Статический фурье-спектрометр для видимой области спектра

 

Изобретение касается оптического спектрального приборостроения. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия. Излучение поступает в Фурье-спектрометр через входную диафрагму 1. Коллимирующий объектив 2 направляет излучение на интерферометр Майкельсона, содержащий светоделитель 3, первое зеркало 5 и второе зеркало 4. Проекционный объектив 6 переносит интерференционную картину на оптический процессор 7 с устройством записи голограмм. Первое зеркало 5 интерферометра Майкельсона выполнено в виде отражательного эшелона Майкельсона. Второе зеркало 4 развернуто на угол α=arctg(h/D_св) относительно оси, параллельной перпендикуляру к рабочим поверхностям отражательного эшелона Майкельсона, где h - расстояние между соседними площадками эшелона Майкельсона вдоль оптической оси интерферометра, D_св - рабочий размер эшелона Майкельсона вдоль площадок. Фурье-спектрометр используется в видимой области спектра, работающей в реальном масштабе времени с сохранением "мультиплексфактора". Возможен анализ быстроизменяющихся и короткоживующих источников излучения. 1 ил.

Изобретение касается спектрального приборостроения. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия. На чертеже показана схема статического Фурье-спектрометра. Статический Фурье-спектрометр для видимой области спектра содержит входную диафрагму 1, коллимирующий объектив 2, светоделитель 3, зеркало 4, развернутое относительно оси ОО₁ на угол α, зеркало 5, выполненное в виде ступенчатого набора зеркальных площадок типа отражательного эшелона Майкельсона, проекционный объектив 6, однокаскадный оптический Фурье-процессор 7, содержащий управляемый транспарант 8, источник 9 напряжения, переключатель 10, лазер 11, расширитель 12 пучка, поляризатор 13, светоделитель 14, анализатор 15, Фурье-линзу 16, многоэлементный фотоприемник-ПЗС-матрицу 17, генератор 18 управляющих сигналов, спецпроцессор 19 нормировки и усреднения спектрограмм, импульсный источник 10 некогерентного излучения и оптические затворы 21, 22. Светоделитель 3 и зеркала 4, 5 образуют интерферометр Майкельсона. Спектрометр работает следующим образом. Излучение через входную диафрагму 1 попадает на объектив 2, который коллимирует пучок излучения и направляет его на светоделитель 3 интерферометра Майкельсона. В интерферометре Майкельсона расщепленные пучки от зеркала 4 и зеркала 5, выполненного в виде эшелона Майкельсона, после второго прохождения через светоделитель 3 образуют два пучка, наклоненные друг к другу на угол 2α. Проекционным объективом 6 эти пучки сводятся на поверхность управляемого транспаранта 8, где наблюдается двумерная интерференционная картина. Эта картина является следствием интерференции излучения исследуемого источника в двумерной стpуктуре, образованной зеркальными площадками эшелона Майкельсона и изображением зеркала 4 в светоделителе 3. За счет отличного от нуля угла α в этой структуре формируется набор "воздушных клиньев", причем толщина каждого из них изменяется линейно по координате х, а при переходе от одного клина к другому (по координате y) скачкообразно. Результатом интерференции параллельного пучка лучей на оптическом "воздушном клине" является интерференционная картина полос равной толщины, плоскость локализации которой совпадает с наклонной к пучку поверхностью клина, если вторая поверхность клина ориентирована нормально к падающему на клин параллельному пучку лучей. Чтобы спроецировать интерференционную картину на управляемый транспарант 8, ось системы проекционный объектив 6 - управляемый транспарант 8 ориентирована по биссектрисе угла между пучками лучей, отраженными от поверхностей клина, т.е. объектив 6 и управляемый транспарант 8 развернуты на угол α относительно оси ОО₁. Угол α должен быть выбран из условия, при котором α = arctg , (1) где h - расстояние между соседними площадками эшелона вдоль оптической оси интерферометра; D_св - рабочий размер эшелона Майкельсона вдоль площадок. Прямоугольность эшелона Майкельсона и выбор угла α по соотношению (1) обеспечивают непрерывность представления интерферограммы по оптической разности хода при переходе от одной площадки эшелона к другой. В результате на поверхность управляемого транспаранта 8 фокусируется оптическая интерферограмма последующего источника в кусочно-линейном представлении и в виде набора строк, количество которых равно числу площадок эшелона Майкельсона. Управляемый транспарант 8 типа свет-свет в качестве устройства ввода оптического процессора используется для непосредственной записи интерферограммы без преобразования ее в электрический сигнал. Он работает циклически и имеет две основные фазы цикла: запись интерферограммы и последующее ее считывание с помощью другой световой волны. По команде с генератора 18 управляющих сигналов открывается оптический затвор 21 и начинается фаза записи интерферограммы. Через время, достаточное для обеспечения требуемой экспозиции на управляемом транспаранте 8, оптический затвор 21 закрывается. За время экспозиции на управляемый транспарант 8 записывается двумерная голограмма. Так как в схеме записи голограммы исключены все сканирующие механические элементы, то быстродействие схемы записи голограммы ограничено только энергетически характеристиками источника и схемы. Считывание голограммы с управляемого транспаранта 8 производится с помощью оптического Фурье-процессора. Частота получения спектров (или время экспозиции) может регулироваться генератором 18 управляющих сигналов в зависимости от мощности исследуемого источника от максимально допустимой частоты кадров ПЗС-фотоматрицы 17 (например, соответствующей телевизионному стандарту 50 Гц) до значений в области единиц и долей Гц. При этом время формирования и записи голограммы может быть порядка 10^-3 с и менее. Таким образом, статический Фурье-спектрометр используется в видимой области спектра, работает в реальном масштабе времени с сохранением "мультиплекс-фактора", предназначен для обработки достаточно больших массивов информации, определяемых информационной емкостью управляемого транспаранта -10⁴ -10⁶ отсчетов в динамическом диапазоне 40-60 дБ с частотой повторения спектрограмм до 50 Гц. Сохраняя параметры прототипа по производительности обработки, спектрометр одновременно позволяет анализировать спектральный состав быстроизменяющихся и короткоживущих источников оптического излучения с повышенной по сравнению с прототипом фотометрической точностью.

Формула изобретения

СТАТИЧЕСКИЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА, содержащий оптически связанные входную диафрагму, коллиматор, интерферометр Майкельсона, снабженный светоделителем, первым и вторым зеркалом, проекционный объектив и оптический процессор с устройством записи голограммы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, первое зеркало выполнено в виде отражательного эшелона Майкельсона, а второе зеркало развернуто на угол относительно оси, параллельной перпендикуляру к рабочим поверхностям отражательного эшелона Майкельсона, где h - расстояние между соседними площадками эшелона Майкельсона вдоль оптической оси интерферометра, D_св - рабочий размер эшелона Майкельсона вдоль площадок.

РИСУНКИ

Рисунок 1