ИНТЕРФЕРОМЕТР МАЙКЕЛЬСОНА С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ ЗЕРКАЛАМИ И ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР НА ЕГО ОСНОВЕ
MICHELSON INTERFEROMETER WITH OSCILLATING MIRRORS AND FOURIER SPECTROMETER BASED THEREON

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в фурье-спектроскопии с расширенным спектральным диапазоном.
Уровень техники
Основой большинства фурье-спектрометров является интерферометр Майкельсона, в котором, по меньшей мере, одно из зеркал способно перемещаться. В результате перемещения зеркала изменяется оптическая разность хода между интерферирующими волнами. В условиях, когда одно или оба зеркала перемещаются с постоянной скоростью, оптическая разность хода изменяется по линейному закону, а спектр излучения может быть вычислен в результате фурье-преобразования измеренной интерферограммы.
Известно множество технических реализаций интерферометра Майкельсона, где конструктивные особенности и соответствующая система управления обеспечивают линейный закон изменения оптической разности хода [1-5]. В подавляющем большинстве фурье-спектрометров используется именно линейный закон изменения оптической разности хода в интерферометре Майкельсона. Во всех этих случаях благодаря постоянству скорости изменения оптической разности хода, интенсивность каждой спектральной составляющей излучения модулируется с частотой, пропорциональной ее волновому числу, и оптический спектр получается в результате непосредственного применения преобразования Фурье к временной зависимости электрического сигнала (интерферограммы), регистрируемой фотоприемником. Любое отклонение скорости изменения оптической разности хода от заданного постоянного значения приводит к искажению интерферограммы, а следовательно, и вычисляемого спектра излучения. Необходимость высокой степени стабилизации скорости перемещения зеркал требует сложных технических решений. При этом технические проблемы возрастают по мере расширения спектрального диапазона в сторону верхних частот, то есть при создании фурье-спектрометров для видимого и ультрафиолетового (УФ) спектральных диапазонов.
В качестве прототипа выбирается способ модуляции оптической разности хода, где одно из зеркал перемещается по синусоидальному (гармоническому) закону в патенте [6]. В этом случае отпадает необходимость в использовании сложных систем стабилизации скорости движения зеркала, что существенно упрощает техническую реализацию фурье-спектрометров для видимого и УФ- диапазонов. Хотя в этом случае оптический спектр не может быть получен непосредственным применением преобразования Фурье к измеренной интерферограмме, выполнение гармонического закона движения зеркала гарантирует существование математического преобразования, после которого фурье-преобразование все же может быть использовано для вычисления спектра [7].
Техническая задача
Использование синусоидального закона движения лишь для одного зеркала имеет ограничения. Увеличение амплитуды колебаний подвижного зеркала приводит к тому, что движение перестает быть синусоидальным, так как возникают высшие гармоники. Более того, амплитуда гармоник нарастает нелинейно по мере увеличения амплитуды основной гармоники. Появление высших гармоник в законе движения зеркала вносит некорректируемые искажения в измеряемую интерферограмму. Ограничение амплитуды колебаний, в свою очередь, лимитирует спектральное разрешение.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается следующая группа технических решений.
Интерферометр Майкельсона, содержащий, по крайней мере, два зеркала, колеблющихся по гармоническому закону с одинаковой частотой.
Интерферометр может быть реализован таким образом, что фазовый сдвиг колебаний зеркал обеспечивает максимальное изменение разности хода интерферирующих лучей.
Интерферометр может быть реализован таким образом, что для интерферометра с двумя колеблющимися зеркалами фазовый сдвиг составляет 180°.
Интерферометр может быть реализован таким образом, что закон колебания синусоидальный.
Интерферометр может быть реализован таким образом, что колебания зеркал реализованы с помощью электродинамических головок.
Интерферометр может быть реализован таким образом, что колебания зеркал реализованы с помощью пьезоэлектрических элементов.
Интерферометр может быть реализован таким образом, что включает генератор электрического напряжения, меняющегося по синусоидальному закону.
Фурье-спектрометр, включающий интерферометр по любому из пп. 1-3.
Фурье-спектрометр может быть реализован таким образом, что включает источник света, фотоприемники, устройство управления зеркалами и регистрации интерферограмм.
Фурье-спектрометр может быть реализован таким образом, что в качестве устройства управления зеркалами и регистрации интерферограмм использовано устройство приема, обработки и отображения информации.
Фурье-спектрометр может быть реализован таким образом, что в качестве устройства приема, обработки и отображения информации использован персональный компьютер, ноутбук или планшет. При этом специально разработанный интерфейс позволяет управлять интерферометром или спектрометром в оптимальном режиме.
Описание чертежей
Фиг. 1. Схема интерферометра Майкельсона. 1, 2 - группа зеркал соответственно первого и второго плеча интерферометра; 3 - делитель пучка; 4  - входной пучок излучения; 5 - выходной пучок излучения.
Фиг. 2. Схема фурье-спектрометра. 1 - источник света; 2 - коллимирующая линза; 3 - диафрагма входящего пучка; 4 - первое подвижное зеркало, перемещаемое по синосоидальному закону на частоте Ω, 5 - второе подвижное зеркало, перемещаемое по синусоидальному закону на частоте Ω в противофазе по отношению к первому подвижному зеркалу; 6 - полупрозрачное алюминиевое зеркало на плоскопараллельной пластинке из синтетического кварца; 7 - компенсатор дисперсии в виде плоскопараллельной пластинки из синтетического кварца; 8 - диафрагма выходящего пучка; 9 - светоделительная пластина для опорного канала; 10 - фотоприемник опорного канала; 11 - фокусирующая линза фотоприемника опорного канала; 12 - отделение для исследуемого образца; 13 - фокусирующая линза фотоприемника исследуемого излучения; 14 - фотоприемник исследуемого излучения; 15 - система управления и обработки.
Фиг. 3. Пример спектра поглощения стандартного стекла ЗС-7, измеренного с помощью заявляемого фурье-спектрометра.
Детальное описание решения
В настоящем изобретении предлагается интерферометр Майкельсона, отличающийся тем, что в нем предлагается использовать множество зеркал (n), которые колеблются на строго одинаковой частоте с относительно малой амплитудой, при которой обеспечивается синусоидальный закон колебаний. Изобретение основано на том, что сумма произвольного множества синусоидальных колебаний на одной и той же частоте может быть всегда представлена в виде результирующего движения по синусоидальному закону на этой же частоте независимо от постоянного фазового сдвига между отдельными колебаниями. Это свойство позволяет построить различные реализации интерферометра Майкельсона, в которых используется два или более зеркал, движущихся по синусоидальному закону на одной и той же частоте. Последнее, в свою очередь, позволяет достигнуть очень больших изменений оптической (порядка 4 см) разности хода и, соответственно, высокого спектрального разрешения фурье-спектрометров, при малых амплитудах колебаний отдельных зеркал.
Пример на Фиг. 1 показывает общую схему интерферометра, которая включает 2n зеркал. Интерферометр выполнен по классической схеме, за исключением того, что в каждом из плеч вместо одного зеркала используется группа из n зеркал, осциллирующих по синусоидальному закону. При этом группа зеркал (1) в первом плече интерферометра колеблется в противофазе с группой зеркал (2) во втором из плеч.
Рассмотрим более подробно принцип работы такого интерферометра.
1
2
3
n
n
Светоделитель (3) расщепляет входной световой пучок (4) на два пучка примерно равной интенсивности, которые соответственно попадают на две эквивалентные группы зеркал (1) и (2). Пучок в группе зеркал (2) отражается сначала зеркалом M и далее последовательно отражается зеркалами M, M…M. Зеркало M отражает пучок в обратном направлении. Так как все зеркала колеблются с частотой Ω, то результирующее изменение оптической разности хода во времени L(t), возникающее при прямом и обратном ходе пучка может быть представлено в виде:
где
i
i
i
1
2
3
n-1
n
амплитуда колебаний оптической разности хода от i-го зеркала, которое колеблется с амплитудой А, фазовым сдвигом φ, и отражает свет под углом θ. В примере, показанном на Фиг. 1, θ=22.5°, θ=θ=…=θ=45°, θ=0°.
m
m
m
-1
В случае, если в каждом из плеч используется лишь четыре зеркала, а фазовый сдвиг одинаков для всех зеркал, из (1) легко получить, что при одинаковой амплитуде колебаний зеркал равной, например, 1 мм, максимальное изменение оптической разности хода в одном из плеч интерферометра составит 2L≅1.96 см. Так как в первом из плеч колебания зеркал происходят в противофазе по отношению к зеркалам во втором плече, то общее изменение оптической разности хода будет 4L≅3.9 см, что соответствует очень высокому спектральному разрешению 1/(4L)≅0.25 см.
m
m
-1
Наиболее простая реализация фурье-спектрометра включает интерферометр, в котором лишь по одному осциллирующему зеркалу в каждом из плеч интерферометра, как это показано на Фиг. 2. В этом случае при амплитуде колебаний зеркал А=1 мм максимальная оптическая разность хода 4L составляет 0.8 см, а спектральное разрешение 1/(4L)≅1.3 см. Для видимого и УФ-спектрального диапазонов это достаточно высокое спектральное разрешение, соответствующее сотым долям нанометра, что сложно реализовать в спектрометрах дисперсионного типа.
-1
Так, например, в Фурье-спектрометре фирмы Thorlabs модель OSA 203 спектральное разрешение 0,25 см достигается при разности хода 8 см, то есть в два раза большей, чем в данном изобретении. Это связано с ограничением полезного отрезка движения зеркал с линейной скоростью.
Фурье-спектрометр (Фиг. 2) содержит источник света 1, коллимирующую линзу 2, диафрагму входящего пучка 3, подвижные зеркала 4 и 5 на электродинамических головках, полупрозрачное зеркало 6, компенсатор дисперсии 7, диафрагму выходящего пучка 8, делитель пучка для эталонного канала 9, фотоприемник эталонного канала 10, фокусирующую линзу для фотоприемника эталонного канала 11, отделение измеряемого образца 12, фокусирующую линзу для фотоприемника исследуемого излучения 13, фотоприемник исследуемого излучения 14, систему управления и обработки данных на основе компьютера 15.
Спектрометр работает следующим образом. В случае плоской монохроматической волны, падающей на полупрозрачный светоделитель 6, получаем две компоненты поля в соответствующих плечах интерферометра в плоскости делителя:
0
где E - амплитуда поля в падающей волне, Т, R - коэффициенты пропускания и отражения светоделителя соответственно, ω - частота излучения. Пусть разность хода волны, обусловленная изменением длины в одном из плеч интерферометра, равна δx. В этом случае суммарное поле в фокальной плоскости, где расположен фотоприемник, определяется как:
где k - волновой вектор, а x - общая длина пути от плоскости делителя до фотоприемника для каждой из волн при условии δx=0.
В случае, когда R=T=1/2
Сигнал, регистрируемый фотоприемником, пропорционален интенсивности излучения:
где E* - величина комплексно сопряженная с Е.
Таким образом, измеряя зависимость интенсивности I от общей разности хода 2δx, из соотношения (5) легко найти значение волнового числа k и соответствующую частоту излучения, которая связана с длиной волны и волновым вектором известным соотношением.
м
m
Если излучение характеризуется множеством спектральных частот, то интенсивность, регистрируемая фотоприемником, выражается соответствующей суперпозицией членов типа (5) для каждой из частот. Для протяженного спектра интерферограмма имеет максимум при δx=0, когда все спектральные компоненты синфазны. Спектральное разрешение прибора δν~1/28δx определяется максимальной разностью хода 2δx, обеспечиваемой двумя подвижными зеркалами.
Как уже отмечалось, в современных фурье-спектрометрах широко используется перемещение подвижного зеркала с постоянной скоростью. В этом случае каждая составляющая оптического спектра модулируется с частотой, пропорциональной волновому числу и скорости перемещения зеркала, и оптический спектр может быть получен в результате фурье-преобразования электрического сигнала от фотоприемника. Модуляция оптической разности хода по синусоидальному закону изменяет математику восстановления оптического спектра. Оптический спектр в этом случае не может быть получен в результате фурье-преобразованием интерферограммы, регистрируемой фотоприемником, что является одним из принципиальных особенностей заявляемого метода. Действительно, при колебаниях двух подвижных зеркал строго в противофазе по отношению друг к другу с частотой Ω, оптическая разность хода записывается как:
0
где А - амплитуда колебаний зеркала в каждом из плеч, φ - фазовый сдвиг по отношению к управляющему напряжению вида:
В соответствии с (5), для монохроматической волны интерферограмма определяется модулированной интенсивностью:
Преобразование Фурье от (9) дает протяженный спектр, а не линию, соответствующую монохроматической волне с волновым числом k/2π. Поэтому перед восстановленим оптического спектра с помощью преобразования Фурье требуется математическая обработка сигнала, учитывающая синусоидальный закон перемещения зеркал. Процедура этой обработки изложена в [7].
Фиг. 3 показывает пример зарегистрированного спектра поглощения одного из стандартных стекол (ЗС-7) в диапазоне 350-2500 нм с галогеновой лампой в качестве источника света. В данном примере спектральный диапазон ограничен областью чувствительности составных фотоприемников и спектральным диапазоном излучения от галогенной лампы. Спектр иллюстрирует высокий динамический диапазон (более 3-х порядков по оптической плотности), высокое спектральное разрешение и широкий спектральный диапазон прибора.
В отдельной реализации настоящего изобретения интерферометр Майкельсона устроен таким образом, что колебания зеркал реализованы с помощью электродинамических головок.
В еще одной реализации настоящего изобретения интерферометр Майкельсона устроен таким образом, что колебания зеркал реализованы с помощью пьезоэлектрических элементов.
Заявляемые интерферометр и реализованный на его основе фурье-спектрометр обеспечивают следующее ключевое преимущество по сравнению с прототипом. Повышение спектрального разрешения, которое достигается увеличением количества осциллирующих зеркал при сохранении той же амплитуды колебания зеркал и коэффициента нелинейных искажений.
Список используемой литературы:
1. В.А. Вагин, М.А. Гершун, Г.Н. Жижин, К.И. Тарасов, “Светосильные спектральные приборы”, М., Наука, 1988, с. 146-156.
2. US 3809481. Schindler. Single reflector interference spectrometer and drive system therefor. Filed: December 1, 1972.
3. US 7480055. Buijs et al. Two-beam interferometer for fourier transform spectroscopy with double pivot scanning mechanism. Filed: January 12, 2007.
4. US 5133598. Badeau. Command servo for moving mirror of Michelson interferometer. Filed: September 17, 1991.
5. US 6229614. Larsen. Interferometer. Filed: January 6, 1999.
6. Палто С.П., Блинов Л.М., Яковлев СВ., Вологин В.И., Шилин Ю.Н., «Способ модуляции оптической разности хода в интерферометре Майкельсона для Фурье-спектроскопии и Фурье-спектрометр для инфракрасного, видимого и УФ-спектральных диапазонов». Патент РФ №2239801, опубликован 10.11.2004.
7. Палто С.П. Диссертация на соискание степени д.ф.-м.н. “Эффекты молекулярного поля в пленках Ленгмюра-Блоджетт: Оптика и Штарк-спектроскопия”, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва 1998, глава 2, параграф 4, с. 54-64.