RU2697892C1 - Two-beam interferometer - Google Patents
Two-beam interferometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2697892C1 RU2697892C1 RU2018127048A RU2018127048A RU2697892C1 RU 2697892 C1 RU2697892 C1 RU 2697892C1 RU 2018127048 A RU2018127048 A RU 2018127048A RU 2018127048 A RU2018127048 A RU 2018127048A RU 2697892 C1 RU2697892 C1 RU 2697892C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light beam
- angle
- photodetector
- collimated light
- mirror
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/0209—Low-coherence interferometers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к оптической голографии и предназначено для формирования периодических интерференционных картин, которые применяются, например, в интерференционной литографии для записи голографических дифракционных решеток, плоских и гофрированных, создания периодических структур различной размерности (одно-, двух- и трехмерных), в том числе фотонных кристаллов различных кристаллических симметрий, для реализации статических Фурье-спектрометров, используемых в спектральном анализе, для создания брэгговских зеркал, частотных и поляризационных фильтров в оптических волокнах, волноводах и фотогальванических материалах, для управления частотой генерации лазеров с распределенной обратной связью, для целей кодирования, декодирования и хранения информации и в других областях.The claimed invention relates to optical holography and is intended for the formation of periodic interference patterns, which are used, for example, in interference lithography to record holographic diffraction gratings, flat and corrugated, to create periodic structures of various dimensions (one-, two- and three-dimensional), including photonic crystals of various crystalline symmetries, for the implementation of static Fourier spectrometers used in spectral analysis, to create Bragg mirrors , frequency and polarization filters in optical fibers, waveguides and photovoltaic materials, for controlling the frequency of generation of distributed feedback lasers, for the purpose of encoding, decoding and storing information and in other areas.
Известно техническое решение, реализуемое в изготовлении трехмерной дифракционной решетки [Патент US 3507564, "Method of making a tree-dimensional diffraction grating", МПК G02B 5/18, опубликовано 21.04.1970], состоящее в том, что коллимированный пучок монохроматического света направляют на наклонную светоделительную пластину, расщепляющую этот пучок на отраженный и проходящий парциальные световые пучки, на пути этих пучков устанавливают два зеркала, направляющие их к блоку из фоточувствительного материала, в котором парциальные световые пучки взаимно перекрываются, формируя в области перекрытия эквидистантные интерференционные полосы. Интервал между полосами варьируют путем изменения угла схождения парциальных световых пучков, что осуществляется путем вращения двух зеркал во взаимно противоположных направлениях вокруг осей, перпендикулярных плоскости падения. При изменении угла схождения область перекрытия парциальных световых пучков перемещается, и положение блока из фоточувствительного материала корректируют так, чтобы эта область располагалась внутри него.A known technical solution implemented in the manufacture of a three-dimensional diffraction grating [Patent US 3507564, "Method of making a tree-dimensional diffraction grating", IPC
Недостатками известного технического решения являются, сложность эксплуатации, обусловленная тем, что угол схождения задают с неравномерной дискретностью путем взаимно независимой юстировки двух зеркал и дополнительно производят выравнивание длин оптических путей парциальных световых пучков, а блок из фоточувствительного материала перемещают в соответствии с изменением угла схождения, большие габариты устройства при малых (менее 30°) значениях угла схождения парциальных световых пучков, в-четвертых, его высокая чувствительность к вибрациям из-за наличия юстируемых зеркал.The disadvantages of the known technical solutions are the complexity of operation due to the fact that the convergence angle is set with uneven discreteness by mutually independent alignment of two mirrors and additionally align the optical paths of the partial light beams, and the block of photosensitive material is moved in accordance with a change in the convergence angle, large the dimensions of the device at small (less than 30 °) values of the angle of convergence of partial light beams, fourthly, its high sensitivity to Librations due to the presence of adjustable mirrors.
Известно также техническое решение, представленное в двухлучевом интерферометре [Патент РФ на изобретение №2626062, «Двухлучевой интерферометр», МПК G02B 5/18, G02B 5/32, опубликовано 21.07.2017], состоящее в том, что оно осуществляется в виде двухлучевого интерферометра, который устанавливается на основании с возможностью вращательного движения и содержит светоделительный элемент, два зеркала и светочувствительный элемент, закрепленные неподвижно и оптически связанные с источником коллимированного светового пучка. В качестве светоделительного элемента рассматривается светоделительный кубик, составленный из двух 90-градусных призм, плотно соединенных своими плоскими гипотенузными поверхностями, и встроенного между ними делительного зеркала. Благодаря зеркальной симметрии светоделительного кубика относительно плоскости делительного зеркала его выходные поверхности оказываются зеркально-симметричными относительно этой плоскости. Также симметрично устанавливаются два зеркала. В результате двухлучевой интерферометр представляет собой жесткую зеркально-симметричную конструкцию, обеспечивающую его высокую виброустойчивость.There is also a technical solution presented in a two-beam interferometer [RF Patent for the invention No. 2626062, “Two-beam interferometer”, IPC G02B 5/18, G02B 5/32, published July 21, 2017], consisting in the fact that it is implemented as a two-beam interferometer , which is mounted on the base with the possibility of rotational movement and contains a beam splitting element, two mirrors and a photosensitive element fixed motionless and optically coupled to a collimated light beam source. As a beam splitting element, a beam splitting cube composed of two 90-degree prisms tightly connected by their flat hypotenuse surfaces and a dividing mirror built between them is considered. Due to the mirror symmetry of the beam splitting cube relative to the plane of the dividing mirror, its output surfaces turn out to be mirror-symmetrical with respect to this plane. Two mirrors are also installed symmetrically. As a result, the two-beam interferometer is a rigid mirror-symmetric design, providing its high vibration resistance.
Вошедший в светоделительный кубик коллимированный световой пучок расщепляется делительным зеркалом на два идентичных парциальных световых пучка. Два зеркала устанавливаются на пути этих пучков, выходящих из светоделительного кубика, и отражают их по направлению друг к другу так, чтобы они взаимно перекрывались под заданным углом схождения, определяемым углом падения коллимированного светового пучка на входную поверхность светоделительного кубика и углом наклона зеркал к плоскости делительного зеркала. Зеркальная симметрия двулучевого интерферометра обеспечивает взаимную симметрию парциальных световых пучков, благодаря чему разность хода между их осями всегда равна нулю. Как следствие периодическая интерференционная картина, формирующаяся в области взаимного перекрытия парциальных световых пучков, также симметрична относительно плоскости делительного зеркала, и точке пересечения осей этих пучков соответствует 0-й порядок интерференции. Светочувствительный элемент помещается внутри упомянутой области перекрытия.The collimated light beam entering the beam splitting cube is split by a dividing mirror into two identical partial light beams. Two mirrors are installed in the path of these beams emerging from the beam splitter cube and reflect them towards each other so that they mutually overlap at a given angle of convergence, determined by the angle of incidence of the collimated light beam on the input surface of the beam splitter and the angle of inclination of the mirrors to the plane of the splitter mirrors. The mirror symmetry of the two-beam interferometer provides mutual symmetry of the partial light beams, due to which the path difference between their axes is always zero. As a result, the periodic interference pattern formed in the region of mutual overlap of the partial light beams is also symmetrical with respect to the plane of the dividing mirror, and the 0th order of interference corresponds to the intersection point of the axes of these beams. The photosensitive element is placed inside said overlap area.
Вращательное движение основания сопровождается изменением угла падения коллимированного светового пучка на входную поверхность светоделительного кубика и соответствующим изменением угла схождения парциальных световых пучков, что обеспечивает возможность непрерывного управления пространственным периодом интерференционной картины. Ось вращения ориентируется перпендикулярно плоскости падения коллимированного светового пучка на делительное зеркало и располагается так, чтобы при вращении основания и связанных с ним углового и линейного перемещений коллимированного светового пучка по этому зеркалу положение интерференционной картины относительно светочувствительного элемента стабилизировалось внутри отрезка, малого по сравнению с ее длиной вдоль плоскости делительного зеркала. Вращательное движение осуществляется приводом, который управляется сигналами, формируемыми блоком управления. Исполнение двухлучевого интерферометра в форме жесткого оптомеханического блока придает ему высокую виброустойчивость.The rotational motion of the base is accompanied by a change in the angle of incidence of the collimated light beam on the input surface of the beam splitter cube and a corresponding change in the angle of convergence of the partial light beams, which makes it possible to continuously control the spatial period of the interference pattern. The axis of rotation is oriented perpendicular to the plane of incidence of the collimated light beam on the dividing mirror and is positioned so that when the base and the angular and linear displacements of the collimated light beam are rotated along this mirror, the position of the interference pattern relative to the photosensitive element is stabilized inside a segment that is small compared to its length along the plane of the dividing mirror. Rotational motion is carried out by the drive, which is controlled by signals generated by the control unit. The performance of a two-beam interferometer in the form of a rigid optomechanical unit gives it high vibration resistance.
К недостаткам известного технического решения можно отнести сложность конструкции: наличие двух зеркал приводит к увеличению массогабаритных характеристик интерферометра, особенно при угле схождения, значения которого лежат в наиболее востребованном интервале 0°-30°.The disadvantages of the known technical solution include the complexity of the design: the presence of two mirrors leads to an increase in the mass-dimensional characteristics of the interferometer, especially at a convergence angle, the values of which lie in the most popular range of 0 ° -30 °.
Известно техническое решение, реализуемое в системе с интерференционным фильтром, предназначенной для распознавания радиосигналов [Patent US 4597630 "Self-derived reference beam holography using a dove prism", МПК G03H 1/06, G03H 1/12, G02B 27/10, G02B 27/46, опубликовано 01.07.1986]. Техническое решение в той его части, которая касается устройства для расщепления пучка, осуществляется в виде двухлучевого интерферометра. В нем сведение парциальных световых пучков, образующихся в устройстве расщепления, на предустановленной плоскости, например, на фотоприемнике осуществляется посредством преломления данных пучков на выходных поверхностях этого устройства. Как следствие, из конструкции интерферометра исключаются зеркала, обычно используемые для выполнения функции сведения, и интерферометр в полном своем исполнении представляет собой единичный оптический блок, не подверженный воздействию механических вибраций и совмещающий в себе две функции: расщепление исходного коллимированного светового пучка на два парциальных и последующее их сведение на фотоприемнике.A technical solution is known that is implemented in a system with an interference filter designed to recognize radio signals [Patent US 4597630 "Self-derived reference beam holography using a dove prism", IPC
В предпочтительном исполнении устройство расщепления составляется из двух идентичных 90-градусных призм, первой и второй, изготовленных из прозрачного материала, плотно соединенных между собой гипотенузными (или базовыми, как они названы в аналоге) поверхностями так, чтобы образовать собой симметричный относительно них оптический блок. Как альтернатива рассматривается аналогичный блок из двух призм Дове, представляющих собой соответствующие 90-градусные призмы, усеченные со стороны прямого угла. Между базовыми поверхностями помещается пленка из диэлектрического материала с показателем преломления меньшим, чем таковой у материала призм, чтобы исключить полное внутреннее отражение на базовой поверхности и обеспечить частичное пропускание и частичное отражение падающего на пленку излучения. Следовательно, поверхность раздела между первой и второй призмами служит в устройстве расщепления делительным зеркалом.In a preferred embodiment, the splitting device is composed of two identical 90-degree prisms, the first and second, made of a transparent material, tightly interconnected by the hypotenous (or basic, as they are called in analogue) surfaces so as to form an optical unit symmetrical with respect to them. As an alternative, a similar block of two Dove prisms, representing the corresponding 90-degree prisms, truncated from the right angle, is considered. A film of dielectric material is placed between the base surfaces with a refractive index lower than that of the prism material to exclude total internal reflection on the base surface and to provide partial transmission and partial reflection of the radiation incident on the film. Therefore, the interface between the first and second prisms serves as a splitting mirror in the splitting device.
Исходный коллимированный световой пучок направляется на входную поверхность первой призмы под углом падения θ таким образом, чтобы после преломления на ней этот пучок падал на базовую поверхность данной призмы, обычно вблизи средней точки ее продольной длины. Делительное зеркало расщепляет исходный пучок на два парциальных световых пучка, называемые для удобства сигнальным и опорным. Сигнальный пучок отражается от этого зеркала по направлению к выходной поверхности первой призмы, а опорный пучок проходит через него к выходной поверхности второй призмы. После преломления на выходных поверхностях оба пучка направляются друг к другу под углом схождения 2α и взаимно перекрываются на плоскости фотодетектора, образуя на ней интерференционную картину с периодомThe initial collimated light beam is directed to the input surface of the first prism at an angle of incidence θ so that after refraction on it this beam falls on the base surface of this prism, usually near the midpoint of its longitudinal length. The dividing mirror splits the initial beam into two partial light beams, called for convenience signal and reference. The signal beam is reflected from this mirror towards the output surface of the first prism, and the reference beam passes through it to the output surface of the second prism. After refraction at the output surfaces, both beams are directed to each other at an angle of convergence of 2α and mutually overlap on the photodetector plane, forming an interference pattern on it with a period
где λ - длина волны излучения в исходном пучке, α=θ-45°. Из последнего равенства следует, что такое перекрытие становится возможным, если θ>45°.where λ is the radiation wavelength in the initial beam, α = θ-45 °. From the last equality it follows that such an overlap becomes possible if θ> 45 °.
В представленной данным техническим решением системе для записи и распознавания сигнальной информации интерферометр предназначен, во-первых, для записи интерферограммы исходного пучка, подвергнутого модуляции тестовым радиосигналом посредством акустооптического модулятора, которую впоследствии используют в качестве тестового интерференционного фильтра, во-вторых, для распознавания внешнего радиосигнала, которым произведена модуляция исходного пучка, путем сравнения его с тестовым радиосигналом.In the system for recording and recognizing signal information provided by this technical solution, the interferometer is designed, firstly, to record the interferogram of the initial beam, subjected to modulation by a test radio signal by means of an acousto-optical modulator, which is subsequently used as a test interference filter, and secondly, to recognize an external radio signal which modulated the original beam by comparing it with a test radio signal.
Такое сравнение выполняется с помощью записанного заранее тестового интерференционного фильтра, помещаемого в позиции, где была произведена его запись, на пути сигнального пучка при блокировании опорного пучка. Наличие или отсутствие дифрагированного на данном фильтре оптического излучения указывает, является ли принятый радиосигнал совпадающим с тестовым или нет. Необходимость формирования дифрагированного пучка в процессе опознавания принятого радиосигнала требует, чтобы взаимное положение интерферометра и исходного пучка во время выполнения этой операции точно совпадало с таковым во время записывания тестового интерференционного фильтра. Последнее означает, что интерферометр и исходный пучок должны быть взаимно неподвижными.This comparison is performed using a pre-recorded test interference filter placed at the position where it was recorded on the signal beam path when the reference beam is blocked. The presence or absence of optical radiation diffracted on this filter indicates whether the received radio signal matches the test signal or not. The need to form a diffracted beam in the process of recognizing a received radio signal requires that the relative position of the interferometer and the source beam during this operation exactly coincide with that during recording of the test interference filter. The latter means that the interferometer and the source beam must be mutually immobile.
Недостатком данного технического решения является невозможность управления периодом интерференционной картины, формируемой в области взаимного перекрытия сигнального и опорного пучков, вследствие фиксированного значения угла падения θ и соответственно фиксированного значения угла схождения 2α данных пучков, как это следует из приведенного выше соотношения α=θ-45°.The disadvantage of this technical solution is the inability to control the period of the interference pattern formed in the area of mutual overlap of the signal and reference beams, due to a fixed value of the angle of incidence θ and, accordingly, a fixed value of the convergence angle 2α of these beams, as follows from the above relation α = θ-45 ° .
Известно также техническое решение, представленное в перестраиваемом двухлучевом интерферометре [Микерин С.Л., Угожаев В.Д. Простой двухлучевой интерферометр на основе светоделительного кубика, ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, т. 111, вып. 6, с. 1019-1025 (2011)], выбранное в качестве прототипа. Техническое решение осуществляется путем расщепления светоделительным элементом коллимированного светового пучка на два парциальных световых пучка и последующего этих пучков, подвергшихся преломлению на выходных поверхностях светоделительного элемента, на фотоприемнике под изменяемым углом схождения. В качестве светоделительного элемента в данном случае используется светоделительный кубик. Он состоит из двух идентичных 90-градусных призм, изготовленных из прозрачного материала и называемых первой и второй, причем на гипотенузной поверхности одной из них наносится делительное зеркало. Первая и вторая призмы жестко соединяются между собой по их гипотенузным поверхностям таким образом, чтобы две другие их плоские поверхности, обращенные к фотоприемнику и называемые выходными, располагались зеркально-симметрично относительно плоскости делительного зеркала, для чего ребра их 45-градусных углов, обращенные к светочувствительному элементу, точно совмещаются.Also known is a technical solution presented in a tunable two-beam interferometer [Mikerin S.L., Ugozhaev V.D. A simple two-beam interferometer based on a beam splitting cube, OPTICS AND SPECTROSCOPY, vol. 111, no. 6, p. 1019-1025 (2011)], selected as a prototype. The technical solution is carried out by splitting a collimating light beam into a partial beam of light into two partial light beams and the subsequent of these beams, subjected to refraction at the output surfaces of the beam splitting element, on the photodetector at a variable angle of convergence. In this case, a beam splitting cube is used as a beam splitting element. It consists of two identical 90-degree prisms made of a transparent material and called the first and second, and a dividing mirror is applied to the hypotenuse surface of one of them. The first and second prisms are rigidly connected to each other along their hypotenous surfaces in such a way that their other two flat surfaces, facing the photodetector and called the output, are mirror-symmetric relative to the plane of the dividing mirror, for which the edges of their 45-degree angles are turned to the photosensitive element, precisely aligned.
Коллимированный световой пучок направляется на входную поверхность первой призмы так, чтобы после преломления на ней этот световой пучок падал на делительное зеркало и расщеплялся им на два парциальных световых пучка, первый и второй. Первый парциальный световой пучок отражается от делительного зеркала и направляется к выходной поверхности первой призмы, а второй парциальный световой пучок проходит через делительное зеркало во вторую призму и направляется к ее выходной поверхности. Угол падения θ коллимированного светового пучка выбирается по условию θ>45°, благодаря чему первый и второй парциальные световые пучки, преломившись на выходных поверхностях первой и второй призм соответственно, направляются друг к другу под углом схождения 2α, формируя в области их взаимного перекрытия интерференционную картину с периодом Λ. Благодаря симметричности светоделительного кубика пара парциальных световых пучков и интерференционная картина также симметричны относительно плоскости делительного зеркала при любом угле схождения, а разность хода этих пучков по их осям всегда равна нулю.The collimated light beam is directed to the input surface of the first prism so that after refraction on it this light beam falls on a fission mirror and splits it into two partial light beams, the first and second. The first partial light beam is reflected from the dividing mirror and directed to the output surface of the first prism, and the second partial light beam passes through the dividing mirror into the second prism and is directed to its output surface. The angle of incidence θ of the collimated light beam is selected according to the condition θ> 45 °, due to which the first and second partial light beams, being refracted on the output surfaces of the first and second prisms, respectively, are directed to each other at a convergence angle of 2α, forming an interference pattern in the region of their mutual overlap with period Λ. Due to the symmetry of the beam splitting cube, the pair of partial light beams and the interference pattern are also symmetrical with respect to the plane of the dividing mirror at any angle of convergence, and the difference in the path of these beams along their axes is always zero.
Значение угла схождения варьируется изменением угла падения согласно соотношению α=θ-45° путем совместного вращения светоделительного кубика и фотоприемника вокруг оси, перпендикулярной плоскости падения коллимированного светового пучка на входную поверхность первой призмы, относительно источника этого пучка. Сама ось вращения располагается вблизи входной поверхности так, чтобы максимизировать ширину входного зрачка в плоскости падения. Фотоприемник совмещается с плоскостью наибольшей ширины интерференционной картины, проходящей через точку пересечения осей парциальных световых пучков, с возможностью его перемещения вдоль плоскости делительного зеркала согласованно с движением интерференционной картины, вызываемым вращением интерферометра.The value of the convergence angle varies by changing the angle of incidence according to the relation α = θ-45 ° by joint rotation of the beam splitter cube and the photodetector around an axis perpendicular to the plane of incidence of the collimated light beam on the input surface of the first prism, relative to the source of this beam. The axis of rotation itself is located near the entrance surface so as to maximize the width of the entrance pupil in the plane of incidence. The photodetector is combined with the plane of the largest width of the interference pattern passing through the point of intersection of the axes of the partial light beams, with the possibility of moving it along the plane of the dividing mirror in accordance with the movement of the interference pattern caused by the rotation of the interferometer.
Интерферометр, представленный в данном техническом решении единичным элементом - светоделительным кубиком, обладает очень высокой виброустойчивостью, а также имеет малые габариты в области наиболее востребованных значений угла схождения, лежащих в интервале 0°-30°. Однако наличие подвижного фотоприемника повышает чувствительность к вибрациям устройства в целом.The interferometer, presented in this technical solution as a single element - a beam splitting cube, has a very high vibration resistance, and also has small dimensions in the region of the most popular values of the convergence angle, lying in the
Недостатками известного технического решения является повышенная чувствительность его к вибрациям и эксплуатационная сложность, обусловленные подвижностью фотоприемника.The disadvantages of the known technical solution is its increased sensitivity to vibrations and operational complexity due to the mobility of the photodetector.
Перед авторами ставилась задача повысить виброустойчивость интерферометра.The authors were tasked with increasing the vibration resistance of the interferometer.
Поставленная задача решается тем, что двухлучевой интерферометр, включающий в себя источник коллимированного светового пучка, основание с осью вращения и с закрепленными на нем светоделительным элементом с встроенным в него делительным зеркалом, расщепляющим коллимированный световой пучок на первый парциальный световой пучок и второй парциальный световой пучок, фотоприемником и оптически связанными с источником коллимированного светового пучка таким образом, чтобы первый и второй парциальные световые пучки, покидая светоделительный элемент через его первую выходную поверхность и вторую выходную поверхность, направлялись друг к другу, интерферируя между собой на фотоприемнике, привод, обеспечивающий вращательное движение основания с осью вращения вокруг этой оси, блок управления, датчик углового перемещения, дополнительно оснащен оправой с возможностью закрепления фотоприемника неподвижно, ось вращения основания выполнена расположенной между светоделительным элементом и фотоприемником в позиции, обеспечивающей стабилизацию положения области интерференции на фотоприемнике, а блок управления выполнен формирующим управляющие сигналы для привода, обеспечивающие согласование углового и линейного перемещений коллимированного светового пучка по делительному зеркалу светоделительного элемента по формуле:The problem is solved in that a two-beam interferometer, which includes a collimated light beam source, a base with an axis of rotation and with a beam splitting element mounted on it with a dividing mirror integrated into it, splitting the collimated light beam into a first partial light beam and a second partial light beam, a photodetector and optically coupled to a collimated light beam source so that the first and second partial light beams leaving the beam splitter the th element through its first output surface and the second output surface, were directed towards each other, interfering with each other on the photodetector, the drive providing rotational movement of the base with the axis of rotation around this axis, the control unit, the angular displacement sensor, is additionally equipped with a frame with the possibility of fixing the photodetector motionless, the axis of rotation of the base is made located between the beam splitting element and the photodetector in a position that ensures stabilization of the position of the interference region and the photodetector, and the control unit generates control signals for the actuator to ensure matching the angular and linear displacements of the collimated light beam divider mirror beam-splitting element according to the formula:
где W - расстояние от точки пересечения оси коллимированного светового пучка с делительным зеркалом до края этого делительного зеркала, ближнего к источнику, М - длина делительного зеркала по ходу коллимированного светового пучка, Lph - расстояние от фотоприемника до ближнего к нему края делительного зеркала, - угол падения коллимированного светового пучка на делительное зеркало, n - показатель преломления материала светоделительного элемента, при этом первая выходная поверхность и вторая выходная поверхность светоделительного элемента выполнены взаимно симметричными относительно плоскости делительного зеркала, далее делительное зеркало выполнено с коэффициентом отражения, равным коэффициенту пропускания во всей области изменения угла падения коллимированного светового пучка на делительное зеркало.where W is the distance from the point of intersection of the axis of the collimated light beam with the dividing mirror to the edge of this dividing mirror close to the source, M is the length of the dividing mirror along the collimated light beam, L ph is the distance from the photodetector to the edge of the dividing mirror nearest to it, is the angle of incidence of the collimated light beam on the dividing mirror, n is the refractive index of the material of the dividing element, while the first output surface and the second output surface of the dividing element are mutually symmetrical relative to the plane of the dividing mirror, then the dividing mirror is made with a reflection coefficient equal to the transmittance in the whole the area of variation of the angle of incidence of the collimated light beam on the dividing mirror.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в повышении виброустойчивости, что позволяет, во-первых, увеличить глубину контраста записываемых голографических дифракционных решеток и, ка следствие, повысить их дифракционную эффективность, во-вторых, поднять чувствительность, спектральное разрешение и точность измерения длин волн при регистрации спектров электромагнитного излучения в случае использования заявляемого интерферометра как статического фурье-спектрометра, в улучшении условий эксплуатации, упрощении управления периодом интерференционной картины, уменьшении массы и габаритов устройства, а также в расширении арсенала средств данного назначения.The technical effect of the claimed device is to increase the vibration resistance, which allows, firstly, to increase the contrast depth of the recorded holographic diffraction gratings and, consequently, to increase their diffraction efficiency, and secondly, to increase the sensitivity, spectral resolution and accuracy of measuring wavelengths when recording spectra electromagnetic radiation in the case of using the inventive interferometer as a static Fourier spectrometer, in improving operating conditions, simplifying control I am in the period of the interference pattern, reducing the mass and dimensions of the device, as well as expanding the arsenal of means for this purpose.
На фиг. 1 изображена схема двухлучевого интерферометра, где 1 - источник, 2 - коллимированный световой пучок, 3 - первый парциальный световой пучок, 4 - второй парциальный световой пучок, 5 - светоделительный элемент, 6 - первая призма, 7 - вторая призма, 8 - делительное зеркало, 9 - фотоприемник, 10 - оправа, 11 - основание, 12 - ось вращения, 13 - направление вращательного движения, 14 - привод, 15 - блок управления, 16 - датчик углового перемещения.In FIG. 1 shows a diagram of a two-beam interferometer, where 1 is the source, 2 is the collimated light beam, 3 is the first partial light beam, 4 is the second partial light beam, 5 is the beam splitting element, 6 is the first prism, 7 is the second prism, 8 is the dividing mirror , 9 - photodetector, 10 - frame, 11 - base, 12 - axis of rotation, 13 - direction of rotational movement, 14 - drive, 15 - control unit, 16 - angular displacement sensor.
На фиг. 2 представлена диаграмма зависимостей относительного расстояния L/A между краем делительного зеркала 8, ближним к фотоприемнику 9, и точкой пересечения О осей первого 3 и второго 4 парциальных световых пучков от угла падения θ, изменяющегося вследствие вращательного движения основания 11 вокруг оси вращения 12 относительно базового положения коллимированного светового пучка 2, характеризующегося углом падения θ0=50° и его позицией Q0=0,25A на входной поверхности светоделительного элемента 5, для пяти значений расстояния Т между осью вращения 12 и краем делительного зеркала 8, ближним к фотоприемнику 9, где А - длина входной поверхности вдоль плоскости падения на нее коллимированного светового пучка 2, 17 - зависимость L(θ)/A при T=0,1A, 18 - зависимость L(θ)/A при Т=0,4А, 19 - оптимальная зависимость L(θ)/А при T=0,551А, 20 - зависимость L(θ)/A при Т=0,7A, 21 - зависимость L(θ)/A при Т=А, 22 - метка базового угла падения θ0=50°.In FIG. 2 is a diagram of the dependences of the relative distance L / A between the edge of the
На фиг. 3 представлена диаграмма зависимостей половинного угла схождения α первого 3 и второго 4 парциальных световых пучков от базового значения θ0 угла падения коллимированного светового пучка 2 на входную поверхность светоделительного элемента 5, изготовленного из материала с показателем преломления n=1,5183, для четырех значений диаметра D этого пучка, где 23 - нижнее α1 граничное значение половинного угла схождения при D=0,065A, 24 - верхнее α2 граничное значение половинного угла схождения при D=0,065А, 25 - ширина диапазона перестройки Δα=α2-α1 половинного угла схождения при D=0,065A, 26 - нижнее граничное значение половинного угла схождения при D=0,1A, 27 - верхнее α2 граничное значение половинного угла схождения при D=0,1A, 28 - ширина диапазона перестройки Δα=α2-α1 половинного угла схождения при D=0,1A, 29 - нижнее α1 граничное значение половинного угла схождения при D=0,15A, 30 - верхнее α2 граничное значение половинного угла схождения при D=0,15A, 31 - ширина диапазона перестройки Δα=α2-α1 половинного угла схождения при D=0,15A, 32 - нижнее α1 граничное значение половинного угла схождения при D=0,2A, 33 - верхнее α2 граничное значение половинного угла схождения при D=0,2A, 34 - ширина диапазона перестройки Δα=α2-α1 половинного угла схождения при D=0,2A, 35 - половинный угол схождения αm, соответствующий базовому углу падения θ0 коллимированного светового пучка 2 наибольшего возможного для данного θ0 диаметра Dm, когда выполняется условие α1=α2=αm.In FIG. 3 is a diagram of the dependences of the half convergence angle α of the first 3 and second 4 partial light beams on the base value θ 0 of the angle of incidence of the collimated
Заявляемый двухлучевой интерферометр работает следующим образом. Двухлучевой интерферометр, оптическая схема которого показана на фиг. 1, включает в себя источник 1 коллимированного светового пучка 2, основание 11 с осью вращения 12, на котором размещены светоделительный элемент 5 и фотоприемник 9, оптически связанные с источником 1. В качестве светоделительного элемента 5 используется для примера светоделительный кубик с длиной ребра А, представляющий собой оптический блок из двух идентичных 90-градусных призм: первой призмы 6 и второй призмы 7, - плотно соединенных своими гипотенузными поверхностями. На гипотенузной поверхности одной из призм, первой или второй, предварительно наносится делительное зеркало 8, которое в результате оказывается встроенным в светоделительный элемент 5 на его поверхность раздела С1С3 длиной по ходу световых пучков. Благодаря зеркальной симметрии оптического блока относительно этой поверхности первая выходная поверхность С2С3 и вторая выходная поверхность С3С4 оказываются зеркально-симметричными относительно плоскости делительного зеркала 8 (далее плоскость симметрии). Фотоприемник 9 жестко заключен в оправу 10 с возможностью ее неподвижного закрепления на основании 11, поэтому он неподвижен относительно светоделительного элемента 5, который также жестко закреплен на этом основании.The inventive two-beam interferometer operates as follows. A double-beam interferometer whose optical design is shown in FIG. 1 includes a collimated
На фиг. 1 световые пучки показаны их осевыми лучами. Источник 1 генерирует коллимированный световой пучок 2 диаметром D, который направляется на входную поверхность С1С2 первой призмы 6 светоделительного элемента 5 в плоскости, перпендикулярной его ребрам С1-С4 (далее рабочая плоскость), под углом падения θ на расстоянии Q от края C1 делительного зеркала 8, ближнего к источнику 1, до точки падения осевого луча коллимированного светового пучка 2 на эту входную поверхность. Далее этот пучок входит в первую призму 6 под углом преломления ψ, падает на делительное зеркало 8 под углом на расстоянии W от его края C1 и расщепляется им на первый парциальный световой пучок 3 и второй парциальный световой пучок 4, оси которых на всем их пути к фотоприемнику 9 лежат в рабочей плоскости. Первый парциальный световой пучок 3 отражается от делительного зеркала 8 обратно в первую призму 6 и падает на первую выходную поверхность С2С3 на расстоянии В от ребра С3, а второй парциальный световой пучок 4 проходит через делительное зеркало 8 во вторую призму 7 и падает на вторую выходную поверхность С3С4 на таком же расстоянии В от ребра С3. Первый 3 и второй 4 парциальные световые пучки, преломившись на первой и второй выходных поверхностях соответственно, покидают светоделительный элемент 5 и направляются друг к другу под углом схождения 2α с формированием в области их взаимного перекрытия интерференционной картины с периодом Λ согласно (1). Таким образом, обе функции интерферометра: расщепление коллимированного светового пучка 2 на два парциальных световых пучка и последующее их сведение на фотоприемнике 9 исполняются единственным оптическим элементом - светоделительным кубиком, что предельно упрощает конструкцию заявляемого устройства. Благодаря симметричному расположению первой и второй выходных поверхностей относительно плоскости симметрии первый парциальный световой пучок 3 и второй парциальный световой пучок 4 также взаимно симметричны относительно этой плоскости. Поэтому разность их хода по осям равна нулю при любом угле схождения, и точка О их пересечения, удаленная на расстояние L (далее длина схождения) от края С3 делительного зеркала 8, ближнего к фотоприемнику 9, лежит на плоскости симметрии и характеризуется нулевым порядком интерференции. Такую же симметрию имеет интерференционная картина; в точке О, как в ее центре, пересекаются диагонали сечения этой картины рабочей плоскостью: продольная - длиной S, лежащая на пересечении плоскостей рабочей и симметрии, и поперечная - длиной J, перпендикулярная плоскости симметрии (на фиг. 1 не показаны). Фотоприемник 9 помещается внутри области интерференции на расстоянии Lph≈L от края С3 делительного зеркала 8. В общем случае Lph≠L, и расстояние точки О от фотоприемника 9 определяется смещением ΔL=L-Lph.In FIG. 1, light beams are shown by their axial rays.
Основание 11 может совершать вращательное движение вокруг оси вращения 12 относительно источника 1 по направлению вращения, показанному стрелкой 13. Ось вращения 12 лежит в плоскости симметрии, ориентирована перпендикулярно рабочей плоскости и расположена между светоделительным элементом 5 и фотоприемником 9 на расстоянии T от края С3 делительного зеркала 8. Это расстояние выбирается так, чтобы при выполнении вращательного движения основания 11 обеспечивалось взаимное согласование углового перемещения коллимированного светового пучка 2, отображаемого изменением угла падения θ, и его линейного перемещения, отображаемого изменением расстояния q, по делительному зеркалу 8 так, чтобы выполнялось условие минимизации смещения ΔL в пределах всего диапазона перестройки угла схождения, реализуемого вращательным движением. Вращение основания 11 осуществляется приводом 14, причем управляющие сигналы для этого привода вырабатываются блоком управления 15 по закону согласования двух указанных перемещений; формула, описывающая этот закон, выводится ниже. Положение основания 11 индицируется датчиком углового перемещения 16.The base 11 can rotate around the axis of
Вращение основания 11 сопровождается изменением угла падения θ и соответствующим изменением угла схождения 2α - таким путем производится непрерывная перестройка периода Λ интерференционной картины согласно (1). Из хода световых пучков, показанных на фиг. 1, с очевидностью следует соотношение между углом падения θ и половинным углом схождения α:The rotation of the
Связь позиции Q коллимированного светового пучка 2 на входе в светоделительный элемент 5 и позиций В первого 3 и второго 4 парциальных световых пучков на выходе из него определяется формулойThe relationship between the position Q of the collimated
гдеWhere
и n - показатель преломления материала, из которого изготовлены первая призма 6 и вторая призма 7 светоделительного элемента 5. В (3) и последующих формулах из соображений общности все линейные параметры представлены в относительной форме: q=Q/A, b=В/А, l=L/A, lph=Lph/A, Δl=ΔL/A, t=Т/А, r=R/A, s=S/A, j=J/A, w=W/A.and n is the refractive index of the material from which the
Из фиг. 1 легко найти, что в общем случае для произвольно выбранных входных параметров θ и q длина схождения l выражается формулойFrom FIG. 1 it is easy to find that in the general case for arbitrary input parameters θ and q, the convergence length l is expressed by the formula
или с учетом (3)or subject to (3)
Актуальное для поставленной задачи условие l=const, которое означает фиксированное положение точки О пересечения осей первого 3 и второго 4 парциальных световых пучков относительно светоделительного элемента 5 при изменении θ вследствие вращательного движения основания 11 позволяет получить из (5) требуемое взаимное согласование входных параметров θ и q:The condition l = const, which is relevant for the task at hand, which means the fixed position of the point O of the intersection of the axes of the first 3 and second 4 partial light beams relative to the
Связь между этими входными параметрами, с одной стороны, и положением оси вращения 12, определяемого расстоянием t, с другой, можно установить через радиус r окружности с центром на оси вращения, касающейся мнимого продолжения оси коллимированного светового пучка 2 до ее входа в светоделительный элемент 5:The relationship between these input parameters, on the one hand, and the position of the axis of
Из (7) выводится зависимость q(t):From (7), the dependence q (t) is derived:
Пусть какое-либо положение коллимированного светового пучка 2, падающего на входную поверхность под углом θ0 (далее базовый пучок), принимается в качестве базового положения. Задача состоит в том, чтобы найти остальные параметры, характеризующие это положение: α0, t0, q0, l0, пользуясь рассмотренным ниже критерием малости смещения Δl по сравнению с продольной длиной s интерференционной картины. Необходимость такого критерия обусловлена требованием поддержания высокого контраста интерференционных полос и, как следствие, высокой дифракционной эффективности записываемых периодических структур. Базовое значение половинного угла схождения α0 находится по формуле (2). Радиус вращения r0 базового пучка выражается через параметры этого пучка, используя (7):Let some position of the collimated
При вращении интерферометра относительно базового пучка будут изменяться и его входные параметры θ и q. Соотношение их текущих значений находится путем подстановки входящих в (8) базовых параметров r=r0 из (9) и t=t0:When the interferometer rotates relative to the base beam, its input parameters θ and q will also change. The ratio of their current values is found by substituting the basic parameters included in (8) r = r 0 from (9) and t = t 0 :
Выражение для соответствующего текущего значение длины схождения выводится из формулы (5) с учетом (10):The expression for the corresponding current value of the length of the convergence is derived from formula (5) taking into account (10):
Из (11) видно, что для любого текущего значения угла падения θ длина схождения l будет варьироваться при изменении расстояния t0, следовательно, каждому значению t0 будет соответствовать своя зависимость l(θ). Единственной общей точкой для этих зависимостей является комбинация переменных θ0, l0, соответствующая базовому положению коллимированного светового пучка 2, что подтверждается подстановкой в (11) равенства θ=θ0:From (11) it can be seen that for any current value of the angle of incidence θ, the convergence length l will vary with a change in the distance t 0 ; therefore, each value of t 0 will have its own dependence l (θ). The only common point for these dependences is the combination of the variables θ 0 , l 0 corresponding to the base position of the collimated
Аналогичный результат получается при подстановке базовых параметров в (5). В (12) параметр ψ0 - угол преломления, соответствующий базовому углу падения θ0, и tgψ0 определяется формулой (4) при θ=θ0.A similar result is obtained by substituting the basic parameters in (5). In (12), the parameter ψ 0 is the angle of refraction corresponding to the base angle of incidence θ 0 , and tgψ 0 is determined by formula (4) for θ = θ 0 .
На фиг. 2 представлены пять зависимостей l(θ) - кривые 17-21, соответствующие пяти значениям позиции t0 оси вращения: 0,1; 0,4; 0,551; 0,7 и 1, построенных для базового пучка с параметрами θ0=50° и q0=0,25. Из них кривая 19 выделяется тем, что длина схождения l мало варьирует при изменении θ и имеет минимум l0=1,222 в окрестности θ=θ0. Такие свойства этой кривой указывают на реальную возможность стабилизировать положение интерференционной картины вблизи значения l0 практически для любого базового положения, что подтверждается дальнейшими расчетами. Для построения диаграммы на фиг. 2 значение q0=0,25 было выбрано произвольно. Точный расчет при условии принятого критерия малости смещения Δl для θ0=50° дает величину q0=0,2998.In FIG. 2 shows five dependences l (θ) - curves 17-21, corresponding to five values of the position t 0 of the axis of rotation: 0.1; 0.4; 0.551; 0.7 and 1, constructed for the base beam with parameters θ 0 = 50 ° and q 0 = 0.25. Of these,
Привязка базового пучка к минимуму функции l(θ), отображаемой кривой 19, целесообразна еще и потому, что отклонение текущего значения θ от базового θ0 в любую сторону приводит к одностороннему увеличению l, что улучшает условия минимизации Δl, давая возможность помещать фотоприемник 9 в промежутке между экстремальным, с одной стороны, и крайними положениями, с другой стороны, центра О интерференционной картины:Binding the base beam to the minimum of the function l (θ) displayed by
где l0 определяется из (12), а l1 или l2 - по формуле (11) с подстановкой θ=θ1 или θ2:where l 0 is determined from (12), and l 1 or l 2 according to formula (11) with the substitution θ = θ 1 or θ 2 :
Такую привязку можно осуществить, если найти значение расстояния t0, соответствующее указанному минимуму. Для этого нужно первую производную функции l(θ), выраженную формулой (11), приравнять к нулю (dl/dθ=0) при θ=θ0 и выразить из нее t0:Such a binding can be done if you find the value of the distance t 0 corresponding to the specified minimum. For this, the first derivative of the function l (θ), expressed by formula (11), must be equated to zero (dl / dθ = 0) at θ = θ 0 and expressed from it t 0 :
гдеWhere
В формуле (15) известен только один параметр - базовый угол падения θ0, который является заданным. Последнее целесообразно потому, что этот параметр через соотношение (2) непосредственно связан с требуемым интервалом значений угла схождения, в котором предполагается эксплуатировать интерферометр. Данный интервал, доступный при вращательной перестройке угла схождения, заключен между его двумя граничными значениями. Увеличение угла падения θ вследствие вращательного движения основания 11 (фиг. 1) от своего нижнего граничного значения θ1 до верхнего граничного значения θ2 сопровождается ростом половинного угла схождения от α1 до α2 согласно (2) и одновременным уменьшением расстояния q от q1 до q2. Граничные условия формулируются на основании требования, чтобы преломленный коллимированный световой пучок 2 при своем движении по делительному зеркалу 8 не выходил за его края C1 и С3. Следовательно, нижние граничные значения обусловлены касанием этого пучка края С3, а верхние - края C1. Отсюда выводятся граничные соотношенияIn formula (15), only one parameter is known - the base angle of incidence θ 0 , which is a given angle. The latter is advisable because this parameter, through relation (2), is directly related to the required interval of the convergence angle at which the interferometer is supposed to be operated. This interval, available during rotational adjustment of the convergence angle, is enclosed between its two boundary values. The increase in the angle of incidence θ due to the rotational movement of the base 11 (Fig. 1) from its lower boundary value θ 1 to the upper boundary value θ 2 is accompanied by an increase in half the convergence angle from α 1 to α 2 according to (2) and a simultaneous decrease in the distance q from q 1 up to q 2 . The boundary conditions are formulated on the basis of the requirement that the refracted collimated
иand
в которых граничные значения q1 до q2 находятся из (10):in which the boundary values q 1 to q 2 are found from (10):
а параметр t0 определяется формулой (15). Поскольку при вращении диаметр d0 базового пучка не изменяется, то d1=d2=d0, что дает первое уравнение задачи:and the parameter t 0 is determined by formula (15). Since during rotation the diameter d 0 of the base beam does not change, then d 1 = d 2 = d 0 , which gives the first equation of the problem:
содержащее три неизвестных: θ1, θ2 и q0.containing three unknowns: θ 1 , θ 2 and q 0 .
Еще два уравнения составляются для границ на основе сопоставления смещения Δl с продольной длиной s интерференционной картиныTwo more equations are compiled for the boundaries based on a comparison of the displacement Δl with the longitudinal length s of the interference pattern
в форме отношения его к половине длины s:in the form of a ratio of it to half the length s:
Геометрический смысл этого коэффициента состоит в том, что разность 1 - ks показывает поперечную длину интерференционной картины на фотоприемнике 9 по отношению к длине ее поперечной диагонали j. Вышеупомянутый критерий малости смещения Δl выражается через коэффициент ks, значение которого по модулю не должно превышать величину допуска 0<η<<1:The geometric meaning of this coefficient is that the difference 1 - k s shows the transverse length of the interference pattern on the
При помещении фотоприемника 9 в промежуточном положении между l0 и l1 или l2 согласно (13) абсолютная величина коэффициента ks в базовом положении и на границах имеет наибольшее значение: |ks|i=η, что дает возможность точно записать смещения |Δl|i в этих трех характерных положениях:When placing the
где i=0, 1, 2. Соответствующие длины схожденияwhere i = 0, 1, 2. Corresponding toe lengths
иand
Исключая из (26) параметр lph с помощью полученной из (25) подстановки lph=l0+|Δl0|, можно получить второе и третье уравнения задачи:Eliminating the parameter l ph from (26) using the substitution l ph = l 0 + | Δl 0 | obtained from (25), we can obtain the second and third equations of the problem:
В этих уравнениях l1 и l2 вычисляются по формулам (14), a d1 и d2 - по (17) и (18). Базовый диаметр d0 заменен на d1 и d2 для того, чтобы сделать уравнения (27) взаимно независимыми, это упрощает численное решение системы (20), (27). Значение d0 находится путем усреднения граничных значений d1 и d2:In these equations, l 1 and l 2 are calculated by formulas (14), ad 1 and d 2 - by (17) and (18). The base diameter d 0 is replaced by d 1 and d 2 in order to make equations (27) mutually independent, this simplifies the numerical solution of system (20), (27). The value of d 0 is found by averaging the boundary values of d 1 and d 2 :
и вычисления ведутся до их выравнивания: d1=d2=d0.and the calculations are carried out before their alignment: d 1 = d 2 = d 0 .
Решение этой системы дает значения трех параметров: θ1, θ2 и q0, характеризующих перестройку периода интерференционной картины при заданном базовом угле падения θ0. Найденные параметры обеспечивают текущее значение смещения Δl≤ηs/2 центра О интерференционной картины относительно фотоприемника 9 во всем диапазоне изменения половинного угла схождения α первого 3 и второго 4 парциальных световых пучков от нижнего граничного значения α1 до верхнего α2. Базовое расстояние t0 от края С3 делительного зеркала 8 до оси вращения 12 вычисляется по формуле (15).The solution of this system gives the values of three parameters: θ 1 , θ 2 and q 0 characterizing the restructuring of the period of the interference pattern at a given base angle of incidence θ 0 . The found parameters provide the current offset value Δl≤ηs / 2 of the center О of the interference pattern relative to the
На фиг. 3 представлены зависимости значений половинного угла схождения α1, α2 и αm, а также ширины диапазона Δα=α2-α1 изменения этого угла от базового угла падения θ0 при η=0,1 для четырех значений диаметра d коллимированного светового пучка 2. Видно, что кривых, отображающих α1 и α2 для каждого диаметра d, образуют замкнутые фигуры, по форме подобные лепесткам, причем с ростом диаметра d «лепестки» становятся и короче. Это означает, что чем больше диаметр d, тем короче диапазон перестройки в области меньших значений угла α и меньше интервал, в котором допустим выбор базового угла падения θ0. Например, для d=0,065 (при А=20 мм диаметр D=1,3 мм) и базового угла падения θ0=56° ширина диапазона перестройки Δα=11,9°; половинный угол схождения изменяется в интервале α=6,24°-18,12°, что означает отношение соответствующих периодов интерференционной картины Λ1/Λ2=2,86 - полторы октавы. Столь широкий диапазон варьирования периода в случае коллимированного светового пучка 2 малого диаметра говорит о том, насколько мала кривизна кривой 19 на фиг. 2 и насколько эффективной для заявляемой конфигурации двухлучевого интерферометра является концепция вращательной перестройки при неподвижном фотоприемнике 9. Это подтверждается результатами расчета для достаточно большого диаметра этого пучка d=0,2 (D=4 мм): α=3,54°-5,61°, Δα=2,08° и Λ1/Λ2=1,56 (фиг. 3).In FIG. Figure 3 shows the dependences of the half convergence angle α 1 , α 2 and α m , as well as the range width Δα = α 2 -α 1 of the change in this angle on the base angle of incidence θ 0 for η = 0.1 for four values of the diameter d of the collimated
Приведенные выше данные расчета получены для светоделительного элемента, изготовленного из материала с показателем преломления n=1,5183 (оптическое стекло марки К8, λ=546,07 нм). Поскольку схождение первого 3 и второго 4 парциальных световых пучков обусловлено их преломлением, перестроечные характеристики заявляемого двухлучевого интерферометра должны в определяющей степени зависеть от показателя преломления. Например, при n=2,2 для базового положения коллимированного светового пучка 2 диаметром d=0,05 (D=1 мм) с θ0=60° ширина диапазона перестройки Δα=23,75°; граничные значения половинного угла схождения α1=6,63 и α1=°30,38°, соответствующее отношение периодов интерференционной картины Λ1/Λ2=4,38 - более двух октав, т.е. имеет место двукратное превышение предыдущего варианта по Δα. Известно достаточно много материалов с n≥2,2, прозрачных в видимой и ближней ИК областях, например, оптическое стекло марки СТФ3 (n≈2,18), монокристаллы танталат лития LiTaO3 (n≈2,2), ниобат лития LiNbO3 (n≈2,3), титанат стронция SrTiO3 (n≈2,4), рутил TiO2 (n≈2,6), титанат свинца PbTiO3 (n≈2,7). Так что реализация интерферометра с такими эффективными характеристиками не составит принципиальных затруднений.The above calculation data were obtained for a beam splitter made of a material with a refractive index of n = 1.5183 (optical glass K8, λ = 546.07 nm). Since the convergence of the first 3 and second 4 partial light beams is due to their refraction, the tuning parameters of the inventive two-beam interferometer should to a certain extent depend on the refractive index. For example, at n = 2.2 for the base position of a collimated
Формула (6) выражает закон взаимного согласования углового перемещения коллимированного светового пучка 2, отображаемого в данной формуле изменением угла падения θ на входную поверхность С1С2 светоделительного элемента 5, и линейного перемещения этого пучка по указанной входной поверхности, отображаемого изменением расстояния q от края C1 делительного зеркала 8, ближнего к источнику 1, до точки падения осевого луча коллимированного светового пучка 2 на данную входную поверхность, вызванных вращательным движением основания 11 (см. фиг. 1) вокруг оси вращения 12. Этот закон реализуется в заявляемом двухлучевом интерферометре через управляющие сигналы для привода 14 вращательного движения, которые вырабатываются блоком управления 15.Formula (6) expresses the law of mutual coordination of the angular displacement of the collimated
В привязке к делительному зеркалу 8 рассматриваемого закона согласования при вращательном движении основания 11 вокруг оси вращения 12 угловое перемещение отображается изменением угла падения на это зеркало коллимированного светового пучка 2, преломленного входной поверхностью С1С2, а линейное перемещение по нему данного пучка отображается изменением расстояния W от края C1 делительного зеркала 8, ближнего к источнику 1, до точки падения на него осевого луча преломленного коллимированного светового пучка 2. Угол преломления ψ следующим образом выражается через угол :In relation to the
Используя (29), можно записать tgψ и угол падения θ, входящие в формулу (6) закона согласования:Using (29), we can write down tgψ and the angle of incidence θ included in formula (6) of the matching law:
иand
откуда следует формула для функции tgθ, также входящей в закон согласования:whence the formula for the function tgθ, also included in the agreement law, follows:
Из треугольника, образованного отрезком делительного зеркала 8 длиной w, расстоянием q и замыкающим отрезком оси преломленного коллимированного светового пучка 2 (фиг. 1), можно выразить расстояние q как функцию расстояния w и угла :From a triangle formed by a segment of a
Подставляя (30), (32), (33) в закон согласования (6) и заменяя в нем l на lph, можно вывести искомую запись этого закона в принятых относительных единицах, привязанного к делительному зеркалу 8:Substituting (30), (32), (33) into the law of coordination (6) and replacing l with l ph in it , we can derive the desired record of this law in the accepted relative units, tied to the dividing mirror 8:
После умножения обеих частей равенства (34) на нормировочный размер А получается окончательная форма закона согласования двух перемещений:After multiplying both sides of equality (34) by the normalizing size A, we get the final form of the law of matching two movements:
где W - расстояние от точки пересечения оси коллимированного светового пучка 2 с делительным зеркалом 8 до края C1 этого зеркала, ближнего к источнику 1, М - длина делительного зеркала 8 по ходу коллимированного светового пучка 2, Lph - расстояние от фотоприемника 9 до ближнего к нему края С3 делительного зеркала 8, - угол падения коллимированного светового пучка 2 на делительное зеркало 8, n - показатель преломления материала первой 6 и второй 7 призм светоделительного элемента 5.where W is the distance from the point of intersection of the axis of the collimated
Угол и угол схождения α связаны следующим образом:Angle and the convergence angle α are related as follows:
Технический эффект заявляемого устройства, заключающийся в повышении виброустойчивости устройства и улучшении условий эксплуатации, а также в расширении арсенала средств данного назначения, достигается за счет того, что ось вращения основания выполнена расположенной между светоделительным элементом и фотоприемником в позиции, обеспечивающей стабилизацию положения области интерференции на фотоприемнике посредством согласования углового и линейного перемещений коллимированного светового пучка по делительному зеркалу светоделительного элемента, вызванных вращательным движением основания, по формуле (35) под действием управляющих сигналов, формируемых блоком управления для привода вращательного движения. Кроме того, упрощение управления периодом интерференционной картины достигается за счет оснащения заявляемого устройства неподвижной оправой для фотоприемника.The technical effect of the claimed device, which consists in increasing the vibration resistance of the device and improving operating conditions, as well as in expanding the arsenal of means for this purpose, is achieved due to the fact that the axis of rotation of the base is made located between the beam splitting element and the photodetector in a position that ensures stabilization of the position of the interference region on the photodetector by matching the angular and linear movements of the collimated light beam along the dividing mirror element caused by the rotational movement of the base, according to the formula (35) under the action of control signals generated by the control unit to drive the rotational movement. In addition, simplifying the management of the period of the interference pattern is achieved by equipping the inventive device with a fixed frame for the photodetector.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018127048A RU2697892C1 (en) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | Two-beam interferometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018127048A RU2697892C1 (en) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | Two-beam interferometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2697892C1 true RU2697892C1 (en) | 2019-08-21 |
Family
ID=67733669
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018127048A RU2697892C1 (en) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | Two-beam interferometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2697892C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5574560A (en) * | 1994-02-26 | 1996-11-12 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Dual-beam interferometer with a phase grating |
RU2075063C1 (en) * | 1993-07-09 | 1997-03-10 | Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" | Double-beam interferometer |
RU2307318C1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-09-27 | Петр Витальевич Волков | Interferometer measuring device (variants) |
RU2013106340A (en) * | 2013-02-13 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | METHOD FOR FORMING PERIODIC INTERFERENCE PICTURES AND A TUNABLE TWO-BEAM INTERFEROMETER |
RU2601530C1 (en) * | 2015-09-14 | 2016-11-10 | Открытое акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" | Device for measuring angular movements of object |
-
2018
- 2018-07-23 RU RU2018127048A patent/RU2697892C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2075063C1 (en) * | 1993-07-09 | 1997-03-10 | Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" | Double-beam interferometer |
US5574560A (en) * | 1994-02-26 | 1996-11-12 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Dual-beam interferometer with a phase grating |
RU2307318C1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-09-27 | Петр Витальевич Волков | Interferometer measuring device (variants) |
RU2013106340A (en) * | 2013-02-13 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | METHOD FOR FORMING PERIODIC INTERFERENCE PICTURES AND A TUNABLE TWO-BEAM INTERFEROMETER |
RU2601530C1 (en) * | 2015-09-14 | 2016-11-10 | Открытое акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" | Device for measuring angular movements of object |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8098379B2 (en) | Planar lightwave fourier-transform spectrometer | |
KR100631060B1 (en) | Apparatus and method for measuring thickness and profile of transparent thin-film by white-light interferometry | |
US9618320B2 (en) | Heterodyne spectrally controlled interferometry | |
CN103762499A (en) | Frequency tuneable laser device | |
JPS6117921A (en) | Real-time wave-head analyzing correcting device | |
AU2012241106B2 (en) | Spectrometric instrument | |
EP0978738A1 (en) | Apparatus and method for generating an interference pattern to be written as a grating in a sample of a photosensitive material | |
US6930781B2 (en) | Miniaturized holographic fourier transform spectrometer with digital aberration correction | |
US20050122529A1 (en) | Measurement system of three-dimensional shape of transparent thin film using acousto-optic tunable filter | |
RU2697892C1 (en) | Two-beam interferometer | |
AU711106B2 (en) | Ring interferometer configuration for writing gratings | |
EP2589940A1 (en) | Static fourier spectrometer | |
CN108362381B (en) | Wide-field large-aperture spatial heterodyne interference imaging spectrometer | |
RU2626062C1 (en) | Two-beam interferometer | |
US11639873B2 (en) | High resolution multi-pass optical spectrum analyzer | |
RU2667335C1 (en) | Two-beam interferometer (variants) | |
RU182727U1 (en) | INFRARED INTERFEROMETER | |
RU69982U1 (en) | INFRARED INTERFEROMETER | |
Ugozhaev | Rotationally Tunable Two-Beam Interferometer with a Fixed Photosensitive Element. Part II. Interferometer Based on a Beam-Splitter Unit | |
SU1099303A1 (en) | Interferention filter | |
RU2436138C1 (en) | Optical dispersionless phase-shifting device | |
Mikerin et al. | A simple two-ray interferometer based on a beamsplitter cube | |
JPH05302810A (en) | Heterodyne two wave lengths displacement interference meter | |
JP2016224378A (en) | Diffraction optical element | |
KR100766876B1 (en) | Spatial phase shifter for real-time optical interferometry |