СКАНИРУЮЩЕЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО В ВИДЕ ДВУХЗЕРКАЛЬНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО Российский патент 2014 года по МПК G01B9/02 G02B5/28 G01J3/26 

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например в интерферометрах Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа или модуляции света.

В качестве аналога рассматриваем электрооптический модулятор света на базе интерферометра Фабри-Перо [Методы модуляции и сканирования света. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. - М.: Гл. ред. физ.-мат. лит. «Наука». 1970 - 296 с.]. В модуляторе пространство между зеркалами заполнено электрооптической средой, при подаче напряжения между зеркальными проводящими слоями вследствие электрооптического эффекта изменяется показатель преломления среды и оптическое расстояние между зеркалами. Изменяется длина волны максимума интерференции проходящего через интерферометр излучения, то есть происходит модуляция интенсивности проходящего монохроматического света.

Недостатками модулятора являются малая глубина модуляции в связи с малостью электрооптических коэффициентов используемых сред и тот факт, что модулируется плоскополяризованное излучение.

В качестве прототипа примем сканирующий интерферометр Фабри-Перо [Арбузов В.А. и др. Оптика и атомная физика. «Наука». 1976 - 456 с.]. Основной частью прототипа являются два полупрозрачных сферических зеркала. Средой в регулируемом интерферометре является газ или вакуум. Зеркала могут быть нанесены на смежные поверхности двух сферических стеклянных подложек; расстояние между зеркалами можно изменять с помощью электрически управляемого пьезоэлемента, на котором закрепляется подложка с одним из зеркал. При изменении геометрического расстояния между зеркалами изменяется длина волны максимума интерференции проходящего через интерферометр излучения, то есть происходит модуляция интенсивности проходящего монохроматического света.

В таком интерферометре Фабри-Перо, использующем электрооптически не активную среду, например газовую, необходимости в поляризации модулируемого излучения нет.

Недостатки прототипа: малая глубина модуляции света в связи с малыми значениями пьезоэлектрических модулей, малое быстродействие.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение глубины модуляции интерферометра, создание модулятора с увеличенными быстродействием и апертурой.

Задача решается тем, что сканирующее интерференционное устройство в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо содержит подложки с зеркальным покрытием с регулированием положения при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения, согласно изобретению поверхности подложек зеркал интерферометра между собой соединены в нем с помощью прозрачного упругого слоя равномерной толщины с образованием механического осциллятора, имеющего частоту собственных колебаний, близкую к частоте переменного напряжения, тогда как модуль Юнга упругого слоя меньше, чем подложек.

Решается также, что пьезоэлементом является одна из подложек.

Решается также, что материалами прозрачного упругого слоя являются полужесткие, мягкие и эластичные формы полимера, в том числе полиимид, полиэтилен, фоторезист, кремнийорганический каучук.

Решается также, что оптическая толщина прозрачного упругого слоя равна половине или полной длине волны модулируемого излучения.

Решается также, что толщины составных частей осциллятора много меньше длины упругой волны в нем на частоте колебаний.

Решается также, что по толщине осциллятора укладывается целое число половин длины упругой волны в нем на частоте колебаний, тогда как по толщине подложки укладывается нечетное число четвертей длины упругой волны.

Физической основой увеличения коэффициента модуляции излучения в соответствии с изобретением является тот факт, что для изменения толщины упругого слоя используются действующие на упругий слой «силы инерции» подложек, возникающие при периодических колебаниях подложек зеркал под действием толщинных деформаций пьезоэлемента; при большой частоте колебаний эти силы могут быть существенно больше, чем, например, силы электростатического притяжения обкладок электрического конденсатора, иногда предлагаемые для изменения положения зеркал в интерферометре, и больше пьезоэлектрических сил.

Изобретение поясняется с помощью фигур 1-3.

На фиг.1, а) показано схематически устройство сканирующего интерференционного устройства в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо, использующего колебания механического осциллятора; на фиг.1, б) - эквивалентная механическая схема осциллятора, включающего подложки зеркал, упругий слой между подложками и пьезоэлемент; на фиг.2, а) - устройство, сканирующее интерференционное устройство в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо, использующего колебания механического осциллятора, в котором одна из подложек является пьезоэлементом; на фиг.2, б) - эквивалентная механическая схема осциллятора, состоящего из подложек зеркал, одна из которых является пьезоэлементом, и упругого слоя между подложками; на Фиг.3, а) представлен график мгновенного распределения механического напряжения в осцилляторе при возбуждении полуволновой стоячей волны; на Фиг.3, б) представлена схема структуры осциллятора в случае, когда размеры упругой волны соизмеримы с размерами элементов осциллятора.

Сканирующее интерференционное устройство в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо по изобретению работает следующим образом.

Модулируемое монохроматическое излучение, показанное на фиг.1, а) стрелками, проходит прозрачные подложки 1 и 2, полупрозрачные зеркальные покрытия 3 и 4 и упругий прозрачный слой 5, скрепляющий собой поверхности подложек, на которые нанесены зеркальные покрытия. В соответствии с принципом работы многолучевого интерферометра излучение между зеркалами многократно отражается, давая после выхода из устройства интерференционную картину. На фигуре пьезоэлемент 6 имеет форму кольца, хотя может также быть прозрачным диском; при подаче между его обкладками 7 и 8 переменного напряжения в нем возникают продольные механические колебания, он периодически деформируется по толщине. При условии жесткого соединения пьезоэлемента с подложкой 1 толщинные колебания передаются ей, приводя подложку в колебательное движение вдоль направления оси симметрии устройства и возбуждая в ней упругую волну продольных колебаний. Распространяясь в подложке, упругая волна попадает в упругий прозрачный слой, далее во вторую подложку 2. В системе, включающей пьезоэлемент, первую подложку, упругий прозрачный слой и вторую подложку, возникает картина стоячих механических волн на частоте возбуждения пьезоэлемента.

Если толщины a и b подложек, толщина g пьезоэлемента и толщина d упругого слоя существенно меньше длины упругой волны в этих элементах, осциллятор можно считать состоящим из сосредоточенных элементов, и его эквивалентная механическая схема изображена на Фиг.1, б). На фигуре m_П, m₁, m₂ - массы пьезоэлемента, первой и второй подложки соответственно, с - жесткость прозрачного упругого слоя 5. При совпадении частоты собственных колебаний указанных масс, входящих в осциллятор, с частотой возбуждения пьезоэлемента, амплитуда колебаний в сравнении с деформацией пьезоэлемента под действием постоянного напряжения возрастает в число раз, равное значению механической добротности осциллятора, порядка десятков раз, при этом в такое же число раз увеличится деформация упругого элемента и изменение оптического пути света в интерферометре, увеличится коэффициент модуляции прошедшего интерферометр света.

Если в качестве одной из подложек сканирующего интерференционного устройства в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо выступает пьезоэлемент (Фиг.2, а)), ход лучей остается прежним: излучение проходит пьезоподложку 9 и прозрачные электроды 10 и 11, затем упругий слой 5 с зеркальными полупрозрачными покрытиями 3 и 4, затем подложку 2. Эквивалентная механическая схема сканирующего интерференционного устройства в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо с использованием пьезоподложки на фиг.2, б) включает только две массы m_П, m₂ пьезоподложки и второй подложки и жесткость с прозрачного упругого слоя; здесь также при наступлении механического резонанса амплитуда колебательной деформации упругого элемента превышает статическую деформацию в число раз, равное механической добротности осциллятора.

Собственная частота колебаний осциллятора фиг.1 определяется уравнением:

$$ƒ=\frac{1}{2\pi }\sqrt{c\left(\frac{1}{m_{П}+m_1}+\frac{1}{m_2}\right)}=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{E}{d}\left(\frac{1}{{\rho }_{П}g+{\rho }_{1}b}+\frac{1}{{\rho }_{2}a}\right)},\text{ (1)}$$

где $$c=\frac{ES}{d}$$ - жесткость упругого прозрачного слоя, ρ_П, ρ₁, и ρ₂ - плотности пьезоэлемента и подложек, Е - модуль Юнга упругого прозрачного слоя, S - его площадь.

Для случая пьезокерамического диска (g=5 мм, ρ_П=5·10³ кг/м³), стеклянных подложек толщиной a=b=5 мм и плотностью ρ₁=ρ₂=2,3·10³ кг/м³, при толщине упругого слоя d=10^-6 м, модуле Юнга упругого слоя E=25 МПа получим ƒ=270 кГц. Расчет для осциллятора на фигуре 2 можно проводить по этой же формуле, принимая толщину пьезоэлемента нулевой. Длина бегущей упругой продольной волны в подложках определяется по уравнению:

$$\Lambda =\frac{1}{ƒ}\sqrt{\frac{E_1}{{\rho }_1}},\text{ (2)}$$

где модуль Юнга подложки E₁=50 ГПа, и равна при вычисленной выше частоте Λ=17,3 мм, что подтверждает справедливость в данном случае эквивалентной схемы в виде модели с сосредоточенными параметрами.

В случае когда размеры элементов системы сравнимы или больше длины упругой волны, необходимо использовать закономерности систем с распределенными параметрами (Фиг.3). На фигуре 3, а) - график распределения механических напряжений σ вдоль осциллятора, длина которого равна половине длины упругой волны; на фиг.3, б) - схема осциллятора, где 12 - пьезоэлемент, 13 и 15 подложки с полупрозрачными зеркалами, 14 - упругий прозрачный слой.

Когда упругая волна проходит через систему подложек и упругий прозрачный слой, на границе подложка-слой должно выполняться условие равенства механических напряжений по сторонам границы раздела. Используя закон Гука, можно написать:

$${\sigma }_1={\gamma }_2{E}_2.\text{ (3)}$$

В выражении приравниваются друг другу механические напряжения по сторонам раздела сред, индексы 1 и 2 принадлежат величинам, относящимся к подложке и упругому прозрачному слою соответственно; γ - относительная деформация среды. Толщина упругого слоя мала в сравнении с длиной упругой волны в нем, поэтому

$${\gamma }_1=\Delta l_2/l_2,\text{ (4)}$$

где l₂ и Δl₂ - толщина и абсолютная деформация упругого слоя.

Если в осцилляторе возбуждена стоячая волна упругих продольных колебаний и он представляет собой свободно расположенное тело, то на концах осциллятора механические напряжения равны нулю и распределение напряжения вдоль осциллятора определяется уравнением, справедливым при равенстве скоростей упругих волн в пьезоэлементе и подложках:

$$\sigma \left(x\right)={\sigma }_0\sin \left(\frac{2\pi }{\Lambda }x\right)\sin \omega t.\text{ (5)}$$

Предполагается, что можно пренебречь влиянием на распределение напряжений упругого прозрачного слоя, имеющего другое значение скорости волны, в связи с малостью толщины слоя.

Здесь ω - круговая частота колебаний в волне, Λ - длина упругой волны в пьезоэлементе и подложках, σ₀ - амплитуда механического напряжения в области максимума стоячей волны (при x=Λ/4).

В произвольной точке подложки механическое напряжение равно:

$$\sigma \left(\text{x}\right)={\sigma }_{\text{1}}\text{sin}\omega \text{t}={\gamma }_{\text{1}}\left(\text{x}\right){\text{E}}_{\text{1}}\text{sin}\omega \text{t}\text{. (6)}$$

Используя (3) и (6), запишем для амплитудных значений:

$${\gamma }_2{E}_2={\gamma }_1\left(\text{x}\right){\text{E}}_{\text{1}}\text{. (7)}$$

Если поместить упругий слой в области максимума напряжений в стоячей волне, получим:

$${\gamma }_2=\Delta l_2/l_2={\gamma }_1\left(\text{x}=\Lambda /4\right)\frac{{\text{E}}_{\text{1}}}{{\text{E}}_{\text{2}}}\text{. (8)}$$

Из уравнения следует, что деформация упругого прозрачного слоя больше деформации подложек в E₁/Е₂ число раз.

В случае неравенства скоростей упругой волны в пьезоэлементе и подложках расчеты можно вести в долях периода упругой волны, и для существования стоячей полуволны в осцилляторе необходимо, чтобы сумма времен прохождения волны по элементам осциллятора была равна полупериоду колебания в волне. Расположение максимума стоячей волны определится координатой в осцилляторе, которой достигнет волна за четверть периода колебаний.

При пьезовозбуждении акустических волн с плоским фронтом поперечный размер подложек практически не ограничен, размер апертуры сканирующего интерференционного устройства, примерно равный поперечным размерам подложек, также может быть увеличен практически до любых размеров.

Длина волны света λ, соответствующая максимуму пропускания интерферометра, определяется известным уравнением:

$$d=q\frac{\lambda }{2n}.\text{ (9)}$$

Здесь q - порядок интерференции, целое число; n - показатель преломления среды между зеркалами интерферометра.

Для диапазона необходимых изменений толщины Δd упругого прозрачного слоя, приводящих к изменению длины волны Δλ максимума пропускания интерферометра, из (9) можно получить:

$$\Delta \text{d}=\text{q}\frac{\Delta \lambda }{\text{2n}}\text{. (10)}$$

Последнее уравнение показывает, что с увеличением порядка интерференции необходимо увеличивать требующееся для заданного диапазона ДА перестройки максимума пропускания интерферометра изменение толщины, иначе уменьшается коэффициент модуляции проходящего монохроматического света. Данное обстоятельство диктует использование для эффективного сканирующего интерференционного устройства в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо работы интерферометра при малых значениях порядка интерференции не более q=1 или 2 (q - количество полуволн света, укладывающихся по толщине упругого прозрачного слоя).

Таким образом показано, что оптимальное значение толщины осциллятора соответствует той, при которой в нем укладывается целое число половин длины упругой волны на частоте колебаний, а оптимальная толщина подложки, когда по ее толщине укладывается нечетное число четвертей длины упругой волны.

Показано также (уравнение (8)), что деформация среды между зеркалами интерферометра, то есть коэффициент модуляции проходящего света, увеличивается с ростом отношения модуля Юнга материала подложек к модулю Юнга упругого прозрачного слоя.

Показано также, что предпочтительное значение оптической толщины прозрачного упругого слоя - половина или полная длина волны модулируемого излучения.

При изготовлении устройства применяются обычные для оптических производств материалы: стекло для пластин, пьезокерамика, полимеры; при изготовлении деталей необходимо применять шлифовку и оптическую полировку, напыление тонких пленок металлов для зеркальных слоев, оптические клеи. В качестве материала прозрачного пьезоэлемента может быть применен монокристаллический кварц или прозрачные пьезоактивные материалы, используемые в устройствах на акустических поверхностных волнах.

Таким образом, подтверждена возможность решения поставленной задачи - увеличение глубины модуляции проходящего света и увеличение быстродействия и апертуры модулятора.

Подобное сканирующее интерференционное устройство в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо может найти применение в системах получения импульсов лазерного излучения, генерируемого непрерывными лазерами, а также в устройствах спектрального анализа типа монохроматоров в связи с расширенным диапазоном перестройки положения полосы пропускания устройства. Устройство может иметь модификации, работающие в ИК-диапазонах спектра.

Техническим результатом изобретения является сканирующее интерференционное устройство с быстродействием в диапазоне частот порядка сотен килогерц-мегагерц и световым диаметром несколько см. Изобретение может быть применено также при создании быстродействующих электронно-перестраиваемых монохроматоров излучений. Преимуществом устройства перед известными является его компактность - он может быть выполнен в габаритах чипа микросхемы.

Сканирующее интерференционное устройство содержит подложки с зеркальным покрытием с регулированием положения при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения. Поверхности подложек зеркал интерферометра между собой соединены с помощью прозрачного упругого сплошного или островкового слоя равномерной толщины с образованием механического осциллятора, имеющего частоту собственных колебаний, близкую к частоте переменного напряжения. Модуль Юнга упругого слоя меньше, чем подложек. Пьезоэлементом может быть одна из подложек. В качестве материала прозрачного упругого слоя могут использоваться полужесткие, мягкие и эластичные формы полимера, в том числе, полиимид, полиэтилен, фоторезист, кремнийорганический каучук. Оптическая толщина упругого слоя равна половине или полной длине волны модулируемого излучения. Толщины составных частей осциллятора много меньше длины упругой волны в нем. По толщине осциллятора может укладываться целое число половин длины упругой волны в нем, а по толщине подложки - нечетное число четвертей длины упругой волны. Технический результат - увеличение глубины модуляции интерферометра, быстродействия и апертуры. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сканирующее интерференционное устройство в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо, содержащее подложки с зеркальным покрытием с регулированием положения при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения, отличающееся тем, что поверхности подложек зеркал интерферометра между собой соединены с помощью прозрачного упругого сплошного или островкового слоя равномерной толщины с образованием механического осциллятора, имеющего частоту собственных колебаний, близкую к частоте переменного напряжения, тогда как модуль Юнга упругого слоя меньше, чем подложек.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоэлементом является одна из подложек.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материалами прозрачного упругого слоя являются полужесткие, мягкие и эластичные формы полимера, в том числе полиимид, полиэтилен, фоторезист, кремнийорганический каучук.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая толщина прозрачного упругого слоя равна половине или полной длине волны модулируемого излучения.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщины составных частей осциллятора много меньше длины упругой волны в нем на частоте колебаний.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по толщине осциллятора укладывается целое число половин длины упругой волны в нем на частоте колебаний, тогда как по толщине подложки укладывается нечетное число четвертей длины упругой волны.