Оптический фильтр Фабри-Перо Советский патент 1992 года по МПК G01J3/26 

т Ш

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Цель изобретения - повышение спектрального разрешения и стабильности частоты пропускания. Для этого в устройстве реализовано сравнение частоты пропускания вспомогательного

фиг.1

СП

4 ND

3154

интерферометра 5 с частотой источника 29 эталонного излучения. При этом стабильность оптической длины промежутков между зеркалами основного интерферометра 10 достигается за счет обеспечения стабильности фаз интерферограмм излучения источника белого света. Для этого в оптический фильтр Фабри-Иеро введены источ- (пик 29 эталонного излучения,, диафрагма 4, делитель 6 спектра, пред- Монохроматор 15 и дополнительный пье«- эоэлектрический элемент 9. Пьезоэлектрический элемент 9 обеспечи- Вает перемещение подвижного зерка-

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению может быть использовано в экспериментальной астрофизике, метеорологии, при спектральном анализе излучения лабораторных источников.

Цель изобретения - повышение спектрального разрешения и стабильности частоты пропускания.

На фиг. 1 приведена структурная схема разработанного оптического фильтра Фабри-Перо; на фиг. 2 - вариант структурной схемы светорасщепи- теля; на фиг. 3 - вариант структурной схемы делителя спектра, i Стабилизированный оптически фильтр Фабри-Перо (фи1, 1) содержит последовательно установленные на оптической оси источник 1 белого света, блок 2 сложения, конденсор 3, диафрагму 4, вспомогательный интерферо™ метр 5 Фабри-Перо и делитель 6 спектра. Интерферометр 5 включает установленные параллельно друг другу и перпендикулярно оптической оси неподвижное зеркало 7 и нодямжное зеркало 8, на котором укреплен пьезоэлектрический элемент 9. Основной интерферометр

10Фабри-Перо включает установлен- . иые параллельно неподвижное зеркало

11и подвижное зеркало 12, по периметру которого укреплены три идентичных пьезоэлектрических элемента 13 (на фиг. 1 показан один пьезоэлектрический элемент 13).-Перед интерферометром 10 установлен светорасщепи- тель 14, оптически связанный с пред- монохроматором 15, и делитель 6 Спектра, С подвижным зеркалом 12 оп

ла 8 вдоль оптической оси по пилообразному закону с амплитудой /},/2, где Лэ- длина волны излучения источника 29 эталонного излучения. При этом подвижное зеркало 8 обеспечивает перестройку по частоте пропускания интерферометра 5 и, следовательно, перестройку частоты прошедшего через интерферометр 5 излучения от источника 1. Тем самым обеспечивается постоянство оптической длины промежутка вспомогательного интерферометра 5 с точностью, определяемой стабильностью частоты эталонного источника 29. 3 ил.

5

5

0

5

0

5

тически связаны три фотодетектора 16, каждый из которых установлен напротив соответствующего пьезоэлектрического элемента 13. Выход каждого фотодетек- тора 16 через последовательно соединенные селективный усилитель 17, фазовый детектор 18 и операционный усилитель 19 подключен к входу соответствующего пьезоэлектрического элемента 13. К неинвертирующему входу каждого операционного усилителя 19 подключен соответствующий управляемый источник 20 опорного напряжения (на фиг. 1 показана одна, цепь, содержащая фотодетектор 16, селективный усилитель 17, фазовый детектор 18 и операционный усилитель 19, а также один управляемый источник 20 опорного напряжения). На выходе делителя 6 спектра установлен фотодатек- тор 21, выход которого через последовательно соединенные селективный усилитель 22, фазовый детектор 23, операционный усилитель 24 и сумматор 25 подключен к входу пьезоэлектрического элемента 9. К неинвертирующему входу операционного усилителя 24 подключен управляемый источник 26 опорного напряжения, а выход селективного усилителя 22 соединен также с опорными входами всех фазовых детек- второв 18. Блок 27 синхронизации соединен с опорным входом фазового детектора 23 и входом модулятора 28, а яыход последнего подключен к второму входу сумматора 25. Источник 29 эталонного излучения оптически сопряжен через блок 2 сложения с источником 1 белого света.

10

15

20

51542202

Источник 1 белого света установлен в фокусе конденсора 3 и предназначен для формирования вспомогатель- ных интерферограмм интерферометра 10. Источник 1 характеризуется постоянной интенсивностью в пределах дисперсии интерферометра 10. В качестве источника 1 может быть использована, например , лампа накаливания.

Блок 2 сложения предназначен для оптического сопряжения источников 1 и 29.. В качестве блока 2 может быть использовано, например, полупрозрачное зеркало.

В Качестве конденсора 3 может быть использована, например, собирательная линза.

Диафрагма 4 предназначена для совмещения фронтов излучения источников 1 и 29. Диафрагма 4 может быть выполнена, например, тз виде непрозрачного экрана с круглым отверстием, диаметр которого не превышает диаметра волнового фронта излучения источников 1 и 29.

Пьезоэлектрические элементы 9 и 13 могут быть выполнены, например, в виде стандартных пьезоэлектрических элементов тшта ЛУ-5.

Светорасщепитель 14 предназначен для преобразования пучка лучей от источника 1 белого света в три параллельных пучка. Светорасщепитель 14 (фиг. 2) содержит оптически связанные собирательную короткофокусную линзу 30, длиннофокусную собиратель- ную линзу 31, экран 32 с тремя круглыми отверстиями и три идентичных поворотных зеркала 33, установленные каждое напротив соответствующего отверстия экрана 32 под углом 1Г/4 к оп- тической оси светорасщепителя 14.

25

30

35

40

1 у

п р ф н т

ны н мы ф ра

дл но ин си В мо фа

пр ло

Делитель 6 спектра предназначен для пространственного разделения пучков излучения источников 1 и 29, Делитель 6 (фиг. 3) содержит оптически связанные полупрозрачные зеркало 34, оптический фильтр 35, не пропускающий излучение источника 1, и оптический фильтр 36, не пропускающий излучение источника 29.

Предмонохроматор 15 предназначен для выделения одного порядка интерференционной картины источника 1 белого све, а. В качестве предмонохро- матора 15 может быть использован, например, интерференционный оптический фильтр, Ширина полосы определяется условием

-it 2d

ЛЛ

где d - длина промежутка между зеркалами 7 и 8 интерферометра 5j Д, - длина волны пропускания

предмонохроматора 15, значение которой бпределяется чувствительностью фотодетектора 16.

В качестве фотодетекторов 16 могут - быть использованы, например, фотодетекторы типа ФД-25. Число фотодетекторов 16 выбрано из условия однозначной установки положения зеркал интерферометра 10.

Селективные усилители 17 и 22 предназначены для выделения из электрических сигналов соответствующих фотодетекторов 16 и 21 составляющей на частоте первой гармоники модулятора 28.

Фазовые детекторы 18 предназначены для получения сигналов, i.,;. рцио- нальных смещению фазы интерферограм- мы интерферометра 10 относительно фазы интерферограммы интерферометра 5.

Фазовый детектор 23 предназначен для получения сигнала, проиорциональ- ного смещению фазы интерферограммы интерферометра 5 относительно фазы сигнала блока 27 синхронизации. В качестве фазовых детекторов t8 и 23 могут быть использованы, например, фазометры типа Ф2-13.

Оиерацибнные усилители 19 и 24 предназначены для формирования сигналов коррекции положения зеркал 11,12

и 7,8 соответственно интерферометра 10 и интерферометра 5. Коэффициенты усиления усилителей 19 и 24 определяются заданной нестабильностью разработанного оптического фильтра

и составляют приблизительно 10. Управляемые источники 20 и 26 опорных напряжений предназначены для формирования напряжений предварительной настройки соответственно интер- i

фербметров 10 и 5. Источники 20 и 26 могут включить последовательно соединенные источник постоянного напряжения (например, типа Б5-30) и реостат.

Длина d промежутка между зеркалаи 7 и 8 интерферометра 5 определяется заданным спектральным разрешеием оптического фильтра,.

,N

где Aj центральная длина волны исследуемого источника излучения;. J0 ЛМг- заданное спектральное разрешение ;

N - число эффективно интерфери рующих лучей (зависит от качества используемых зеркал).} Нлок 27 синхронизации предназначен для формирования сигнала синхрониза- ции модулятора 28, используемого в качестве опорного для фазового детектора 23. В качестве блока 27 синхро- 20 низацин может быть использован, например, генератор типа ГЗ-112/1. Модулятор 28 предназначен для формирования пилообразного напряжения с периодом, равным периоду первой 25 гармоники сигнала блока 27 синхрони- С эадии, и амплитудой Ла/2, где Д,- центральная длина волны излучения источника 29.

В качестве источника 29 эталонно- 30 го излучения может быть использован, например, стабилизированный по часто- те лазер типа ЛГН-302 с нестабильностью частоты cfVj/ Oy-10 10 9 .

Оптический .фильтр Фабри-Перо ра 35 ботает следующие: обрлзом,

Блок 2 обеспечивав, сложение рас- ходящихся пучков излучения источников и 29. Конденсор 3 формирует из расходящегося пучка излучения парал- 40 лелышй пучок. Диафрагма 4 осуществляет ограничение этого пучка так, что в каждой точке рабочего сечения вспомогательного интерферометра 5 присутствует в одинаковой пропорции 45 излучение источников 1 и 29, Интерферометр 5/формирует интерферограммы одновременно двух источников излуче ния: источника 1 белого света и источника 29 эталонного излучения. По- ел движное зеркало 8, пьезоэлектрический элемент 9, модулятор 28 и блок 27 синхронизации обеспечивают считьша- яие одного периода интерферограммы излучения источника -29. Для этого пьезоэлектрический элемент 9 обеспечивает перемещение подвижного зерка- ла 8 вдоль оптической оси по пилообразному закону с -амплитудой Аэ/2,

55

.

0 5 С

0

5

0 5 л

где Д3 длина волны излучения Источника 29. Модулятор 28, синхронизируемый блоком 27, формирует пилообразное напряжение, управляющее пьезоэлектрическим элементом 9. Одновременно подвижное зеркало 8 обеспечивает перестройку по частоте пропускания интерферометра 5 и, следовательно, перестройку частоты прошедше го через интерферометр 5 излучения от источника 1. Делитель 6 спектра обеспечивает разделение пучков излучения источников 1 и 29, прошедших через интерферометр 5. Излучение ис- точника 29 направляется на фотодетектор 21, а излучение источника 1 направляется через предмонохроматор 15, светорасщепитель 14 и основной интерферометр 10.на фо.тодетекторы 16, Фотодетекторы 21 и 16 осуществляют преобразование световых сигналов в электрические. Селективный усилитель 22 и фазовый детектор 23 обеспечивают измерение фазы первой гармоники в электрическом сигнале на выходе фотодетектора 21. Период этой гармоники равен периоду считывания интерферограммы на выходе интерферометра 5. Фаза у первой i гармоники электрического сигнала на выходе фотодетектора 21 связана с длиной Д волны источника 29 соотношением. .

v,

Усилитель 24 вырабатывает сигнал кор рекции взаимного положения черкал 7 и 8. Устойчивое Состояние цепи, вклю чающей элементы 5,21 - 28 соответствует постоянной фазе интерферограммы излучения источника 29, т.е.

Vn 2ff-|- const.

Поскольку

А - С

л гп

где с - скорость света я вакууме; .Vj частота излучения источника 29;

п - коэффициент преломления среды ,

5

то

откуда

4 3 2ff-- S Vj const,

-

const

Следовательно, в разработанном опти ческом фильтре обеспечивается постоянстпо оптическом длины промежутка вспомогательного интерферометра 5 с точностью определяемой стабильностью частоты эталонного источника 29.

Сумматор 25 предназначен для исключения взаимного ваияния модулятора 28 и операционного усилителя 24, связанных с пьезоэлектрическим элементом 9, и обеспечивает аддитивное сложение сигналов, поступающих на его входы.

Основной интерферометр 10 Фабри- Перо обеспечивает спектральную фильт рацию анализируемого оптического сигнала, т.е. селективное пропускание излучения со строго определенным набором частот.

Модулированное по частоте излучение источника 1 на выходе основного интерферометра 10 становится модулированным по интенсивности. При этом иредмонохроматор 15 обеспечивает прохождение излучения лишь на одной резонансной частоте интерферометра 5.

Светорасщепитедь 14 формирует три идентичных по спектральному составу пучка лучей, проходящих через основной интерферометр 10. Селективные усилители 1 выдепякн из электрических снгналог на выходах фотодсчекто- ров 16 первые гармоники электрических сигналов, период которых равен периоду модуляцтя промежутка вспомогательного интерферометра Ь. Фазовые детекторы 18 (Ьирмир нл CHI налы, пропорциональные цвигам фаз сигналов на выходах селективных усилителей 17 и селективного усилителя 22. При этом фазы vm первых гармоник электрических сигналов на выходах селективных усниит лей 17 определяются соотн чтением

2d ,

/1 m

где Am 2d0/m - длина рулка

моды по - ш основного пит егн ерометpa 10; 1 о длина промежутка ос- новно о интерферометра 10.

Усилители 19 вырабатывают сигналы коррекции взаимного положения зеркал 11 и 12. При помощи блоков 16, 17,18,13 аналогично тому, как это производится в интсрферомгчре 5, осществляется подлЕ ржаш1,1 оянстви фазы интерферогр- н источника 1 на ,р г1 р ромет-

ра 10. Поскольку постоянство фазы и in ерфсрограмм иоднгржия ютеч в тргх точках апертуры, Фаза постоянна по Всему рабочему сечению основного интерферометра 10, т.е.

В результате

УП, conet.

10

-r2d- m

2 --- const,

так как

, const

,

V3n

TO

15

0

5

0

5

0

5

0

5

do n const

m V3

Однозначность m обеспечивается предмонохроматором 15. В результате в основном интерферометре 10 также с точностью, соответствующей стабильности частоты эталонного источника 29, обеспечивается постоянство оптической длины промежутка (d0n const).

Для перестройки частоты пропускания оптического фильтра Фабри-Неро необходимо при помощи управляемого источника 26 опорного напряжения изменить напряжение на неинвертирующем входе усилителя 24. В результате на выходе этого усипит ля возникает сигнал коррекции длины промежутка между зеркалами 7 и 8 интерферометра 5, что приводит к смещению фазы сигнала на выходе селективного усплпюля 22. При этом на выходах фазовых детекторов 18 возникают напряжения, соответствующие сдвигу фаз сигналов с выходов селективных усилителей 17 и 22, а на выходах усилителен 19 формируются сигналы коррекции длины промежутка между Зеркалами 11 и 12 Основного и терферомет- ра 10.

Предварительная настройка параллельности зеркал 11 и 12 интерферометра 10 осуществляется улировкой уровней опорного напряжения источников 20.

Формула изобретения Оптический фильтр Фабри-Перо, содержащий расположенные послецователь- но на одной оптической источник i белого света, конденсор, чспомога- тельный интерферометр Оабри-Перо, включающий два зеркала, на одном из которых закреплен пьезоэлектрический элемент, сяеторасшопитеш, и ш-поп11154

ной интерферометр Фабри-Перо, вклю- чайщий подвижное зеркало, но пери- Metpy которого закреплены три пьезоэлектрических элемента, и неподвижно зеркало, при этом каждый из трек выходов светорасщепителя оптически связан с входом соответствующего фотодетектора, фотодетекторы pacno- j ложены по ходу луча за основным ин те(ферометром напротив соответствую- гаи пьезоэлектрических элементов,, к вхфду каждого фотодетектора подключен выход соответствующего операционного усилителя, отличающийся

разрешения и стабильности частоты пропускания, в него дополнительно введены источник эталонного излучений, блок сложения, диафрагма, делитель спектра, предмонохроматор четвертый фотодетектор, блок синхронизации, модулятор, сумматор и четвертый операционный усилитель, сумматор уп- раВляемый источник опорного напряжений, четыре селективных усилителя, четыре фазовых детектора, три источ- HHijca опорного напряжения, четвертый операционный усилитель, при этом источник эталонного излучения через блок сложения оптически сопряжен с источником белого света, диафрагма установлена йежду конденсатором и вспомогательным интерферометром Фаб- ри+flepo, зеркала кото рого установлены перпендикулярно оптической оси, при этом одно Из них установлено,с возможностью перемещений вдоль оптической оси, выход вспомогательного интерферометра оптически связан с вхо

5

0

5

0

5

0

12

дом делителя спектра, первый вычод которого через предмонохроматор оптически связан с первым входом светорасщепителя , а второй выход делителя спектра оптически связан с входом четвертого фотодетектора, выход которого через четвертый селективный уои- литель подключен к опорным входам первого, второго и третьего фазовых детекторов и к сигнальному входу четвертого фазового детектора, выход последнего соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход и выход которого соединены соответственно с йыходом управляемого источника опорного напряжения и с одним из входов сумматора, выход которого соединен с пьезоэлектрическим элементом вспомогательного интерферометра, выход блока синхронизации подключен к опорному входу четвертого фазового детектора и к входу модулятора, а выход последнего соединен с вторым входом сумматора, выходы первого, второго и третьего фотодетекторов через соответствующие первый, второй и третий се яективные усилители подключены к сигнальным входам первого, второго и третьего фазовых детекторов, выходы . которых соединены с инвертирующими входами соответствующих первого, второго и третьего операционных усилителей, к неинвертирующим входам которых подключены соответствующие управляемые источники опорного напряжения, а выходы соединены с соответствующими пьезоэлектрическими элементами основного интерферометра.

Редактор Л.Курасова

Фиг.З

Составитель Г.Воробьева

Техред Л.Сердюкова КорректорО.Ципле

Заказ 2311

Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Подписное