УСТРОЙСТВО ДВУХКАНАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СМЕЩЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО

Полезная модель относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, отраженного от исследуемого объекта, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для увеличения качества интерференционной картины одновременно с разных сторон от центра при малых потерях света на рассеяние.
Низкое качество интерференционной картины, полученной с использованием интерферометра Фабри-Перо, выражается в невозможности получить четкое изображение интерферометрических колец одновременно с противоположных сторон от центра. Связан данный эффект с непараллельностью зеркал интерферометра, размывающей интерференционную картину разбиением ее на непрерывный набор различных интерференционных картин, каждая из которых соответствует различному расстоянию между зеркалами интерферометра. Увеличение качества интерференционной картины одновременно с обеих сторон от центра основано на смещении различных частей интерференционной картины из положения фокуса в плоскости где лучи всех интерференционных картин непараллельного интерферометра Фабри-Перо пересекаются, создавая в одной точке некий частичный псевдофокус. Подобные псевдофокусы возможно получить в плоскости, перпендикулярной оси наклона зеркал интерферометра. Изменение формы пучка света производится с сохранением формы интерферометрической картины, а значит, не влияет на точность измерений. Компенсация разности положений частичных псевдофокусов различных частей интерференционной картины производится расположением плоскости регистрации в месте фокусировки одной из исследуемых областей интерферограммы. Область, в псевдофокусе которой размещается плоскость регистрации выбирается так, чтобы ее псевдофокус ближайшим к интерферометру. Затем, в месте оптической оси, в котором лучи засвечивающие разные области интерферограммы уже пространственно разделены, на путях лучей, засвечивающих не сфокусированную область с противоположной стороны от центра, размещают фазовую задержку из четырех зеркал, которая увеличивает длину хода лучей до места расположения плоскости регистрации так, чтобы их псевдофокус также совпал с плоскостью регистрации. При этом засвечиваемые области выбираются достаточно далеко от центра интерференционной картины, для того чтобы разница в координатах частичных псевдофокусов соседних интерферометрических колец была как можно меньше. Компенсация разности положений псевдофокусов различных частей интерференционной картины происходит без изменения размера и формы лазерного пучка по отношению к интерференционной картине, что позволяет сохранить избирательную засветку необходимых областей интерферограммы без дополнительных потерь света на засветку не исследуемых областей. Получение высокого качества интерференционной картины одновременно с обеих сторон от центра, позволяет с большой точностью регистрировать положение колец в разных областях изображения, позволяя получить больше одного канала с высоким разрешением. Фазовая задержка состоит из четырех поворотных зеркал, расстояние между двумя парами которых может регулироваться в направлении оптической оси, для возможности точной настройки и возможности использования фазовой задержки для различных областей интерферограммы или для разных интерферометров.
Известен способ получения высокого качества интерференционной картины по всей ее площади, описанный в статье K.D. Mrelenze et al, Appl. Optics, 7. No. 2 (1968), где в простейшую схему измерителя смещений длин волн с интерферометром Фабри-Перо, содержащую: коллимирующую линзу, интерферометр, строящую линзу (создает в фокусе изображение интерферометрических колец), добавлена перед интерферометром матовая пластина. Эта матовая пластина уменьшает направленность лазерного излучения, рассеивая его. В результате рассеяния излучения фокус всей интерферометрической картины усредняется, изображения концентрических колец становится четким на всей площади регистратора.
Недостатками этого способа являются большие потери света на рассеяние, засветка не используемых областей интерферограммы, невозможность засветки разных областей интерферограммы независимыми источниками света.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип), является прибор для измерения скорости ветра на средней высоте с использованием эффекта Допплера «Патент США №5088815, МПК G01P 3/36, 1992 г.», включающем в себя телескоп рассеивающий импульсы света лазера, интерферометр для измерения спектрального сдвига рассеянного света по отношению к излучаемым лазером световым импульсам. В интерферометре Фабри-Перо часть одного из двух зеркал покрыта утолщающим слоем для образования двух отдельных эталонов, причем устройство содержит двойную призму расположенную на выходе интерферометра, для разделения светового потока, соответствующего каждому из эталонов соответственно. Измерительное устройство содержит по меньшей мере два измерительных канала.
Недостатками этого прототипа являются невозможность одновременных измерений смещений частоты излучения от двух независимых источников в одном канале, засветка не используемых областей интерферограммы, отсутствие резкости интерференционных колец с обеих сторон от центра интерферограммы.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является возможность одновременных измерений смещений частоты излучения от двух независимых источников в одном канале, отсутствие засветки не используемых областей интерферограммы, высокая резкость интерференционных колец с обеих сторон от центра интерферограммы.
Технический результат достигается тем, что устройство многоканального измерителя смещения длины волны света на основе интерферометра Фабри-Перо, содержащее коллимирующую линзу, источник света, располагающийся в фокальной плоскости коллимирующей линзы, интерферометр Фабри-Перо и фокусирующую линзу, содержит источник света, состоящий из двух независимых источников света и перекрывающую один из двух лучей подсветки фазовую задержку, состоящую из четырех поворотных зеркал и расположенную перед плоскостью регистрации в области разделения лучей засветки различных областей интерферограммы, расстояние между двумя парами зеркал фазовой задержки может регулироваться в направлении оптической оси, фазовая задержка перекрывает луч с более дальним от интерферометра Фабри-Перо частичным псевдофокусом и плоскость регистрации смещена в плоскость расположения ближайшего к интерферометру Фабри-Перо частичного псевдофокуса.
Разница в базе интерферометра Фабри-Перо в разных областях компенсируется непосредственно в исследуемой области, смещением фазы засвечивающего данную область излучения в плоскости частичных псевдофокусов.
Для того чтобы сконцентрировать луч на интерферометре в малое пятно, засветив им ограниченную область интерференции, что позволяет в разных областях интерференции регистрировать смещение длины волны различных пучков света, необходимо увеличить угловую расходимость луча, что увеличивает влияние непараллельности отражающих поверхностей интерферометра. Это является одним из следствий теоремы Лиувилля. Именно по этому, при засветке интерферометра широким пучком с низкой угловой расходимостью, разница в качестве интерференционной картины минимальна.
На фиг. 1 приведена схема образования частичных псевдофокусов в приближении двухлучевой интерференции, где:
1, 2 - зеркала интерферометра Фабри-Перо; 3 - оптическая ось линзы; 4 -фокальная плоскость фокусирующей линзы; 5, 6, 7 - группы лучей с различными углами падения на интерферометр; 8, 9 - частичные псевдофокусы; 13 - фокусирующая линза, формирующая изображение интерференционных колец. В реальном многолучевом интерферометре Фабри-Перо разница в положениях частичных псевдофокусов будет больше.
На фиг. 2 приведена схема двухканального измерителя смещения длины волны света на основе интерферометра Фабри-Перо, где: 10 - источники излучения; 11 - коллимирующая линза; 12 - интерферометр Фабри-Перо; 14 - область разделения лучей подсветки различных областей интерферограммы; 15 - фазовая задержка из четырех поворотных зеркал; 16 - плоскость регистрации; 17 - интерференционные максимумы.
На фиг. 3 приведен увеличенный фрагмент схемы измерителя смещения длины волны света на основе интерферометра Фабри-Перо, расположенный после фокусирующей линзы 13.
Устройство содержит коллимирующую линзу 11, интерферометр Фабри-Перо 12, фокусирующую линзу 13, формирующую изображение интерференционных колец, два независимых источника излучения 10 на входе и перекрывающую один из двух лучей засветки, фазовую задержку 15 из четырех поворотных зеркал перед плоскостью регистрации в области разделения 14 лучей подсветки различных областей интерференционной картины, расстояние между двумя парами зеркал фазовой задержки 15 из четырех поворотных зеркал может регулироваться в направлении оптической оси, фазовая задержка 15 из четырех поворотных зеркал перекрывает луч с более дальним от интерферометра Фабри-Перо 12 частичным псевдофокусом 9 и плоскость регистрации 16 положения интерференционных максимумов смещена в плоскость расположения ближайшего к интерферометру частичного псевдофокуса 8.
На вход оптической системы измерителя подается свет от нескольких независимых источников излучения 10, в фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13 строится изображение входных источников излучения 10. Масштаб изображения источников излучения 10 в фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13 зависит от соотношения фокусов линз 11 и 13. Изображение входных источников излучения 10 разбито на интерферометрические максимумы 17 и минимумы. Лучи, составляющие изображение отдельного источника излучения 10, после коллимирующей линзы 11 частично занимают то же пространство, что и лучи других входных источников света, что не позволяет изменять их независимо. Фокусирующая линза 13 направляет лучи от разных входных источников света в различные точки в фокальной плоскости, вследствие чего, в некоторой области 14 лучи подсветки различных областей интерферограммы пространственно разделяются, давая возможность их независимой обработки.
Вследствие наклона зеркал 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12, вызванного погрешностью сборки, в фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13 строится несколько независимых соосных интерферометрических картин с разными диаметрами колец, которые соответствуют различным областям интерферометра Фабри-Перо 12 с различным расстоянием между зеркалами 1 и 2. Каждая интерферометрическая картина соответствует одной группе лучей 5, 6 и 7 с различными углами падения на интерферометр Фабри-Перо 12, углы падения каждой группы соответствуют условиям интерференции для различных расстояний между зеркалами 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12. В окрестности фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13 изображения различных интерферометрических колец смещаются относительно друг друга, переставая быть соосными. При этом, различные изображения каждого конкретного интерферометрического кольца, рано или поздно, пересекутся в одной точке окружности, создав частичный псевдофокус 8, 9. Линии, проведенные через частичные псевдофокусы, не параллельны фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13. Диаметры интерферометрических колец первых порядков более чувствительны к изменениям расстояния между зеркалами 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12, поэтому их псевдофокусы будут дальше от фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13. Плоскости расположения частичного псевдофокуса 8 от наиболее широкой из освещенных области интерферометра Фабри-Перо 12 будет ближе остальных к фокусирующей линзе 13. Плоскость расположения частичного псевдофокуса 8 второй засвеченной области интерферометрической картины может быть смещена в плоскость регистрации 16 увеличением оптического пути до плоскости регистрации 16.
Устройство работает следующим образом:
Торцы входных волокон, являющиеся источниками излучения 10, расположены в фокусе коллимирующей линзы 11, что создает максимально параллельный пучок света, который затем направляется на интерферометр Фабри-Перо 12. Световые лучи, прошедшие интерферометр Фабри-Перо 12, фокусируются фокусирующей линзой 13, что создает в фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13 интерферометрическую картину, которая размыта вследствие наклона зеркал 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12. Плоскость регистрации 16 располагается в месте расположения ближайшего к интерферометру Фабри-Перо 12 частичного псевдофокуса 8, где все изображения интерферометрического кольца сводятся вместе. Для лучей, образующих дальше расположенные частичные псевдофокусы увеличивается оптическая длина пути до плоскости регистрации 16. Увеличение оптического пути лучей, освещающих конкретную область интерферограммы, осуществляется преломлением хода лучей, для этого на их оси ставится фазовая задержка из последовательности четырех поворотных зеркал 15. Для каждой области интерферограммы фазовая задержка из четырех поворотных зеркал 15 подбирается отдельно, регулировкой расстояния между поворотными зеркалами, исходя из положения частичного псевдофокуса 9 относительно фокальной плоскости 4 фокусирующей линзы 13. Фазовая задержка 15 расположена в области разделения 14 лучей засветки различных областей интерферограммы.