упрощение процесса его настройки, снижение себестоимости.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом двухлучевом интерферометре, включающем оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив с фильтрующей диафрагмой в его задней фокальной плоскости и регистрирующее устройство, при этом осветительная система содержит источник монохроматического излучения и коллиматор, а опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения две рельефно-фазовые дифракционные решетки, в опорной ветви установлен оптический компенсатор, дополнительно введены четыре плоских зеркала, одно из которых установлено непосредственно перед первой решеткой, по одному - в опорной и объектной ветвях между дифракционными решетками, а четвертое - после второй дифракционной решетки, обе решетки выполнены отражательными с одинаковой пространственной частотой, высота их штрихов h и угол дифракции ϕ определяются из соотношений

где λ - длина волны источника излучения, ν - пространственная частота штрихов с прямоугольной формой профиля. Решетки расположены рабочими поверхностями навстречу друг другу, при этом штрихи обеих решеток перпендикулярны плоскости интерферометра и, по крайней мере, одна из решеток установлена с возможностью плавного поворота вокруг оси, перпендикулярной ее рабочей поверхности и проходящей через ее середину, а также продольного перемещения вдоль этой оси.

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема предложенного двухлучевого интерферометра.

На фиг. 2 приведены образцы интерферограмм прозрачного фазового объекта (проявленная фотопластинка), полученные на макете интерферометра при настройке его на бесконечно широкую полосу (фиг.2, а) и на полосы конечной ширины (фиг.2, б).

Двухлучевой интерферометр содержит оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив и регистрирующее устройство. Осветительная система состоит из источника 1 монохроматического излучения и коллиматора 2. Опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения дифракционные решетки 4 и 7, а также зеркала 3, 5, 6 и 8. Зеркало 3 установлено перед решеткой 4. Зеркала 5 и 6 установлены между дифракционными решетками 4 и 7, а зеркало 8 - после решетки 7. В задней фокальной плоскости сопрягающего объектива 9 установлены фильтрующая диафрагма 10 и регистрирующее устройство 11. В опорной ветви установлен оптический компенсатор 12 разности хода, а в объектной - прозрачный исследуемый объект 12'.

Обе дифракционные решетки 4 и 7 в исходном состоянии располагаются в интерферометре так, что их штрихи и плоские рабочие поверхности ориентированы по возможности взаимно параллельно; взаимно параллельно ориентируются также и зеркала 5 и 6.

Благодаря тому, что обе решетки 4 и 7 имеют одинаковую пространственную частоту, небольшим юстировочным поворотом одной из них вокруг оси, перпендикулярной ее рабочей поверхности и проходящей через ее середину, возможно небольшое изменение периода и ориентации полос интерференционной ширины на входе регистрирующего устройства 11; небольшой продольной юстировочной подвижкой вдоль этой оси можно добиться полного совмещения соответствующих интерферирующих лучей опорного и объектного пучков.

Решетка 7 может быть получена голографическим способом непосредственно в схеме интерферометра путем регистрации интерференционной картины на специальной светочувствительной пластине, установленной в поз. 7 (в отсутствие объекта 12' и компенсатора 12). При этом достигается практически полное исключение искажающего влияния на работу интерферометра дефектов всех его оптических элементов, что особенно ценно при больших рабочих полях. В этом случае должна быть сформирована дополнительная когерентная плоская опорная волна, направленная зеркалом 8 перпендикулярно светочувствительной пластине 7.

Двухлучевой интерферометр работает следующим образом.

Монохроматический пучок лучей от источника 1 проходит через коллиматор 2, зеркало 3 и разделяется отражательной решеткой 4 на два параллельных пучка (±1 порядки дифракции), один из которых (объектный), отразившись от зеркала 5, пройдя через исследуемый объект 12' и отразившись от решетки 7 в +1 порядке дифракции, интерферирует с опорным пучком, полученным в результате дифракции на решетке 7 в ее -1 порядке светового пучка, отраженного зеркалом 6 на решетку 7 и прошедшего через компенсатор 12, после которой объектный и опорный пучки совмещаются. Образуемая в результате суперпозиции этих пучков интерференционная картина, проецируется зеркалом 8, сопрягающим объективом 9 на фильтрующую диафрагму 10 и регистрирующее устройство 11 (фотопленка, TV-камера).

Исходная настройка (юстировка) интерферометра осуществляется соответствующими небольшими угловыми подвижками одного из зеркал 5 или 6, поворотом одной из решеток 4 или 7 вокруг оси 00' и юстировочным перемещением вдоль нее.

Оптическая "толщина" компенсатора 12 устанавливается с учетом эквивалентной оптической длины исследуемого объекта 12'.

Работоспособность предложенного интерферометра была проверена на макете, собранном по схеме (фиг.1) на отражательных репликах голограммных решеток диаметром 50 мм и частотой 600 мм^-1. В качестве монохроматического источника использовался He-Ne лазер типа ЛГН-207Б (λ=632,8 нм).

Пример 1
λ₀ = 632,8 нм (Не-Ne лазер); ϕ= 45^o; ; .

Пример 2
λ₀ = 10600 нм (СO₂ - лазер); ϕ=45^o; ;
Полученные при этом образцы интерферограмм прозрачного фазового тест-объекта (проявленная фотопластинка) приведены на фиг.2 при настройке интерферометра на бесконечно широкую полосу (фиг.2, а) и на полосы конечной ширины (фиг.2, б).

Предложенный интерферометр, благодаря его высокой виброустойчивости, низким требованиям к степени временной и пространственной когерентности используемого источника излучения, а также простоте юстировки, может быть успешно использован для получения высокочастотных голограммных дифракционных решеток путем регистрации интерференционной картины на специальной фотопластинке, установленной на место решетки 7. При этом частота таких решеток будет всегда вдвое больше частоты исходной решетки поз. 4.

Двухлучевой интерферометр включает осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив с фильтрующей диафрагмой в его задней фокальной плоскости и регистрирующее устройство, при этом осветительная система содержит источник монохроматического излучения и коллиматор, опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения две рельефно-фазовые дифракционные решетки, в опорной ветви установлен оптический компенсатор. Также введены четыре плоских зеркала, одно из которых установлено непосредственно перед первой решеткой, по одному - в опорной и объектной ветвях, между дифракционными решетками, а четвертое - после второй дифракционной решетки, обе решетки выполнены отражательными с одинаковой пространственной частотой, решетки расположены рабочими поверхностями навстречу друг другу, при этом штрихи обеих решеток перпендикулярны плоскости интерферометра и, по крайней мере, одна из решеток установлена с возможностью плавного поворота вокруг оси, перпендикулярной ее рабочей поверхности и проходящей через ее середину, а также продольного перемещения вдоль этой оси. Технический результат - повышение точности интерферометрических измерений при больших размерах рабочего поля, расширение рабочего спектрального диапазона интерферометра, упрощение настройки интерферометра, снижение себестоимости. 2 ил.

Двухлучевой интерферометр, включающий оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив с фильтрующей диафрагмой в его задней фокальной плоскости и регистрирующее устройство, при этом осветительная система содержит источник монохроматического излучения и коллиматор, опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения две рельефно-фазовые дифракционные решетки, в опорной ветви установлен оптический компенсатор, отличающийся тем, что дополнительно введены четыре плоских зеркала, одно из которых установлено непосредственно перед первой решеткой, по одному - в опорной и объектной ветвях, между дифракционными решетками, а четвертое - после второй дифракционной решетки, обе решетки выполнены отражательными с одинаковой пространственной частотой, высота их штрихов h и угол дифракции ϕ определяются из соотношений h=λ/4, sinϕ = λν, где λ - длина волны источника излучения, ν - пространственная частота штрихов с прямоугольной формой профиля, решетки расположены рабочими поверхностями навстречу друг другу, при этом штрихи обеих решеток перпендикулярны плоскости интерферометра и, по крайней мере, одна из решеток установлена с возможностью плавного поворота вокруг оси, перпендикулярной ее рабочей поверхности и проходящей через ее середину, а также продольного перемещения вдоль этой оси.