СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО
METHOD FOR MULTICHANNEL MEASUREMENT OF LIGHT WAVELENGTH SHIFT USING FABRY-PEROT INTERFEROMETER

Изобретение 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 был ближе псевдофокусов всех исследуемых областей к интерферометру. Затем в месте оптической оси, в котором лучи, засвечивающие разные области интерферограммы, уже пространственно разделены, на путях лучей, засвечивающих несфокусированные области, размещают оптические элементы, осуществляющие задержку по фазе, которые увеличивают длину хода лучей до места расположения плоскости регистрации так, чтобы их псевдофокус также совпал с плоскостью регистрации. 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 неисследуемых областей. Получение высокого качества интерференционной картины одновременно с обеих сторон от центра позволяет с большой точностью регистрировать положение колец в разных областях изображения, увеличивая количество каналов.
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, изображение концентрических колец становится четким на всей площади регистратора.
Недостатками этого способа являются большие потери света на рассеяние, засветка неиспользуемых областей интерферограммы, невозможность засветки разных областей интерферограммы независимыми источниками света.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип) является способ регистрации смещения длины волны света по двум областям интерферограммы, реализованный в приборе для измерения скорости ветра на средней высоте с использованием эффекта Допплера «Патент США №5088815, МПК G01P 3/36, 1992 г.», в котором импульсы света лазера рассеивают телескопом и направляют на 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 на выходе интерферометра световой поток разделяют двойной призмой на два потока, соответствующих каждому из эталонов. Измерительное устройство содержит по меньшей мере два измерительных канала.
Недостатками этого прототипа являются невозможность одновременных измерений смещений частоты излучения от разных независимых источников в одном канале, засветка неиспользуемых областей интерферограммы, отсутствие резкости интерференционных колец с обеих сторон от центра интерферограммы.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является возможность одновременных измерений смещений частоты излучения от разных независимых источников в одном канале, отсутствие засветки неиспользуемых областей интерферограммы, высокая резкость интерференционных колец с обеих сторон от центра интерферограммы.
Технический результат достигается тем, что в способе многоканального измерения смещения длины волны света с использованием интерферометра Фабри-Перо, заключающемся в том, что свет источника света через коллимирующую систему направляют на интерферометр Фабри-Перо, а затем фокусируют линзой интерферометрическую картину на регистраторе, на интерферометр Фабри-Перо направляют свет от нескольких независимых источников света, освещающих различные области интерферометрической картины, а затем в каждой области интерферометрической картины компенсируют размытие интерферометрических колец, вызванное непараллельностью зеркал интерферометра, заменяя на регистраторе плоскость фокуса на плоскость, где лучи всех интерференционных картин непараллельного интерферометра Фабри-Перо пересекаются, создавая частичный псевдофокус.
Разница в базе интерферометра Фабри-Перо в разных областях компенсируется непосредственно в исследуемой области смещением фазы засвечивающего данную область излучения в плоскости частичных псевдофокусов.
Смещение фазы производится либо проведением луча через более плотный прозрачный материал, либо при больших отклонениях положения фокуса изломом хода лучей несколькими зеркалами. В случае необходимости плавной регулировки фазы для равного увеличения фокусировки соседних колец в луч добавляется оптический клин, угол скоса которого зависит от степени непараллельности зеркал интерферометра. Смещение направления луча, вызванное клином, компенсируется либо поворотными зеркалами, либо меньшим клином, стоящим раньше по ходу луча.
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 поэтому 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 длиннофокусной линзы; 5, 6, 7 - группы лучей с различными углами падения на интерферометр; 8, 9 - частичные псевдофокусы; 13 - длиннофокусная линза, формирующая изображение интерференционных колец. В реальном многолучевом интерферометре Фабри-Перо разница в положениях частичных псевдофокусов будет больше.
На фиг.2 приведен вариант схемы измерителя смещения длины волны лазерного излучения, в котором использован описанный способ многоканального измерения смещения длины волны света с использованием 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 плотного оптического материала; 16 - плоскость регистрации; 17 - интерференционные максимумы.
На фиг.3 приведен увеличенный фрагмент другого варианта схемы схемы измерителя смещения длины волны света на основе интерферометра Фабри-Перо, расположенный после длиннофокусной линзы 13, где 18 - фазовая задержка из четырех поворотных зеркал.
На вход оптической системы измерителя подается свет от нескольких независимых источников излучения 10, в фокальной плоскости 4 длиннофокусной линзы 13, формирующей изображение интерференционных колец, строится изображение входных источников излучения 10. Образуются области интерференционной картины, засвеченные независимыми пучками света. Масштаб изображения источников излучения 10 в фокальной плоскости 4 длиннофокусной линзы 13 зависит от соотношения фокусов линз 11 и 13. 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. Длиннофокусная 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.
Изображение входных источников излучения 10 наложено на интерферометрическую картину, состоящую из концентрических колец. Вследствие наклона зеркал 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12, вызванного погрешностью сборки, в фокальной плоскости 4 длиннофокусной линзы 13 строится несколько независимых соосных интерферометрических картин, строящихся различными группами лучей 5, 6 и 7 с различными углами падения на интерферометр Фабри-Перо 12 с разными диаметрами колец, которые соответствуют различным областям интерферометра Фабри-Перо 12 с различным расстоянием между зеркалами 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12. Углы падения каждой группы лучей 5, 6 и 7 с различными углами падения на интерферометр Фабри-Перо 12 соответствуют условиям интерференции для различных расстояний между зеркал. В окрестности фокальной плоскости 4 длиннофокусной 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 или 9. Диаметры интерферометрических колец первых порядков более чувствительны к изменениям расстояния между зеркалами 1 и 2 интерферометра Фабри-Перо 12, поэтому их частичные псевдофокусы 8 и 9 будут дальше от фокальной плоскости 4 длиннофокусной линзы 13. В плоскость частичного псевдофокуса 8 наиболее широкой из освещенных области интерферометра Фабри-Перо 12 размещается плоскость регистрации 16 положения интерференционных максимумов 17. Эта плоскость расположена ближе остальных к длиннофокусной линзе 13. Плоскости расположения частичных псевдофокусов 8 и 9 остальных областей интерферометрической картины смещаются в плоскость регистрации 16 увеличением оптического пути до плоскости регистрации 16. Увеличение оптического пути лучей, освещающих конкретную область интерферограммы, может осуществляться увеличением среднего показателя преломления среды, в которой проходят лучи, для этого на их оси ставится фазовая задержка из плотного оптического материала 15, изображенная на фиг.2. Для каждой области интерферограммы фазовая задержка из плотного оптического материала 15 подбирается отдельно исходя из положения частичного псевдофокуса 8 и 9 относительно фокальной плоскости 4 длиннофокусной линзы 13. В случаях, когда фазовой задержки из плотного оптического материала 15 недостаточно, можно использовать фазовые задержки из четырех поворотных зеркал 18 с регулировкой расстояния между поворотными зеркалами, как показано на фиг.3.