ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МОНОХРОМАТОР Российский патент 2013 года по МПК G01J3/26 G01B9/02 

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; λ_ср - 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 Δλ_M, мкм Δd₁,мкм δλ_1, мкм δλ_M, 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.

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.

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.