СКАНИРУЮЩИЙ МОНОБЛОЧНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО Российский патент 2020 года по МПК G01B9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сканирующему моноблочному интерферометру Фабри-Перо и может быть использовано в оптических спектральных системах, а также в перестраиваемых по длине волны лазерах, в том числе среднего инфракрасного (ИК) диапазона спектра.

Уровень техники

Известный перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо по патенту РФ №2091732 (опубл. 27.09.1997) содержит корпус, ручной привод продольного перемещения, пьезопривод, содержащий корпус и круглые клиновидные зеркальные пластины, закрепленные на клиновидных пластинах с вершинами клиньев, ориентированных в противоположных направлениях, имеющих отверстия в центре, равные световому диаметру, и наружные поверхности, параллельные рабочим поверхностями пластин интерферометра. Недостаток этого устройства состоит в наличии ручного привода продольного перемещения зеркал интерферометра, что сужает возможность его использования в автоматизированных оптических приборах. Кроме того, недостатком является использование деталей из металлических сплавов, что приводит к тепловым уводам конструкции в ходе эксплуатации.

Известен также перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо по авторскому свидетельству СССР №1635014 (опубл. 31.10.1988), содержащий корпус в виде двух установленных перпендикулярно к оптической оси фланцев цилиндрической формы с осевыми отверстиями, соединенных между собой узлами крепления, двухзеркальный резонатор, расположенный в отверстиях фланцев, причем каждое зеркало резонатора закреплено с помощью двух пьезоэлементов, расположенных на одном радиальном направлении так, что один из них закреплен на нерабочей поверхности зеркала по периметру, а второй - на торцевой поверхности фланца. Недостатком этого интерферометра является сложность юстировки зеркал, закрепленных указанными парами пьезоэлементов со скобами, а также использование деталей из металлических сплавов, что приводит к тепловым уводам конструкции в ходе эксплуатации.

Известный перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо по патенту РФ 2517801 (опубл. 27.05.2014) для быстрой перестройки и сканирования спектра пропускания или отражения излучения в спектральных системах. Интерферометр содержит корпус в виде двух фланцев, установленных перпендикулярно к оптической оси, с осевыми сквозными отверстиями, и двухзеркальный резонатор, расположенный в отверстиях фланцев, каждое зеркало которого закреплено на соответствующем фланце с помощью пьезоэлектрического элемента. Фланцы соединены между собой узлом крепления. Недостатком этого интерферометра является конструкция крепления фланцев, не позволяющая исключить тепловые уводы интерферометра, что может приводить к изменению расстояния между зеркалами.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующее интерференционное устройство в виде двухзеркального интерферометра Фабри-Перо по патенту РФ №2518366 (опубл. 10.06.2014). Это устройство содержит подложки с зеркальным покрытием, их положение регулируется при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения. Поверхности подложек зеркал между собой соединены прозрачным упругим сплошным или островковым слоем равномерной толщины с образованием механического осциллятора, имеющего частоту собственных колебаний, близкую к частоте переменного напряжения. Недостатком этого интерферометра является наличие прозрачного упругого сплошного или островкового слоя между поверхностями подложек зеркал, что может привести к тепловым уводам интерферометра.

Раскрытие изобретения

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание такого сканирующего моноблочного интерферометра Фабри-Перо, в котором преодолевались бы недостатки уровня техники и достигался бы технический результат в виде минимизации тепловых уводов конструкции интерферометра, в отказе от использования клеевых соединений и металлических конструкций, а также в обеспечении стабильности работы в перестраиваемых лазерах, в том числе и среднего ИК-диапазона.

Эта задача решается с достижением указанного технического результата в сканирующем моноблочном интерферометре Фабри-Перо по настоящему изобретению, содержащем два плоско-параллельных мембранных зеркала, обращенных одно к другому и зафиксированных с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах разделительного кольца, а также два пьезоэлектрических элемента, наклеенные каждый с обратной стороны соответствующего зеркала.

Особенность интерферометра по настоящему изобретению состоит в том, что каждое из мембранных зеркал с обратной стороны может быть выполнено с утолщенной центральной частью, соединенной через утонченную промежуточную часть с утолщенной краевой частью, на которой и наклеен соответствующий пьезоэлектрический элемент.

Другая особенность интерферометра по настоящему изобретению состоит в том, что каждый из пьезоэлектрических элементов может быть выполнен многослойным.

Еще одна особенность интерферометра по настоящему изобретению состоит в том, что материал упомянутых зеркал и разделительного кольца может иметь низкий температурный коэффициент линейного расширения не более 0,55×10^-6 1/с.

Подробное описание вариантов осуществления

Настоящее изобретение иллюстрируется приложенным чертежом.

Ссылочной позицией 1 обозначено разделительное кольцо, на противоположных сторонах которого зафиксированы два плоско-параллельных зеркала 2 мембранного типа, обращенные одно к другому. Фиксация зеркал 2, как нетрудно видеть, осуществлена на их краях с помощью оптического контакта, не требующего клеевого соединения. Для получения оптического контакта торцевые поверхности разделительного кольца 1 и соответствующие периферийные участки мембранных зеркал 2 имеют высокое качество обработки (полировки). Кроме того, торцевые поверхности разделительного кольца 1 выполнены с высокой степенью параллельности их плоскостей, что необходимо для правильной работы данного интерферометра. Толщина разделительного кольца 1 определяет начальный зазор (или базу) резонатора в данном интерферометре.

Сам упомянутый резонатор образован центральными (рабочими) участками обоих зеркал 2, участвующих в многократном отражении света при его прохождении вдоль оси данного интерферометра, показанной на чертеже штрих-пунктиром. В этой связи мембранные зеркала 2 выполнены из оптического (прозрачного) материала. Разделительное кольцо 1 предпочтительно выполнено из такого же или близкого по свойствам материала, чтобы обеспечить упомянутый оптический контакт между разделительным кольцом 1 и мембранными зеркалами 2. Предпочтительно, этот оптический материал имеет (или эти оптические материалы имеют) низкий температурный коэффициент линейного расширения, к примеру, не более 0,55×10^-6 1/с.

Каждое мембранное зеркало 2 может иметь плоское выполнение. Однако более удобно, чтобы мембранное зеркало 2 имело утолщенный центральный (рабочий) участок, соединенный с утолщенным периферийным участком, предназначенным для обеспечения оптического контакта с разделительным кольцом, посредством промежуточного мембранного участка меньшей толщины. С обратной стороны центрального (рабочего) участка на мембранное зеркало 2 наклеен пьезоэлектрический элемент 3 (пьезокерамический актюатор) в виде кольца для пропускания света через свое центральное отверстие. Край пьезоэлектрического элемента 3 также приклеен к периферийному участку мембранного зеркала 2. В случае выполнения мембранного зеркала 2 плоским пьезоэлектрический элемент 3 может наклеиваться всей своей поверхностью. Пьезоэлектрические элементы 3 могут быть выполнены одно- или многослойными.

На чертеже ссылочной позицией 4 обозначен генератор электрических сигналов, выдающий напряжение, подаваемое на пьезоэлектрические элементы 3 и изменяющееся во времени, например, по периодическому синусоидальному или пилообразному закону. Вследствие этого изменяется длина пьезоэлектрических элементов 3 как вдоль оси, так и в радиальном направлении, что приводит к изгибу каждого пьезоэлектрического элемента 3. Такой изгиб толкает центральный участок мембранного зеркала 2, которое посредством своего тонкого промежуточного мембранного участка осуществляет плоскопараллельное движение относительно периферийного участка, закрепленного посредством оптического контакта на разделительном кольце 1. Соответственно изменяется величина зазора между мембранными зеркалами 2, что обеспечивает сканирование по времени спектральных характеристик интерферометра Фабри-Перо. Кроме того, при подаче с выхода генератора 4 на пьезоэлектрические элементы 3 постоянной составляющей напряжения среднее значение величины зазора между мембранными зеркалами 2 (или база интерферометра) также изменяется.

Изобретение относится к оптическим спектральным системам. Сканирующий моноблочный интерферометр Фабри-Перо по настоящему изобретению содержит два плоскопараллельных мембранных зеркала, обращенных одно к другому и зафиксированных с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах разделительного кольца, а также два пьезоэлектрических элемента, наклеенные, каждый, с обратной стороны соответствующего зеркала. Технический результат - обеспечение стабильной работы в перестраиваемых лазерах. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сканирующий моноблочный интерферометр Фабри-Перо, содержащий два плоскопараллельных мембранных зеркала, обращенных одно к другому и зафиксированных с помощью оптического контакта на своих краях на противоположных сторонах разделительного кольца, а также два пьезоэлектрических элемента, наклеенные, каждый, с обратной стороны соответствующего зеркала, при этом каждое из упомянутых мембранных зеркал с обратной стороны выполнено с утолщенной центральной частью, соединенной через утонченную промежуточную часть с утолщенной краевой частью, на которой и наклеен соответствующий пьезоэлектрический элемент.

2. Интерферометр по п. 1, в котором каждый из упомянутых пьезоэлектрических элементов выполнен многослойным.

3. Интерферометр по п. 1, в котором материал упомянутых зеркал и разделительного кольца имеет температурный коэффициент линейного расширения не более 0,55×10^-6 1/с.