КОНФОКАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использована для регистрации с высоким разрешением оптических спектров разнообразных источников света - таких как лазеров, светоизлучающих светодиодов и пр., а также для измерения глубины высокочастотной модуляции интенсивности света, производимых электрооптическими или акустооптическими модуляторами.
Известно техническое решение, используемое в системе термокомпенсатора (Патент US 8607513 “Thermal growth compensators, systems, and methods”, МПК F03G 7/06, F16B 9/00, F24J 2/52, опубликован 04.07.2013 г.). Система, сохраняющая при изменении температуры расстояние между первым и вторым опорными концами, состоит из трех удлиненных элементов - например, трубок, вставленных друг в друга, - которые соединяются «змейкой»: первая внутренняя трубка одним концом соединяется с концом внешней трубки, дальним от первого опорного конца системы, а другим концом первая внутренняя трубка соединяется с концом второй внутренней трубки, дальним от второго опорного конца системы. Коэффициент линейного термического расширения (КТР) первой внутренней трубки больше КТР внешней и второй внутренней трубки, длина внутренней трубки подобрана так, чтобы ее термическое удлинение/сокращение было равным суммарному термическому удлинению/сокращению внешней и второй внутренней трубок.
Недостатком представленного технического решения является необходимость заключения системы в отдельный корпус для защиты от внешних механических воздействий и для цельности конструкции.
Известно техническое решение, используемое в лазерном оптическом резонаторе (Патент US RE 31279 E “Laser optical resonator”, МПК H01S 3/086, H01S 3/034, опубликован 14.06.1983 г.), в котором длина промежутка между зеркалами фиксируется за счет того, что стержни, к которым крепятся зеркала, изготовлены из материала с низким КТР и помещены в трубки (рубашки) из материала с высокой теплопроводностью, что обеспечивает перераспределение тепла вдоль стержней, исключая неоднородность их нагрева.
Недостатком представленного технического решения является то, что изменение расстояния между зеркалами вследствие колебаний температуры окружающей среды исключается полностью только применением для изготовления стержней дорогостоящих специальных керамик (например, Cer-Vit).
Известно техническое решение, представленное в интерферометре, производимом фирмой ThorLabs (модель SA210-3B, http://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=SA200-3B), выбранного в качестве прототипа. Конструкция интерферометра представляет собой инваровую трубку и два зеркала, присоединенные непосредственно к трубке с торцов.
Недостатком известного технического решения является то, что для снижения остаточного КТР и повышения стабильности частоты максимумов пропускания используется комбинация специальных материалов, обладающих КТР противоположных знаков (например, инвар и специальная керамика). Выбор таких материалов очень ограничен, что делает изготовление интерферометра дорогостоящим и специфическим.
Перед авторами стояла задача разработать конфокальный интерферометр Фабри-Перо, обладающего повышенной стабильностью частоты максимумов пропускания, используя при этом широкий круг материалов для изготовления интерферометра.
Поставленная задача решается тем, что конфокальный интерферометр Фабри-Перо состоит из трубки, первого зеркала и второго зеркала, присоединенного своею рабочей поверхностью непосредственно к трубке с торца, дополнительно оснащен втулкой, снабженной первым опорным выступом на внешней поверхности с одного конца и вторым опорным выступом на внутренней поверхности с другого конца, втулка вставлена в трубку, первый опорный выступ втулки соединен с торцом трубки, а второй опорный выступ втулки соединен с рабочей поверхностью первого зеркала, втулка выполнена длиной такой, что термическое изменение длины втулки равно термическому изменению длины трубки, и из материала, термический коэффициент линейного расширения которого больше, чем термический коэффициент линейного расширения материала трубки.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в снижении погрешности измерения спектра излучения, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого конфокального интерферометра Фабри-Перо, где 1 - второе зеркало, 2 - трубка, 3 - втулка, 4 - первое зеркало.
На фиг. 2 представлена фотография с экрана осциллографа спектра пропускания конфокального интерферометра Фабри-Перо, полученного с помощью излучения одночастотного лазера, частота которого перестраивалась подачей пилообразного напряжения на управляющую пьезокерамику.
2
1
1
2
Заявляемый конфокальный интерферометр Фабри-Перо работает следующим образом. Второе зеркало 1 своею рабочей поверхностью присоединено к трубке 2 с одного торца. Второе зеркало может быть выполнено, например, в виде плоского зеркала. С другого торца в трубку 2 вставлена втулка 3, имеющая опорные выступы: первый опорный выступ на внешней поверхности с одного конца и второй опорный выступ на внутренней поверхности. Трубка 2 и втулка 3 изготавливаются из различных материалов. Первым опорным выступом втулка 3 опирается на торец трубки 2 и закрепляется там. Второй опорный выступ втулки 3 соединен с рабочей поверхностью первого зеркала 4. Первое зеркало 4 может быть выполнено, например, в виде сферического вогнутого зеркала. Таким образом, трубка 2 является несущей деталью и совмещает в себе функцию фиксации расстояния L между рабочими поверхностями первого зеркала 4 и второго зеркала 1 и функцию корпуса, упрощающего конструкцию при сохранении ее жесткости. При этом выполняется соотношение L=l-l, где l - расстояние между опорными поверхностями выступов втулки 3, а l - длина трубки 2.
1
2
1
2
1
2
1
-7
-1
-5
-1
14
Изменение температуры внешней среды приводит к термическому изменению размеров l и l. Термическое изменение заданного расстояния между первым зеркалом 4 и вторым зеркалом 1 L становится нулевым при выборе размеров l и l такими, что l=L/(1/x-1), l=L/(1-x), где x - это отношение КТР материала трубки 2 к КТР материала втулки 3 (x<1). Таким образом, для изготовления трубки 2 и втулки 3 могут быть использованы различные широкодоступные материалы, удовлетворяющие условию: КТР материала втулки 3 должен быть больше КТР материала трубки 2. При радиусе кривизны рабочей поверхности первого зеркала 4 250 мм, L=250 мм, свободный спектральный интервал интерферометра 300 МГц. В интерферометре использовали плавленый кварц с КТР 5,4∗10 К для изготовления трубки 2 и текстолит с КТР k=2,0∗10К для изготовления втулки 3. При этом длина трубки 2 составляла 256,9 мм, а размер втулки 3 l=6,9 мм. При точности изготовления и сборки δ=0,1 мм остаточное термическое изменение расстояния L составит δ∗k=2 мкм/К. Дрейф частоты δν максимума пропускания интерферометра на каждый градус изменения температуры можно записать в виде: δν=ν∗k∗δ/L, где ν - частота анализируемого света. Для частоты света 5∗10 Гц получим дрейф частоты в максимуме пропускания 4 МГц на каждый градус изменения температуры, что составляет менее 1,4% от свободного спектрального интервала интерферометра.
На Фиг. 2 представлен спектр пропускания заявляемого конфокального интерферометра Фабри-Перо, полученный сканированием частоты одночастотного лазера. Как видно он состоит из узких пиков разнесенных, согласно расчетам, на расстояние 300 МГц. Измеренная спектральная резкость составила величину равную 120, что соответствует ширине пика 2,5 МГц. Интерферометр не имел специальной теплоизоляции, находился в естественных термических условиях. За период наблюдения в течение нескольких часов положения пиков в спектре смещались на величину порядка ширины пика, т.е. порядка 1% свободного спектрального интервала, что подтверждает повышенную стабильность интерферометра, достигающуюся при использовании широкодоступных материалов для его изготовления.
Преимуществом заявляемого конфокального интерферометра Фабри-Перо является упрощение конструкции при сохранении ее жесткости, снижении стоимости интерферометра за счет применения менее дорогостоящих материалов.