ОПТИЧЕСКОЕ БЕЗДИСПЕРСИОННОЕ ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК G02B26/00 

Изобретение относится к оптической интерферометрии, в частности к спектральной рефлектометрии, и может быть использовано для одновременного наблюдения интерференционных картин с различными фазовыми соотношениями между интерферирующими волнами.

Оптическая интерферометрия, предполагающая одновременное наблюдение интерференционных картин с различными фазовыми соотношениями между интерферирующими волнами, известна с 1926 года, с публикации (Kennedy R.J. "А Refinement of the Michelson-Morley Experiment" // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 1926. V.12, №11. P.621-629), в которой для получения сдвига между монохроматическими пучками в тысячные доли длины волны использовалось ступенчатое зеркало. На сегодняшний день актуальным является одновременное наблюдение интерференционных картин с различными фазовыми соотношениями между интерферирующими волнами для низкокогерентного излучения с большой (десятки процентов центральной длины волны) шириной спектра. В частности, в задачах спектральной рефлектометрии актуальным является одновременное наблюдение спектров интерферирующих волн, фаза интерференции в которых отличается на π/2 - иначе называемое квадратурным приемом спектральных компонент. Использование квадратурного приема спектральных компонент позволяет избежать в спектральной рефлектометрии вырождение по знаку задержки между опорной и сигнальной волнами. В то же время зависимость фазового сдвига от текущей оптической частоты излучения приводит к неточному выполнению условий квадратурного приема, что, в свою очередь, приводит к недостаточной компенсации вырождения по знаку задержки между опорной и сигнальной волнами.

Ближайшим аналогом разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства является оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство, известное по патентной заявке US 20070003436, МПК⁶ G01N 21/00, публ. 04.01.2007. Устройство содержит два отражателя, находящихся на различных уровнях по направлению распространения пучка. Пучок монохроматичного излучения с частотой ω₀ падает на составной отражатель под углом γ к нормали. После отражения пучок делится на две составляющие, одна из которых сдвинута по фазе относительно другой на , где h - расстояние между плоскостями отражателей, c - скорость света. Однако в случае не монохроматического излучения с шириной полосы Δω различные частотные компоненты приобретут различный фазовый сдвиг φ(ω), отличный от предустановленного φ(ω)=φ₀(ω/ω₀).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, обеспечивающего для любой частоты ω, в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2], сдвиг фазы Δφ(ω) между двумя частями пучка излучения, удовлетворяющий условию |Δφ(ω)-φ₀|<φ₀Δω/2ω₀.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство так же, как и ближайший аналог, состоит из по крайней мере двух элементов, осуществляющих сдвиг фазы φ₀ между по крайней мере двумя частями пучка излучения на рабочей частоте излучения ω₀.

Новым в разработанном устройстве является то, что элементы выполнены с различными эффективными дисперсионными характеристиками, а также обеспечение для любой частоты ω, в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2], сдвига фазы Δφ(ω) между указанными частями пучка излучения, удовлетворяющего условию |Δφ(ω)-φ₀)|<φ₀Δω/2ω₀.

В первом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена в виде плоскопараллельной пластинки.

Во втором частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена в виде призмы.

В третьем частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена в виде отражателя.

В четвертом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена с возможностью наклона к оси пучка.

В пятом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства эффективные дисперсионные характеристики элементов достигаются за счет изменения положения составляющих элемента в пространстве.

В шестом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства изменение положения составляющих элемента в пространстве осуществляется поворотом относительно оси распространения излучения.

В седьмом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства изменение положения составляющих элемента в пространстве осуществляется взаимным смещением составляющих элемента.

В восьмом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства направления распространения входного и выходных пучков совпадают.

В девятом частном случае реализации разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства направления распространения входного и выходных пучков не совпадают.

На фиг.1 представлена общая схема реализации предлагаемого оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства.

На фиг.2 представлен частный случай реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, в котором два элемента выполнены в виде плоскопараллельных пластинок, расположенных под углом к оси распространения излучения.

На фиг.3 представлен отдельный элемент оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, выполненный с наклоном к оси распространения излучения.

На фиг.4 представлен частный случай реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, в котором два элемента выполнены в виде плоскопараллельных пластинок, ориентированных нормально к направлению распространения излучения.

На фиг.5 представлена зависимость относительного фазового сдвига между двумя пучками от оптической частоты излучения, отнормированная на величину предустановленного фазового сдвига φ₀: 1 - в ближайшем аналоге, 2 - в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве, в котором два элемента выполнены в виде плоскопараллельных пластинок, расположенных под углом к оси распространения излучения (фиг.2).

На фиг.6 представлены частные случаи реализации бездисперсионного фазосдвигающего устройства, элементы которого включают составляющие: на фиг.6а оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство выполнено из двух элементов, один из которых состоит из двух плоскопараллельных пластинок, на фиг.6б оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство выполнено из двух элементов, каждый элемент состоит из двух плоскопараллельных пластинок.

На фиг.7 представлена зависимость относительного фазового сдвига между двумя пучками от оптической частоты излучения, отнормированная на величину предустановленного фазового сдвига φ₀: 1 - в ближайшем аналоге, 2 - в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве, в котором два элемента выполнены в виде плоскопараллельных пластинок, расположенных под углом к оси распространения излучения (фиг.2), 3 - в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве, состоящем из двух элементов, один из которых состоит из двух плоскопараллельных пластинок (фиг.6а), 4 - в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем элементе, из двух элементов, каждый элемент состоит из двух плоскопараллельных пластинок (фиг.6б).

На фиг.8 представлен частный случай реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, в котором два элемента выполнены в виде призм: 8а - вид сверху, 8б - сечение в плоскости АВ, 8в - изометрия.

На фиг.9 представлен частный случай реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, состоящего из двух элементов, каждый элемент выполнен из двух призм.

На фиг.10 представлен отдельный элемент оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.9, составленный из двух идентичных призм.

На фиг.11 представлена зависимость относительного фазового сдвига между двумя пучками от оптической частоты излучения, отнормированная на величину предустановленного фазового сдвига φ₀: 1 - в ближайшем аналоге, 2 - в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве, состоящем из двух элементов, каждый элемент выполнен из двух призм (фиг.9).

Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по фиг.1 состоит из двух элементов 1 и 2 с различными эффективными дисперсионными характеристиками и .

Излучение с плоским (близким к плоскому) фазовым фронтом падает на входную плоскость устройства O, перпендикулярную направлению распространению излучения. В устройстве излучение разделяется на два пучка I и II, каждый из которых проходит по своему оптическому пути и приобретает определенный фазовый набег, после чего выходит из выходной плоскости устройства O', перпендикулярной направлению распространения пучков I и II. Разность фазовых набегов пучков I и II в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2] удовлетворяет условию |Δφ(ω)-φ₀|<φ₀Δω/2ω₀.

По фиг.2 элементы 1 и 2 оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.2 состоят из плоскопараллельных пластинок толщины h₁ и h₂ из материалов с показателями преломления n₁(ω) и n₂(ω) и расположенных под углами γ₁ и γ₂ к падающему излучению.

Оптическое излучение с плоским (близким к плоскому) фазовым фронтом падает на входную плоскость оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства O. На выходе оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства часть пучка, прошедшая через элемент 1, приобретает на плоскости O' фазовый набег φ₁(ω), часть пучка, прошедшая через элемент 2, приобретает на плоскости O' фазовый набег φ₂(ω).

По фиг.3 излучение, падающее на элемент толщиной h под углом γ к нормали элемента в точке А, выходит в точке В. Угол преломления γ₁ в пластинке определяется условием

а угол между преломленным лучом и направлением первоначального распространения определяется как

Принимая за начало координат оси z точку падения излучения А и обозначив длину участка АВ за h', можно показать, что

Тогда полная длина оптического пути А-С запишется в виде суммы

или

Оптическая длина каждого элемента оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.2 для каждого из элементов для излучения на частоте ω представляется в виде:

Фазовый набег, приобретаемый каждой частотной компонентой падающего излучения в плоскости O', по фиг.2 составит . Разность фазовых набегов для обоих пучков постоянна в выходной плоскости O':

где

что позволяет прибегнуть к упрощению исходной задачи на случай нормального падения излучения на элементы толщиной h₁ и h₂ с показателями преломления и (фиг.4).

На фиг.4 представлен частный случай реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, в котором два элемента выполнены в виде плоскопараллельных пластинок, ориентированных нормально к направлению распространения излучения.

В записи (9) элементы характеризуются различными зависимостями эффективного показателя преломления от оптической частоты. Это позволяет для двух частот ω' и ω”, лежащих в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2], наложить для разности фазовых набегов для обоих пучков требование равенства предустановленной величине φ₀:

что с учетом (7) позволяет записать систему линейных уравнений для толщин элементов h₁ и h₂

Решением этой системы являются

Подставляя в (18) значения (8), можно записать выражения для толщин элементов h₁ и h₂ в зависимости от эффективных коэффициентов дисперсии элементов υ(ω)_1,2

где

Очевидно, что конечные решения (13) существуют только в случае выполнения условия

что эквивалентно требованию некратности эффективных коэффициентов дисперсии элементов

При практической реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства частоты ω' и ω” целесообразно выбирать симметрично относительно центральной частоты ω₀:

при этом величину δω следует выбирать равной

что является оптимальным для случая излучения с прямоугольной формой спектра и материалов с дисперсией показателя преломления, близкой к линейной в рабочем диапазоне частот.

На фиг.5 представлены зависимости относительного фазового сдвига между двумя пучками от оптической частоты излучения для ближайшего аналога (линия 1, левая шкала) и для разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства (линия 2, правая шкала) по фиг.2, отнормированные на величину предустановленного фазового сдвига φ₀. Из фиг.5 видно, что отклонение распределения фазового сдвига между пучками по оптически частоте при использовании разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства почти в 100 раз меньше, чем при использовании ближайшего аналога.

При увеличении числа компонентов, из которых состоит отдельный элемент - составляющих элементов оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства (фиг.6а, б) - в выражение для разности фаз пучков (7) войдут дополнительные параметры

где N - общее число составляющих элементов. В этом случае система уравнений (11) преобразуется в систему из N независимых уравнений, что позволяет добиться строгого равенства фазового сдвига между пучками предустановленному фазовому сдвигу φ₀ на N частотах. Таким образом, возможно дальнейшее уменьшение отклонения распределения фазового сдвига между пучками по оптически частоте.

На фиг.7 зависимость, обозначенная 1, построена для ближайшего аналога, 2 - для разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.2, 3 и 4 - для оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.6а и 6б соотвественно. Как видно из фиг.7, добавление одной составляющей элемента в оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство позволяет уменьшить отклонение распределения фазового сдвига между пучками по оптической частоте примерно в 20 раз.

Элементы 1 и 2 оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.8 состоят из оптических призм, выполненных из одного материала и с одинаковым углом при вершине. Фиг.8а выполнена как вид сверху, сечение в плоскости АВ представлено на фиг.8б.

По фиг.8а оптическое излучение падает на входную плоскость оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства O. Входная плоскость призмы элемента 1 совпадает с входной плоскостью O, на выходной поверхности излучение преломляется. Входная плоскость призмы элемента 2 отстоит от входной плоскости O на расстояние x, на выходной поверхности излучение преломляется. Разность фаз между двумя пучками в выходной плоскости оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства O' перпендикулярной направлению выхода излучения из призм, составляет

где Δ=d₂-d₁. По аналогии с (11) возможно для двух заданных оптических частот в рабочем диапазоне установить относительный фазовый сдвиг, равный предустановленному φ₀, при этом вид зависимости относительного фазового сдвига от оптической частоты совпадет с представленным на фиг.5 кривой 2.

Однако использование конфигурации по фиг.8 для широкополосного излучения затруднительно. По Фиг.8а угол выхода излучения из призмы описывается соотношением sin(γ)=n(ω)sin(α), что приводит к зависимости угла выхода излучения от оптической частоты. Возникающая угловая дисперсия становится причиной возникновения частотно-обусловленной расходимости излучения в пучках I и II, что является нежелательным.

С целью компенсации угловой дисперсии возможно использовать комбинированные элементы, состоящие из нескольких призм.

По фиг.9 каждый из изображенных двух элементов состоит из пары призм и воздушного промежутка между ними. Для упрощения расчета предполагается, что излучение падает нормально к поверхности призм. Призмы, составляющие каждый из элементов оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, выполнены идентичными и их грани попарно параллельны. В этом случае для отдельного элемента по фиг.10 излучение, падающее нормально к входной плоскости призмы, проходит в призме расстояние АВ и преломляется на выходной грани под углом

Из тригонометрических соображений можно показать, что

Длина отрезка BF

Длина отрезка DE определится как

таким образом, полный оптический путь луча от плоскости O до плоскости O' определится выражением:

Разность фаз для пучков, прошедших через первый и второй элементы, запишется в виде

что позволяет формально записать для оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фиг.9 систему из трех линейных уравнений, в которой неизвестными являются величины воздушных зазоров x_1,2 и разности толщин элементов Δ. Решением системы линейных уравнений

возможно подобрать величины воздушных зазоров x_1,2 и разности толщин элементов Δ, при которых выполняется строгое равенство фазового сдвига между пучками предустановленному фазовому сдвигу φ₀ для трех различных оптических частот.

На фиг.11 представлены зависимости относительного фазового сдвига между двумя пучками от оптической частоты излучения для ближайшего аналога (линия 1, левая шкала) и для разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства (линия 2, правая шкала) по фиг.9, отнормированные на величину предустановленного фазового сдвига φ₀. Из фиг.11 видно, что отклонение распределения фазового сдвига между пучками по оптически частоте при использовании разработанного оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства почти в 1000 раз меньше, чем при использовании ближайшего аналога.

В конкретной реализации оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства по фигуре 2 были использованы две пластинки из плавленного кварца, изготовленные на собственном опытном производстве ИПФ РАН.

Использование в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве в качестве составляющих элементов плоскопараллельных пластинок позволяет реализовать максимально компактное оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство с необходимой степенью компенсации хроматизма фазового сдвига.

Использование в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве в качестве составляющих элементов призм позволяет снижать требования к точности настройки оптического бездисперсионного фазосдвигающего устройства, а также позволяет изменять направление распространения излучения.

Использование в оптическом бездисперсионном фазосдвигающем устройстве в качестве составляющих элементов отражателей позволяет изменять направление распространения излучения, в том числе на обратное.

Исполнение составляющих элементов с возможностью наклона к оси пучка позволяет снижать требования к точности изготовления составляющих элементов и производить точную настройку эффективных дисперсионных характеристик элементов.

Достижение эффективных дисперсионных характеристик элементов за счет изменения положения составляющих элементов в пространстве позволяет производить точную настройку эффективных дисперсионных характеристик элементов.

Поворот составляющих элементов относительно оси распространения излучения позволяет достигать эффективных дисперсионных характеристик элементов при использовании составляющих элементов, изготовленных из идентичных материалов.

Взаимное смещение составляющих элементов позволяет изменять эффективные дисперсионные характеристики элементов, не изменяя эффективные дисперсионные характеристики составляющих элементов.

Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство с совпадающими направлениями распространения входного и выходных пучков позволяет производить сдвиг фазы без коррекции системы, в которую вносится оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство.

Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство с несовпадающими направлениями распространения входного и выходных пучков позволяет производить сдвиг фазы и коррекцию направления распространения излучения в системе, в которую вносится оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство.

Таким образом, разработанное оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство обеспечивает для любой частоты ω, в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2], сдвиг фазы Δφ(ω) между двумя частями пучка излучения, удовлетворяющий условию |Δφ(ω)-φ₀|<φ₀Δω/2ω₀.

Изобретение относится к оптической интерферометрии, в частности к спектральной рефлектометрии, и может быть использовано для одновременного наблюдения интерференционных картин с различными фазовыми соотношениями между интерферирующими волнами. Устройство состоит из по крайней мере двух элементов, осуществляющих сдвиг фазы φ₀ между по крайней мере двумя частями пучка излучения на рабочей частоте излучения ω₀. Указанные элементы выполнены с различными эффективными дисперсионными характеристиками. Устройство обеспечивает для любой частоты ω, в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2], сдвиг фазы Δφ(ω) между указанными частями пучка излучения, удовлетворяющий условию |Δφ(ω)-φ₀)|<φ₀Δω/2ω₀. Технический результат - обеспечение уменьшения отклонения распределения фазового сдвига между пучками по оптической частоте. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство, состоящее из по крайней мере двух элементов, осуществляющих сдвиг фазы φ₀ между по крайней мере двумя частями пучка излучения на рабочей частоте излучения ω₀, отличающееся тем, что элементы выполнены с различными эффективными дисперсионными характеристиками, а также обеспечивающее для любой частоты ω в рабочем диапазоне частот излучения [ω₀±Δω/2] сдвиг фазы Δφ(ω) между указанными частями пучка излучения, удовлетворяющий условию |Δφ(ω)-φ₀)|<φ₀Δω/2ω₀.

2. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена в виде плоскопараллельной пластинки.

3. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена в виде призмы.

4. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена в виде отражателя.

5. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что по крайней мере одна составляющая по крайней мере одного элемента выполнена с возможностью наклона к оси пучка.

6. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что эффективные дисперсионные характеристики элементов достигаются за счет изменения положения составляющих элемента в пространстве.

7. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.6, отличающееся тем, что изменение положения составляющих элемента в пространстве осуществляется поворотом относительно оси распространения излучения.

8. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.6, отличающееся тем, что изменение положения составляющих элемента в пространстве осуществляется взаимным смещением составляющих элемента.

9. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что направления распространения входного и выходных пучков совпадают.

10. Оптическое бездисперсионное фазосдвигающее устройство по п.1, отличающееся тем, что направления распространения входного и выходных пучков не совпадают.