Многолучевой интерферометр Советский патент 1983 года по МПК G01B9/02 G01J3/26 

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и предназначено для прецизионных линейных измерэений, в частности для .измерения абсолютного значения показателя преломления образцовых мер.

Известны многолучевые интерферометры, точность которых не превышает 0,01 А Г13.

Однако при измерении показателя преломления образцовых мер, сличении мер длины и других подобных измерениях метрологического характера необходима более высокая точность, и требования к этому метрологическо,му параметру постоянно растут.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является многолучевой интерференционный гониометр, который предназначен для измерения показателя преломления образцового набора мер 2 Л.

Он состоит из источника монохроматического излучения, коллиматора, многолучевого интерферометра ФабриПеро, состоящего из двух стеклянных Пластин с отрешающими слоями, гонио метра, расположенного между пластинами Фабри-Перо, и фотографического устройства. Измерение коэффициента преломления с помощью прототипа осуществляется следующим образом, Исследуемую пластину устанавливают на столикегониометра и фотографируют- интерференционные картины при трех углах падения лучей важнее. По измеренным диаметрам интерференционных колец рассчитывают оптическую разность хода для осевого луча. Показатель преломления определяют . по измеренным углам падения и рассчитанным порядка интерференции.

Недостатком известного гониометра является невысокая точность измерения, составлягацая 0,01 интерференционной полосы.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в многолучевом интерферометре, содержащем источник монохроматического излучения и по ходу луча два зеркала, образующие интерферометр Фабри-Пёро, гониометр, установленный меиоду зеркалами, перед интерферометром Фабри-Перо установлен поляризатор, а между зеркалами интерфометра Фабри-Перо установлена фазовая пластинка с азимутом оптической оси, повернутым на 45 относительно азимута поляризатора,причем толщина фазовой пластинки пропорциональна разности фаз между орг тогональнс поляризованными составляющими проход)щего света, равной половине ширины интерференционной

полосы, и после интерферометра Фабри-Перо расположены поляризационный компенсатор, электрооптический модулятор с азимутом оптической оси 5 кристаллов, параллельным азимуту поляризатора, анализатор с азимутом пропускания, повернутым на 45° относительно азимута поляризатора, и фотоэлектронный умножитель, выход

Q которого соединен со входом узкополосного усилителя, который подключен к регистрирующему устройству.

На фиг. 1 изображена схема многолучевого интерферометра; на фиг. 2 - амплитуды составляющих луча, а также оптические оси анизотропных элементов, нумерация которых свидетельствует нумерации, приведенной на фиг. 1; на фиг. Э - зависимость выходного сигнала узкополосно0 -го усилителя U от фазового смещения на фиг. 4 - функции Эйри для лучей, поляризованных соответственно в плоскостях сЛ (110) и р (110), а также аппаратная функ

5 ция устройства U f().

Устройство состоит из источника монохроматического излучения 1, поляризатора 2, зеркал интерферометра Фабри-Перо 3 и 4, фазовой пластинки

0 5, гониометра 6, на столике которого установлена исследуемая пластина 7, поляризационный компенсатор, например компенсатор Бабине 8,электрооптического модулятора 9, анализа5 тора 10 диафрагмы 11, фотоэлектронного умножителя 12, узкополосного усилителя 13 и регистрирующего устройства 14.

Многолучевой интерферометр рабо0 тает следующим образом.

Линейно поляризованный луч с азимутом электрического вектора О, входящий в интерферометр Фабри-Пес POf образует благодаря фазовой

пластинке 5 две ортогональные линей но поляризованные составляющие, причем оптический путь их различный. Толщина фазовой пластинки 5 подобрана таким образом, чтобы меж ду составляющими луча образовался фазовый сдвиг, равный половине относительной ширины интерференционной полосы {/М./2 на фиг. 4 ). Обе ортогональные составляющие, поляризован5 ные в плоскостях оС(110) и р .(110) соответственно, образуют две независимые интерференционные картины, которые смещены относительно друг друга на ширину полосы /и.

0 (.фиг. 4 ). Осевой луч на выходе интерферометра в общем случае эллиптически поляризован с эллиптичностью, которая зависит от фазового смещения yu . Отношение интенсивностей

5 ортогональных составляющих зависит от разности фаз лучей в интерферометре еГ , т.е. от оптической длины интерферометра 6 Un . ПриЕ2 Ы-|+ , поэтому имеем е., Ы1У 2 обе интенсивности равны, и если эллиптичность выходного луча в процес се настройки скомпенсирована с помощью компенсатора Бабине 8, то на выходе интерферометра имеет место линейно поляризованный луч с азимутом электрического вектора 0°. Увеличение оптической длины интерфе рометра приводит, к одинаковому фазовому смещению «Лдля обеих составЛЯЮ111.ИХ. Небольшое изменение фазы на угол сЛприводит к значительному увеличению амплитуды А g, и к такому же уменьшению амплитуды Ayj (фиг, 2) что является причиной значительногр ;Поворота плоскости поляризации лу,ча на выходеинтерферометра. Если интенсивность обоих составляющих луча, лежащих в плоскостях oL и Д,. одинакова и в максимуме равна р , то в рабочей точке интерферометра, где крутизна функции Эйри максималь на, обе интенсивности равны 1-й амплитуды равны А А п f3 . При увеличении с имеем(фиг. 2): () ; otf-V) ; ,1 ,- . Таким образом, небольшое изменение фазы с не вызывает изменения суммарной амплитуды, однако приводи к значительному повороту плоскости поляризации на угол сЛ 45 f - , g г «rct -- « ГС t Л причем X 2к Г и к - крутизна функ ции Эйри в рабочей точке. Из (3 на ходим:. ; j (1ТГГ- тГмГ) i cos ft) Волновая функция луча после элё рооптического кристалла 9, азимут оптической оси которого О, имеет ГА, ь J ч 14 J (1Й74-ПГ7) Ajj Aco3a А Л51ПД 6 у + 6jj 51 п ( 7 I, где - частота модуляции, Интенсивность луча после анализатора 10, плоскость поляризации которогоимеет азимут 45°, равна. 3( ё) . Перед ФЭУ 12 установлена диафрагма 11 с диаметром ф- 0,1 мм с целью, чтобы в измеренйи участвовал только, осевой луч. Если узкополосный.усилитель 13 настроен на первую гармонику, то на выходе имеем сигнал с амплитудой, равной Ц 4Л{, Э (6о ) Относительная ширина интерференционной полосы /U и крутизна 1 связаны с коэффициентом отражения зеркал ClЗг 1 р 2 Тр 1 Yf 1 -р Если р 0,96, то :/и 0,04,. / Если р 0,9-8, то /и 0,02,. Для того, чтобы исключить влияние искажения состояния поляри.зации луча при падении на наклонную пластину, необходимо,, чтобы ось вргицения столика гониометра была перпендикулярна плоскости нулевого азимута, которая совпадает с плоскостью падения лура на исследуемую пластину. В многолучевом интерфометре не имеет места измерение разности хода произвольной величины, а производится установка таких углов падения луча на исследуемую пластину - Q , при которых- -разность хода, изменяется на Мд, причем острота аппаратной функции :jU2 {(cTI (фиг. 4 I в рабочих точках позволяет фиксировать интервалы фазовых смещений кратных 2я с точностью + 1-10 рад., что позволяет повысить точность измерений показателя преломления исследуемых пластин. Кроме того, многолучевой интерферометр может.найти применение в системах автоматическсэй подстройки положения зеркал резонаторов, для контроля вариаций коэффициента преломления сред, заполняющих интерферометр, который может быть связан с температурой, плотностью, концентрацией примесных атомов, напряхсенностью электр.ического.или магнитного поля и т.д.

5.8,10

Ay I

иг.З

1 JL JjiiB