УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ СВЕТОВЫХ ПОТЕРЬ, ВЫЗВАННЫХ СФЕРИЧЕСКИМИ АБЕРРАЦИЯМИ В СИСТЕМЕ С ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ ФАБРИ-ПЕРО

Полезная модель относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для дополнительного увеличения освещенности щели регистратора при наличии сферических аберраций на коллимирующей линзе.
Компенсация световых потерь, связанных со сферическими аберрациями на коллимирующей линзе, основана на том, что форма пучка света на выходе коллимирующей линзы отклоняется от формы параллельного пучка, вследствие влияния сферических аберраций, а это позволяет дополнительно, относительно случая отсутствия сферических аберраций, увеличить яркость интерференционной картины на щелевой диафрагме регистратора. Увеличение яркости интерференционной картины на щелевой диафрагме регистратора основано на изменении формы сечения круглого входного пучка света на эллиптическую, увеличением его размера перед фокусирующей линзой по одной из осей, и расположением интерферометра Фабри-Перо в месте наименьшего сечения пучка света, за счет чего происходит большее сужение круглого пятна света в плоскости щелевой диафрагмы и увеличение ее освещенности, что приводит к попаданию большего количества света на регистрирующие приборы, расположенные за диафрагмой. Возможность дополнительно увеличить размер сечения пучка света выходящего из коллимирующей линзы связано с наличием сферических аберраций на коллимирующей линзе выражающемся в плавном сужении его диаметра до некоторого значения, после которого он снова увеличивается за счет размытия, таким образом получается подобие перетяжки. Уменьшение расходимости пучка света по одной из осей при помощи увеличения его размера ограничено радиусом интерферометра Фабри-Перо. Наличие перетяжки на некотором расстоянии от линзы, размер сечения пучка в которой меньше изначального более чем в два раза, позволяет использовать систему цилиндрических линз, увеличивающих размер пучка по одной из осей в большее количество раз относительно изначального, при неизменной апертуре интерферометра, а значит во столько же раз уменьшится его расходимость, что даст сжатие пучка света по оси цилиндрических линз в линию меньшей ширины.
Известно устройство коррекции сферических аберраций содержащем жидкий кристалл, описанное в европейском патенте EP №1892704 A1, МПК G11B 7/135, опубликованном 27.02.2008, где после коллимирующей линзы расположен компенсатор оптических искажений на основе жидкого кристалла.
Недостатками этого устройства являются не полная компенсация световых потерь вызванных сферическими аберрациями и дороговизна.
Известно устройство коллимирующего объектива и сканирующего устройства использующего этот объектив, описанное в патенте США US 6396640 B2, МПК G02B 27/30, опубликованном 28.03.2001, где вместо одной коллимирующей линзы расположено несколько линз с разными коэффициентами преломления, подобранных таким образом, что сферические аберрации отсутствуют.
Недостатками этого устройства являются не полная компенсация световых потерь вызванных сферическими аберрациями.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип), является устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с волоконным вводом излучения, описанное в Патент РФ №2511606, МПК G01P 3/36, опубликован 10.04.2014 г., содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо, длиннофокусную строящую линзу в фокальной плоскости которой находится щелевая диафрагма и детектор, отличающемся тем, что содержит последовательно расположенные на одной оптической оси перед цилиндрической линзой с положительным фокусным расстоянием коллимирующую линзу и две цилиндрических линзы с отрицательным фокусным расстоянием. В котором изменяется форма сечения круглого входного пучка света на эллиптическую, за счет чего происходит увеличение освещенности щелевой диафрагмы и попадание большего количества света на регистрирующие приборы, расположенные за диафрагмой.
Недостатком прототипа является отсутствие компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является возможность компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо, поскольку учитывается влияние сферических аберраций на форму пучка света, использование которой позволяет снизить ограничения апертуры интерферометра на возможности увеличения света на выходной щелевой диафрагме, что компенсирует ослабляющий эффект сферических аберраций и даже превышает его.
Технический результат достигается тем, что устройство для компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси коллимирующую линзу, две цилиндрические линзы с отрицательным фокусным расстоянием, цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо, длиннофокусную линзу в фокальной плоскости которой находится щелевая диафрагма и детектор, интерферометр Фабри-Перо расположен так, что его центр базы находится в точке минимального сечения светового пучка, которая возникает вследствие сферических аберраций на коллимирующей линзе, и в качестве двух цилиндрических линз с отрицательным фокусным расстоянием и цилиндрической линзы с положительным фокусным расстоянием используются цилиндрические линзы с фокусными расстояниями, позволяющими увеличить размер сечения пучка света больше апертуры интерферометра.
Единственным ограничением на минимальную толщину конечного пятна света, настраиваемую цилиндрическими линзами, является величина эффективной области интерферометра Фабри-Перо, так как, уменьшая расходимость света, приходится увеличивать сечение пучка. Влияние сферических аберраций ход лучей после коллимирующей линзы искажает параллельный пучок так, что он сначала сужается после выхода из линзы, а затем начинает постепенно размываться, снова увеличиваясь по ширине. Точка минимального сечения пучка находится на расстоянии от коллимирующей линзы, примерно в пять раз большем, чем ее фокусное расстояние. Следовательно, в точке минимального диаметра пучка, до его размытия, возможно увеличить его сечение, уменьшая расходимость света, в большее количество раз при прежнем ограничении величиной эффективной области (апертуры) интерферометра Фабри-Перо. В точке минимального сечения пучка, где размытие еще несущественно, ширина пучка света сужается приблизительно в 2,5 раза от ширины пучка на выходе коллимирующей линзы, а следовательно, и от ширины параллельного пучка света, который должен быть в случае отсутствия сферических аберраций. Тогда минимальная толщина конечного пятна света, настраиваемая цилиндрическими линзами, уменьшится во столько раз, во сколько раз сужается пучок света. Результатом будет возможность увеличения яркости засветки щелевой диафрагмы в равное количество раз. При этом ослабление засветки щелевой диафрагмы вследствие влияния сферических аберраций на коллимирующей линзе не превышает 30 процентов, откуда следует, что данный способ позволяет использовать сферические аберрации для дополнительного увеличения яркости конечной световой полосы.
На фиг. 1 приведены две проекции блок-схемы одного из возможных вариантов оптической системы измерителя смещений длины волны излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо. Пунктиром показаны границы пучка в отсутствии сферических аберраций на коллимирующей линзе, сплошной линией - границы пучка вследствие их влияния. В верхней части изображен вид сверху, в нижней - вид сбоку, где: 1 - выход волоконно-оптического кабеля; 2 - коллимирующая линза; 3, 4 -цилиндрические линзы с отрицательным фокусным расстоянием; 5 - цилиндрическая линза с положительным фокусным расстоянием; 6 - интерферометр Фабри-Перо; 7 - длиннофокусная линза, строящая изображение интерференционных колец; 8 - щелевая диафрагма; 9 - регистратор положения интерференционных максимумов (детектор); 10 - точка наименьшего сечения пучка света.
На фиг. 2 показано выходное изображение оптической системы компактного измерителя скорости в фокусе строящей линзы без цилиндрических линз и интерферометра.
На фиг. 3 показано выходное изображение оптической системы компактного измерителя скорости в фокусе строящей линзы без цилиндрических линз (схематично показана щелевая диафрагма регистратора).
На фиг. 4 показано выходное изображение оптической системы измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с расстоянием между зеркалами 100 мм, коллимирующей линзой с фокусным расстоянием 100 мм, строящей линзой с фокусным расстоянием 1000 мм и цилиндрическими линзами с фокусными расстояниями минус 200, минус 150, 300 мм и диаметром оптического волокна 300 мкм.
На фиг. 5-11 показаны изображения и профили яркости распределения света в пучке света, получаемые на разных расстояниях от коллимирующей линзы при действии сферических аберраций. Линза с фокусным расстоянием f=100 мм, источник света - волокно диаметром 0.3 мм и числовой апертурой NA=0.22:
на фиг. 5 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 2 мм,
на фиг. 6 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 100 мм,
на фиг.7 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 300 мм,
на фиг. 8 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 450 мм,
на фиг. 9 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 530 мм,
на фиг. 10 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 990 мм,
на фиг. 11 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы равном 2000 мм.
Все изображения на фиг. 2-11 получены моделированием в программе ZEMAX.
Устройство содержит последовательно расположенные вдоль одной оптической оси выход 1 волоконно-оптического кабеля, являющийся источником излучения, коллимирующую линзу 2, две цилиндрические линзы 3 и 4 с отрицательным фокусным расстоянием, цилиндрическую линзу 5 с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо 6, расположенный так, что его центр базы расположен в точке 10 наименьшего сечения пучка света, длиннофокусную линзу 7, строящую изображение интерференционных колец, щелевую диафрагму 8 и регистратор 9.
Наличие точки 10 наименьшего сечения пучка света, связанное с влиянием сферических аберраций на коллимирующей линзе 2, позволяет подобрать цилиндрические линзы 3, 4 и 5 таким образом, чтобы сечение пучка в областях на расстоянии половины длины интерферометра Фабри-Перо 6 от точки 10 наименьшего сечения пучка света, являющейся аналогом перетяжки, было равно диаметру эффективной области интерферометра Фабри-Перо 6, при этом увеличение будет больше, чем при параллельном пучке в отсутствии аберраций.
Устройство работает следующим образом: коллимирующая линза 2 преобразует расходящийся пучок света, идущий из выхода 1 волоконно-оптического кабеля, в максимально близкий к параллельному. Цилиндрическая линза 3 с отрицательным фокусным расстоянием преобразует почти параллельный пучок света в расходящийся по одной оси. Вторая цилиндрическая линза 4 с отрицательным фокусным расстоянием увеличивает расходимость пучка света. Цилиндрическая линза 5 с положительным фокусным расстоянием преобразует расходящийся пучок света снова в максимально коллинеарный, но эллиптической формы, увеличенный по одной оси. На интерферометре Фабри-Перо 6, расположенном своим центром в точке 10 наименьшего сечения пучка, свет многократно отражается от его зеркал создавая угловое распределение, определяемое интерференцией. Длиннофокусная линза 7, строящая изображение интерференционных колец, фокусирует пучок света, создавая в фокальной плоскости изображение концентрических интерференционных колец, частично освещенных эллиптическим пятном света (Фиг. 4). Щелевая диафрагма 8, расположенная в фокальной плоскости длиннофокусной линзы 7, строящей изображение интерференционных колец, вырезает из освещенной области кольцевой интерферометрической картины вертикальную систему точек. Вследствие эллиптической формы освещенной области интерферометрической картины, через щелевую диафрагму 8 проходит большая часть падающего на нее света. Регистратор 9 используется в качестве детектора, фиксирующего вертикальное положение световых точек, для сравнения с положением точек при измененной длине волны, когда диаметры интерференционных колец изменятся.