Сканирующий интерферометр Фабри-Перо на основе ИТ-28-30 Российский патент 2024 года по МПК G01B9/02 

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 сканирования спектра при спектральном анализе оптического излучения с высокой разрешающей способностью или модуляции света, а также в перестраиваемых по длине волны лазерах.

Известен сканирующий моноблочный интерферометр Фабри-Перо патент РФ № 2726717. 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.

Недостатком данного интерферометра является отсутствие возможности изменения базы интерферометра, нарушение параллельности зеркал при сканировании за счет неравномерного изменения размеров пьезоэлектрического элемента.

В качестве прототипа выбран пьезоэлектрический сканируемый интерферометр Фабри-Перо на основе ИТ-28-30 с базой 2,5 - 6 мм [Ритус А.И. Пьезоэлектрически сканируемый интерферометр Фабри-Перо на основе ИТ-28-30 с базой 2,5-6 мм // Квантовая электроника. 1975. Т. 2. №. 9. С. 2091-2092.].

В корпус серийного интерферометра ИТ-28-30 вставлен цилиндр из инвара. С внутренней стороны в основание цилиндра своей рабочей поверхностью опирается зеркало. С наружной стороны на цилиндр опирается промежуточное кольцо из стандартного набора ИТ-28-30. На кольцо опирается своей рабочей поверхностью второе зеркало интерферометра.

На первое зеркало с нерабочей стороны опирается кольцевая пьезокерамика, зафиксированная на оправе из инвара.

Второе зеркало с нерабочей стороны поджато механизмом юстировки ИТ-28-30.

Сканирование осуществляется изменением расстояния между установленными друг напротив друга зеркалами интерферометра с помощью кольцевой пьезокерамики, на которую подается электрическое напряжение заданной формы.

Изменение базы интерферометра в диапазоне от 2,5 до 6 мм осуществляется при помощи смены промежуточного кольца.

Сканирование осуществляется подачей напряжения на пьезокерамику с нужным временным разрешением.

Недостатком прототипа является температурная нестабильность, вызванная применением материалов с различными коэффициентами температурного расширения, нарушение параллельности зеркал за счет неравномерной деформации пьезокерамики под действием электрического сигнала, малая база интерферометра и сложность её изменения за счет конструктивного исполнения устройства.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, в котором минимизирована тепловая нестабильность интерферометра, выполнено расширение базы интерферометра до 30 мм и уменьшена расстройка параллельности зеркал.

Указанный технический результат достигается в сканирующем интерферометре Фабри-Перо на основе ИТ-28-30 включающем: два плоскопараллельных зеркала, где рабочие плоскости установлены одно к другому и опираются на базу из инвара стандартного набора ИТ-28-30, причём подвижное зеркало установлено в обойме упругой диафрагмы, а неподвижное в обойме предварительной подстройки; стандартный набор баз ИТ-28-30, который позволяет устанавливать необходимое расстояние между зеркалами в диапазоне от 0,2 до 30 мм; магнитопровод с катушкой, в котором создается магнитное поле при подаче напряжения, которое участвует в процессе сканирования, смещая подвижное зеркало, за счет упругой деформации диафрагмы.

Также технический результат достигается за счет конструктивного исполнения сканирующего узла прибора в виде моноблока, который включает подвижное зеркало, упругую диафрагму, магнитопровод и катушку.

Температурная стабильность обеспечивается конструктивным исполнением прибора. Схема устройства приведена на фиг. 1. В предлагаемом устройстве, как и в прототипе, зеркала (1) и (4) своей рабочей поверхностью опираются на базу (9), изготовленную из инвара, имеющим минимальный коэффициент температурного расширения. При этом, в отличие от прототипа, каждое из зеркал своей рабочей поверхностью опираются на упорные кольца (12) и обеспечивают положение рабочих поверхностей зеркал в плоскостях опоры на базу упругой диафрагмы подвижного зеркала (5) и базу упругой диафрагмы неподвижного зеркала (2). Таким образом, температурная нестабильность определяется базой интерферометра. Перемещение подвижного зеркала (4) осуществляется за счёт деформации упругой диафрагмы от плоскости опоры на базу интерферометра и уменьшает расстройку параллельности зеркал.

Предлагаемая конструкция обеспечивает температурную стабильность базы интерферометра на уровне стандартного интерферометра ИТ-28-30, и определяется стандартными кольцами базами: т.е.

где L_б - текущее значение базы интерферометра; L₀ - величина стандартной базы интерферометра ИТ-28-30; L_I - смещение подвижного зеркала относительно базы интерферометра; L_Δ- температурная нестабильность базового кольца интерферометра ИТ-28-30.

(1), (4), добавочного кольца (10), кольца угловой подвижки предварительной настройки (3), магнитопровода (6) компенсируется тонкой подстройкой при помощи винта (11).

Расширение базы интерферометра достигается также за счет конструктивного исполнения сканирующей части в виде моноблока (4, 5, 6, 7). Поскольку моноблок выполнен разборным это позволяет оперативно заменять промежуточное (9) и добавочное (10) кольца кольцами из стандартного набора ИТ-28-30 (эталон интерферометра
Фабри-Перо). При имеющемся наборе баз (9) и дополнительных колец (10) стандартного набора ИТ-28-30, устанавливается необходимое разрешение интерферометра (расстояние между зеркалами) и спектр пропускания прибора.

Спектр пропускания интерферометра определяется формулой:

где L₀ - величина стандартной базы интерферометра ИТ-28-30, L_I - смещение подвижного зеркала относительно базы интерферометра.

Изобретение поясняется с помощью фиг. 1.

На фиг. 1. представлен сканирующий интерферометр Фабри-Перо на основе ИТ-28-30, где 1-неподвижное зеркало, 2-обойма упругой диафрагмы неподвижного зеркала, 3-кольцо угловой подвижки предварительной настройки, 4-подвижное зеркало, 5-обойма упругой диафрагмы подвижного зеркала, 6-магнитопровод, 7-катушка, 8-корпус ИТ-28-30, 9-база из набора ИТ-28-30, 10-дополнительное кольцо из набора ИТ-28-30, 11-юстировочный винт тонкой настройки, 12-упорное кольцо.

Сканирующий интерферометр Фабри-Перо на основе ИТ-28-30 работает следующим образом:

Излучение может подаваться в устройство как стороны нерабочей поверхности подвижного зеркала (4), так и неподвижного зеркала (1). В соответствии с принципом работы интерферометра излучение между зеркалами (1) и (4) многократно отражается, давая после выхода из устройства интерференционную картину при условии соблюдения разности фаз между отраженными пучками. Сканирование происходит за счет перемещения зеркала (4), которое происходит следующим образом. Как показано на фиг. 1 зеркало (4) закреплено в обойме упругой диафрагмы (5). При подаче постоянного напряжения на обмотку катушки (7) в магнитопроводе возникает магнитный поток, под действием которого втягивается упругая диафрагма с зеркалом (4). Изменение расстояния между зеркалами 1 и 4 за счет упругой деформации диафрагмы стакана подвижного зеркала приводит к возникновению разности хода между двумя пучками, отраженными от поверхности зеркал 1 и 4. При подборе определённой амплитуды питающего напряжения возникает интерференционная картина.

К устройству может подключатся источник напряжения специальной формы. При подаче амплитудно-модулированного сигнала на обмотку катушки колебательное перемещение подвижного зеркала (4) позволит производить сканирование в спектральном интервале равном диапазону перемещения подвижного зеркала (4).

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 сканирования спектра при спектральном анализе оптического излучения с высокой разрешающей способностью или модуляции света, а также в перестраиваемых по длине волны лазерах. Техническим результатом изобретения является создание устройства, в котором минимизирована тепловая нестабильность интерферометра, выполнено расширение базы интерферометра до 30 мм и уменьшена расстройка параллельности зеркал. Указанный технический результат достигается в сканирующем интерферометре Фабри-Перо на основе ИТ-28-30, включающем: два плоскопараллельных зеркала, где рабочие плоскости установлены одно к другому и опираются на базу из инвара из стандартного набора ИТ-28-30, причем подвижное зеркало установлено в обойме упругой диафрагмы, а неподвижное в обойме предварительной подстройки; стандартный набор баз ИТ-28-30, который позволяет устанавливать необходимое расстояние между зеркалами в диапазоне от 0,2 до 30 мм; магнитопровод с катушкой, в котором создается магнитное поле при подаче напряжения, которое участвует в процессе сканирования, смещая подвижное зеркало, за счет упругой деформации диафрагмы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сканирующий интерферометр Фабри-Перо на основе ИТ-28-30, включающий два плоскопараллельных зеркала, которые своей поверхностью опираются на базу, изготовленную из инвара, отличающийся тем, что каждое из зеркал своей рабочей поверхностью опирается на упорные кольца, причём подвижное зеркало установлено в обойме упругой диафрагмы, а неподвижное в обойме предварительной подстройки.

2. Сканирующий интерферометр по п.1, отличающийся тем, что подвижное зеркало, упругая диафрагма, магнитопровод и катушка выполнены в виде моноблока.