Интерферометр и спектрометр преобразования фурье

 

Интерферометр содержит расщепитель луча (ВS) и два сканирующих зеркала (М1, М2), которые расположены параллельно на общем скользящем элементе, который может линейно перемещаться. Интерферометр дополнительно содержит два компенсирующих зеркала (М3, М4), расположенные между расщепителем луча (ВS) и сканирующими зеркалами (М1, М2). Расщепитель луча (ВS) и каждое из компенсирующих зеркал (М3, М4) расположены ортогонально. Интерферометр имеет хороший допуск на неточности в перемещении сканирующих зеркал (М1, М2). Интерферометр можно применять для изготовления компактного и недорогостоящего спектрометра преобразования Фурье. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к интерферометру, содержащему расщепитель луча, который предназначен для образования первого и второго лучей от падающего пучка, и первый и второй отражатели, предназначенные для приема соответственно первого и второго лучей и для отражения их назад расщепителю луча.

Также настоящее изобретение относится к спектрометру преобразования Фурье.

Предшествующий уровень техники Известный интерферометр Майкельсона, который состоит по существу из расщепителя луча и первого и второго зеркал, является примером интерферометра упомянутого типа. В интерферометре Майкельсона расщепитель луча отражает часть падающего пучка в сторону первого зеркала и передает часть падающего пучка в сторону второго зеркала. Два зеркала отражают лучи назад расщепителю луча, который объединяет их в один луч, падающий затем на детектор. В зависимости от различия в расстоянии между расщепителем луча и соответствующими зеркалами возникает конструктивная и деструктивная интерференция между лучами. Эту интерференцию можно зарегистрировать с помощью детектора.

Интерферометр типа Майкельсона можно использовать, например, в спектрометре преобразования Фурье, для определения спектра света от широкополосного источника света. В обычном спектрометре преобразования Фурье одно зеркало служит в качестве сканирующего зеркала, и оно линейно перемещается, таким образом расстояние до расщепителя луча и, следовательно, интерференционная картина на детекторе постоянно изменяются. Таким образом, интерферограмма может быть зарегистрирована детектором. Затем можно определить спектр падающего света посредством преобразования /разложение в ряд/ Фурье.

Недостатком известных интерферометров является то, что оптические элементы необходимо точно устанавливать относительно друг друга, если один из них предназначен для получения интерференционной картины, пригодной для применения.

В интерферометре Макельсона расщепитель луча расположен так, что угол падения падающего пуска равен 45^o. Кроме того, первое зеркало и второе зеркало расположены ортогонально, и первый и второй лучи падают на зеркала в перпендикулярном направлении. Если, например, одно зеркало перемещается так, что луч не прибывает в перпендикулярном направлении, то плотность полос интерференционной картины будет увеличиваться. Когда имеется значительное смещение, полосы не могут наблюдаться в результате слишком высокой плотности.

В спектрометре преобразования Фурье точную установку необходимо поддерживать во время всего линейного перемещения сканирующего зеркала, что делает установку критической.

Для уменьшения высоких требований к точной установке во время перемещения зеркала можно установить известным способом с ретроотражателями. Однако ретроотражатели являются дорогостоящими и, кроме того, невозможно компенсировать любые угловые погрешности, которые могут возникнуть в производстве или в результате температурных изменений, старения и т.п.

Для поддержания точной установки оптических элементов применяют, как известно, также неподвижные зеркала для отражения двух лучей назад в расщепитель луча и для изменения длины пути одного луча при помощи вращающегося элемента, например, вращающегося интерферометра Фабри-Перо. В патенте EP N 0491435 раскрыт интерферометр, имеющий два параллельных, противоположно расположенных зеркала, которые вращаются для изменения длины пути к одному неподвижному зеркалу. Однако этот способ имеет недостаток в том, что лучи перемещаются через поверхности неподвижных зеркал, таким образом к их качеству предъявляются очень высокие требования. Кроме того, длину пути можно изменить только до незначительной степени.

Из патента США 4319843, G 02 B 9/02 известен интерферометр, содержащий расщепитель луча, предназначенный для образования первого и второго лучей из падающего пучка, и четыре отражателя, при этом первый и второй отражатели жестко соединены между собой и установлены на линейно перемещающемся элементе, третий и четвертый отражатели установлены между расщепителем луча и первым и вторым отражателями соответственно, при этом первый и второй отражатели выполнены подвижными. Предложенный интерферометр имеет двумерную конфигурацию, а подвижные отражатели являются ретроотражателями.

Из А. С. 1384936, G 02 B 9/02, 1988 известен интерферометр, содержащий расщепитель луча, предназначенный для образования первого и второго лучей из падающего пучка, и четыре отражателя, причем третий и четвертый отражатели установлены между расщепителем луча и первым и вторым отражателем соответственно, при этом третий отражатель выполнен подвижным. Предложенный интерферометр имеет двумерную конфигурацию. Все отражатели являются ретроотражателями.

Раскрытие изобретения В основу настоящего изобретения положена задача создания интерферометра, который имеет хороший допуск на неточность перемещения сканирующих оптических элементов, который может иметь компактную конструкцию, и в котором лучи не движутся через оптические элементы, когда различие в длине пути между лучами изменяется.

Другой задачей настоящего изобретения является создание спектрометра преобразования Фурье, который может иметь компактную конструкцию.

Эти задачи решаются при помощи интерферометра, имеющего отличительные признаки, раскрытые в приложенном пункте 1 формулы изобретения, а также спектрометром преобразования Фурье, отличительные признаки которого раскрыты в пункте 8.

Итак, интерферометр в соответствии с настоящим изобретением основан на принципе линейного перемещения отражателей, отражающих первый и второй лучи назад в расщепитель луча для изменения различия в длине пути. Таким образом оба луча будут, во время всей операции сканирования, падать на отражатели в одних и тех же точках. Благодаря одновременному линейному перемещению двух отражателей отношение между, с одной стороны, изменением различия в длине пути и, с другой стороны, перемещением соответствующих зеркал составляет 4: 1, которое означает, что значительное изменение различия в длине пути может достигаться, хотя и сохраняется компактная конструкция интерферометра. Кроме того, интерферометр содержит третий и четвертый отражатели, расположенные на путях лучей соответственно первого и второго лучей между расщепителем луча и соответственно первым и вторым отражателями. Третий и четвертый отражатели, а также расщепитель луча установлены так, чтобы быть перпендикулярными. Более конкретно, перпендикулярные направления расщепителя луча, третьего и четвертого отражателей расположены ортогонально. Таким образом интерферометр имеет трехмерную конфигурацию. Третий и четвертый отражатели компенсируют любые неточности в линейном перемещении первого и второго отражателей, причем третий отражатель компенсирует неточности в одном направлении, тогда как четвертый отражатель компенсирует неточности в другом направлении, перпендикулярном первому. Такое компенсирование возможно благодаря тому факту, что первый и второй отражатели взаимно соединены неподвижно, таким образом неточности в линейном перемещении оказывают одинаковый эффект на оба отражателя. Наконец, следует отметить, что в интерферометре, в соответствии с настоящим изобретением, лучи отражаются, но мало раз и пути лучей являются короткими, что имеет преимущество.

Теперь будут описаны подробно несколько вариантов исполнения настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей Фиг. 1, 2 и 3 - схематические проекции в трех различных ортогональных направлениях первого варианта исполнения интерферометра в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 - схематическая проекция второго варианта исполнения интерферометра в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 - схематическая проекция третьего варианта исполнения интерферометра в соответствии с настоящим изобретением.

Вариант наилучшего осуществления изобретения Фиг. 1, 2 и 3 представляют три ортогональные проекции первого варианта исполнения интерферометра в соответствии с настоящим изобретением. Итак, интерферометр содержит расщепитель лучей BS, а также первое, второе, третье и четвертое плоские зеркала M1, M2, M3 и M4 соответственно. Первое зеркало M1 и второе зеркало M2 расположены параллельно и противоположно. Этими зеркалами являются сканирующие зеркала интерферометра и для этого они расположены на скользящем элементе /не показан/, который установлен в шариковом подшипнике и может линейно перемещаться. Как видно из следующего, допустимо определенное отклонение от идеального линейного перемещения. Третье зеркало M3 и четвертое зеркало M4 представляют компенсирующие зеркала интерферометра. Третье зеркало M3 установлено на пути луча между расщепителем лучей BS и первым зеркалом M1, а четвертое зеркало M4 расположено на пути луча между расщепителем лучей BS и вторым зеркалом M2 аналогичным образом. Третье зеркало M3, четвертое зеркало M4 и расщепитель лучей BS расположены ортогонально.

Следует отметить, что зеркала на всех фигурах снабжены стрелками для упрощения сравнения между зеркальными изображениями и для индикации нерегулярностей в линейном движении.

Интерферометр работает следующим образом. Луч Bin от источника света /не показан/ падает на расщепитель лучей BS, который отражает известным образом часть падающего пучка и передает часть его. Таким образом расщепитель лучей образует первый луч B1 и второй луч B2 из падающего пучка. Первый луч падает на третье зеркало M3 и отражается на первое зеркало M1 и следовательно назад в расщепитель лучей BS через зеркало M3. Второй луч B2 падает на четвертое зеркало M4 и отражается таким образом на второе зеркало M2 и следовательно назад в расщепитель лучей BS через четвертое зеркало M4. Второй луч B2 и первый луч B1 соединяются, при помощи расщепителя лучей BS, с выходящим лучом But.

На фиг. 1 и 3 показано пунктирными линиями, что расщепитель лучей BS налагает изображение первого зеркала M1 на изображение второго зеркала M2, отраженное в четвертом зеркале M4. Таким образом, M1'_BS обозначает изображение первого зеркала M1, отраженное в расщепителе лучей BS, а M2'_M4 обозначает изображение второго зеркала, отраженное в четвертом зеркале M4.

Если скользящий элемент, на котором установлены первое зеркало M1 и второе зеркало M2, слегка неточно установлен или его положение изменяется в линейном перемещении так, что первый и второй лучи B1 и B2 не падают на эти зеркала, то четвертое зеркало M4 будет компенсировать любые отклонения в плоскости Y-Z и третье зеркало M3 будет компенсировать любые отклонения в плоскости X-Y. Предположим, что скользящий элемент расположен так, что первое зеркало M1 перемещается в плоскости Z-Y в направлении, указанном стрелкой на фиг. 1, тогда второе зеркало M2 будет также перемещаться в плоскости Z-Y в направлении, указанном стрелкой. Затем зеркальные изображения M1'_BS и M2'_M4 будут перемещаться в направлении, указанном стрелкой на зеркальных изображениях, таким образом они будут все же совпадать. Таким образом два луча B1 и B2 будут совпадать, когда они соединяются друг с другом в расщепителе BS, несмотря на угловую погрешность.

Если первое зеркало M1 и второе зеркало M2 перемещаются в плоскости X-Y, то третье зеркало компенсирует смещение аналогичным образом, таким образом зеркальные изображения M1'_M3 и M2'_BS совпадают, и первый и второй лучи B1 и B2 проходят параллельно, когда они оставляют расщепитель лучей BS.

Существует большое количество конфигураций, отвечающих требованиям, чтобы расщепитель лучей BS, третье зеркало M3 и четвертое зеркало M4 были расположены ортогонально, а первое зеркало M1 и второе зеркало M2 - параллельно и противоположно. Ниже представлено несколько примеров.

Пример 1 В следующем обозначает перпендикулярное направление соответствующих элементов.

Падающий пучок Bin прибывает по /1,1,1/
Выходящий луч But оставляет по /1,-1,1/
Угол падения на расщепитель лучей BS и на первое и третье зеркала M1, M3 равен примерно 55^o, а угол падения на второе и четвертое зеркала M2, M4 равен 90^o.

Лучи проходят параллельно пространственным диагоналям куба.

Пример 2





Падающий пучок Bin прибывает по /1,-2,1/
Выходящий луч But оставляет по /-1,-2,-1/.

Угол падения луча на расщепитель лучей BS равен примерно 35^o; угол падения луча на первое зеркало M1 и третье зеркало M3 равен примерно 66^o; а угол падения на второе зеркало M2 и четвертое зеркало M4 равен 90^o.

Фиг. 4 показывает второй вариант исполнения интерферометра в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант исполнения имеет такой же расщепитель лучей BS и четыре зеркала M1-M4 из первого варианта исполнения. Однако второй вариант исполнения включает в себя пятое зеркало M5 и шестое зеркало M6, которые расположены параллельно расщепителю лучей BS и расположены на пути первого луча B1 между расщепителем луча BS, третьим зеркалом M3 и на пути второго луча B2 между расщепителем луча BS и четвертым зеркалом M4 соответственно.

В этом варианте исполнения сканирующие зеркала M1 и M2 расположены слегка ближе друг к другу, чем в первом варианте исполнения, позволяя иметь более компактную конструкцию интерферометра. Однако этот вариант исполнения требует на два зеркала больше, чем в первом варианте.

Фиг. 5 показывает третий вариант исполнения, который содержит такие же элементы, как и во втором варианте исполнения, но в котором пятое и шестое зеркала расположены между первым и третьим зеркалами M1, M3 и между вторым и четвертым зеркалами M2, M4 соответственно.

Второй и третий варианты исполнения работают аналогичным образом с первым вариантом исполнения.

Интерферометр в соответствии с настоящим изобретением применяют успешно в спектрометре преобразования Фурье, который может иметь таким образом компактную и недорогостоящую конструкцию.

Само собой разумеется, что упомянутые варианты исполнения настоящего изобретения являются только примерами и что в объеме приложенной формулы настоящего изобретения возможна модификация изобретения. Например, плоские сканирующие зеркала могут быть заменены другими отражателями, например ретроотражателями.

Формула изобретения

1. Интерферометр, содержащий расщепитель луча, который предназначен для образования первого и второго лучей В1, В2 из падающего пучка Bin, четыре отражателя М1 - М4, предназначенные для приема лучей и для отражения их назад в расщепитель луча, при этом третий отражатель М3 расположен на пути первого луча В1 между расщепителем луча BS и первым отражателем М1, а четвертый отражатель М4 расположен на пути второго луча В2 между расщепителем луча BS и вторым отражателем М2, отличающийся тем, что первый и второй отражатели соединены неподвижно и предназначены для линейного перемещения для изменения различия в длине пути между первым и вторым лучами, причем расщепитель луча BS, третий отражатель М3 и четвертый отражатель М4 расположены взаимно ортогонально, а первый - четвертый отражатели М1 - М4 являются плоскими зеркалами.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что пятый и шестой отражатели М5 и М6 расположены параллельно расщепителю лучей BS и на пути первого луча В1 - между расщепителем луча BS и третьим зеркалом М3, и на пути второго луча В2 - между расщепителем луча BS и четвертым зеркалом М4 соответственно.

3. Интерферометр по п.2, отличающийся тем, что пятый и шестой отражатели М5, М6 расположены между расщепителем луча BS и соответственно третьим и четвертым отражателями М3, М4.

4. Интерферометр по п.2, отличающийся тем, что пятый и шестой отражатели М5, М6 расположены между первым и третьим отражателями М1, М3 и между вторым и четвертым отражателями М2, М4 соответственно.

5. Интерферометр по любому из пп.2 - 6, отличающийся тем, что пятый и шестой отражатели М5, М6 - плоские зеркала.

6. Спектрометр преобразования Фурье, содержащий интерферометр по любому из пп.1 - 5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5