CN101251420A - 新型双动镜干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种新型双动镜干涉仪由一个分束器、两个固定的平面反射镜、和被一个刚性结构背靠背地平行固定在一起作为一个单独的运动部件的第一动镜和第二动镜。第一动镜、第二动镜、分束器之间相互平行，它们与入射光束之间的夹角均为30度；第一平面镜和入射光束相互平行，第二平面镜与入射光束之间的夹角为60度，两个平面镜与分束器之间的夹角均为30度；双动镜沿分束器的法线方向做直线往复运动；光程差由双动镜的直线往复运动产生，光程差为双动镜位移(相对于其零光程差位置)的4倍。这种干涉仪结构紧凑、体积小、成本低，适用于各种光谱工作区的高分辨率傅里叶变换光谱仪。

Description

新型双动镜干涉仪

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，具体涉及一种应用于高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪的新型双动镜干涉仪。

背景技术

迈克尔逊(Michelson)干涉仪由一个分束器、一个固定的平面反射镜和一个扫描平面反射镜构成；动镜和定镜正交，它们与分束器的夹角均为45度；分束器与入射光束的夹角也为45度。这种干涉仪的性能主要取决于动镜对分束器所成虚像与定镜是否严格保持平行。傅里叶变换光谱仪具有高光谱分辨率、高通量、多通道等优点。影响迈克尔逊干涉仪在傅里叶光谱仪中应用的最大问题是动镜在扫描过程中的倾斜问题，尤其是在紫外光谱工作区和高分辨率傅里叶光谱仪的应用中。

使用猫眼镜(cat’s-eye retroreflector)或角反射体(cube-corner mirrors)代替平面动镜是两种解决办法。如果猫眼镜或角反射体各方面的性能都很理想，就可以很好地解决平面动镜的倾斜问题，但同时存在横向偏移问题而限制了其应用。另外一种办法是使用动态校正伺服系统，但分辨率越高，这种校正系统的失灵概率就越高，而且该系统对机械振动引起的扰动非常敏感。

还有一种解决办法是采用转镜或摆镜代替做直线运动的动镜，虽然可以消除平面动镜倾斜带来的误差，而且提高了稳定性和可靠性，但其产生的光程差与转角为非线性关系，只适用于低分辨率光谱仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型双动镜干涉仪，动镜移动较小的距离即可获得较大的光程差，其解决了背景技术中动镜倾斜以及猫眼镜或角反射体横移的技术问题，在傅里叶变换光谱仪的应用中相对于迈克尔逊干涉仪大大地提高了精度，而且在动镜位移相同时能够获得更大的光程差。

本发明的技术解决方案是：

一种新型双动镜干涉仪，包括30度角设置在入射光束光路上的一个分束器，该分束器适于从一个入射光束产生一个第一和一个第二光束；还包括设置在分束器反射光束光路上的第一平面镜和设置在分束器透射光束光路上的第二平面镜，所述的第一平面镜和第二平面镜与分束器之间的夹角均为30度；还包括设置在光束光路上的第一动镜和第二动镜、以及探测器和将经第一动镜和第二动镜反射的光束会聚到探测器上的收集镜。

其特征在于：

所述的第一动镜位于所述第一平面镜的反射光束光路上，所述的第二动镜位于所述第二平面镜的反射光束光路上，它们均为平面反射镜；所述的第一动镜和第二动镜被一个刚性结构背靠背地平行固定在一起，作为一个单独的运动部件；所述的第一动镜和第二动镜之间的距离几乎为零，它们的反射面处于相反的方向；所述的第一动镜、第二动镜、分束器之间相互平行，它们与入射平行光束之间的夹角均为30度；所述的第一动镜和第二动镜沿分束器的法线方向做直线往复运动。

所述的第一平面镜和入射光束相互平行，所述的第二平面镜与入射光束之间的夹角为60度；所述的第一平面镜、第二平面镜与分束器之间的夹角均为30度；所述的分束器、第一平面镜、第二平面镜、第一动镜、第二动镜的中心位于同一个平面内。

若上述的分束器沿入射光束方向上第二面为半反射面，则在该分束器与第二平面镜之间的光路上还设置有同时补偿各种波长光程差的补偿板；该补偿板与分束器完全相同且平行放置；此时第一平面镜和第二平面镜关于分束器的半反射面对称，分束器的半反射面、第一平面镜、第二平面镜的中心位于等边三角形的三个顶点上。

若上述的分束器沿入射光束方向上第一面为半反射面，则在该分束器与第一平面镜之间的光路上还设置有同时补偿各种波长光程差的补偿板；该补偿板与分束器完全相同且平行放置；此时第一平面镜和第二平面镜关于分束器的半反射面对称，分束器的半反射面、第一平面镜、第二平面镜的中心位于等边三角形的三个顶点上。

上述的收集镜可为会聚透镜或会聚透镜组。

本发明的优点在于：

1.光程差为双动镜位移(相对于其零光程差位置)的4倍，即双动镜移动较小的距离即可获得较大的光程差，适用于各种光谱工作区的高光谱分辨率光谱仪。

2.该干涉仪对动镜倾斜不敏感，即双动镜轻微的倾斜对所得干涉图的调制度和相位影响较小。

3.固定第一动镜和第二动镜的刚性结构非常简单，其受温度变化的影响极小。

4.该干涉仪结构紧凑、体积小、成本低。

附图说明

图1为本发明光学结构原理示意图；

图2为本发明光学结构原理分析图；图中M1′为第一动镜在第一平面镜中的虚像，M2′为第二动镜在第二平面镜中的虚像。

图3为当所述的分束器沿入射光束方向上第二面为半反射面时，本发明包含补偿板的光学结构原理示意图；

图4为当所述的分束器沿入射光束方向上第一面为半反射面时，本发明包含补偿板的光学结构原理示意图；

图5为双动镜位移为10mm时，分束器反射光束I和透射光束II之间的光程差x和双动镜倾斜θ之间的关系图。

具体实施方式

一种新型双动镜干涉仪包括一个分束器、两个固定的平面反射镜(即第一平面镜和第二平面镜)、和被一个刚性结构背靠背地平行固定在一起作为一个单独的运动部件的两个扫描平面反射镜(即第一动镜和第二动镜)。第一动镜、第二动镜、分束器之间相互平行，它们与入射光束之间的夹角均为30度；第一动镜和第二动镜之间的距离几乎为零，它们的反射面处于相反的方向；第一动镜和第二动镜沿分束器的法线方向做直线往复运动。第一平面镜和第二平面镜与分束器之间的夹角均为30度。另外，分束器、第一平面镜、第二平面镜、第一动镜、第二动镜的中心位于同一个平面内。

入射的平行光束在分束器的半反射面上反射和透射，并被分为强度相等的两束光I和II，光束I经第一平面镜反射后射向第一动镜，经第一动镜反射后折回到第一平面镜，再经第一平面镜反射后射向分束器并透过分束器，经收集镜会聚到探测器上；光束II经第二平面镜反射后射向第二动镜，经第二动镜反射后折回到第二平面镜，再经第二平面镜反射后射向分束器并透过分束器，经收集镜会聚到探测器上。这两束光由于来自同一光束，因而是相干光束，它们相交时发生干涉。

光束I和II之间的光程差是由双动镜(第一动镜和第二动镜)的直线往复运动产生的，光程差是双动镜位移(相对于其零光程差位置)的函数。双动镜沿分束器的法线方向做直线往复运动。随着双动镜的直线运动，光程差的大小逐渐变化，干涉强度也随着逐渐变化。选择在线性度较好的区域内等时间间隔地测量即可得到一系列干涉强度值，然后对取样干涉强度值进行傅里叶变换即可得到光谱值。

假设双动镜沿分束器法线方向的运动距离为a，若光束I的光程减少了2a，则光束II的光程增加了2a，所以光束I和光束II之间的光程差变化量为4a，反之亦然。因此，光程差值的改变量为双动镜运动距离的4倍。光程差x与双动镜位移(相对于其零光程差位置)l之间的关系为

x＝4l                     (1)

在理想情况(即双动镜在运动过程中没有倾斜的情况)下，干涉强度为

I(x)＝B(σ)[1+cos(2πσx)]    (2)

式中σ为波数，B(σ)为光谱强度，x为光程差。

因此该新型双动镜干涉仪干涉强度与双动镜位移(相对于其零光程差位置)之间的关系为

I(x)＝B(σ)[1+cos(8πσl)]    (3)

当双动镜在运动过程中的倾斜角为θ时，为了便于分析，采用正方形光束孔径，以双动镜不发生倾斜时与光轴交点处的光程差x₀为基准，则探测器上得到的干涉强度为

$I\left(x_0\right)=B\left(\mathrm{\σ}\right)\{1+\frac{D-L_2\tan 2\mathrm{\θ}}{D-L_1\tan 2\mathrm{\θ}}\cos \{2\mathrm{\π\σ}[x_0+\frac{2\mathrm{VL}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\cos 2\mathrm{\θ}}-\mathrm{VL}{\tan }^{2}2\mathrm{\θ}]\left\}\right\}---\left(4\right)$

式中D为入射光束孔径，L₁为从第一动镜到探测器的光路长度，L₂为从第二动镜到探测器的光路长度，VL＝L₂-L₁。

光程差x与双动镜的倾斜角θ之间的关系如图5所示。

对于该新型双动镜干涉仪，当双动镜的倾斜角满足θ∈[-1°，1°]时，光束I和光束II之间的光程差的相对误差小于0.03％，可见双动镜在运动过程中的倾斜对光程差的影响较小，因此，该新型双动镜干涉仪较好地解决了动镜系统的倾斜问题。

图1中如果分束器沿入射光束方向上第二面为半反射面，则光束I通过分束器三次，而光束II则经过一次，分束器分出的两束光I和II具有不对称性。若入射光为单色光，光束I经过玻璃板所增加的光程可以用空气中的行程来补偿。但是入射光束为白光或其他复色光时，因为玻璃有色散，不同波长的光有不同的折射率，因而，对不同的波长，通过玻璃板时所增加的光程不同，这是无法用空气中的行程来补偿的。这时必须在分束器和第二平面镜之间的光路上加上与分束器完全相同且平行放置的补偿板才能同时补偿各种波长的光程差，参见图3。图3中第一平面镜和第二平面镜关于分束器的半反射面对称，分束器的半反射面、第一平面镜、第二平面镜的中心位于等边三角形的三个顶点上。

图1中如果分束器沿入射光束方向上第一面为半反射面，则光束II通过分束器三次，而光束I则经过一次。若入射光为单色光，光束II经过玻璃板所增加的光程可以用空气中的行程来补偿。但是入射光束为白光或其他复色光时，必须在分束器和第一平面镜之间的光路上加上与分束器完全相同且平行放置的补偿板才能同时补偿各种波长的光程差，参见图4。图4中第一平面镜和第二平面镜关于分束器的半反射面对称，分束器的半反射面、第一平面镜、第二平面镜的中心位于等边三角形的三个顶点上。

Claims (4)

1. 一种新型双动镜干涉仪，包括30度角设置在入射光束光路上的一个分束器，该分束器适于从一个入射光束产生一个第一和一个第二光束；还包括设置在分束器反射光束光路上的第一平面镜和设置在分束器透射光束光路上的第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜与分束器之间的夹角均为30度；还包括设置在光束光路上的第一动镜和第二动镜、以及探测器和将经第一动镜和第二动镜反射的光束会聚到探测器上的收集镜。

其特征在于：

所述的第一动镜位于所述第一平面镜的反射光束光路上，所述的第二动镜位于所述第二平面镜的反射光束光路上，它们均为平面反射镜；所述的第一动镜和第二动镜被一个刚性结构背靠背地平行固定在一起，作为一个单独的运动部件；所述的第一动镜和第二动镜之间的距离几乎为零，它们的反射面处于相反的方向；所述的第一动镜、第二动镜、分束器之间相互平行，它们与入射平行光束之间的夹角均为30度；所述的第一动镜和第二动镜沿分束器的法线方向做直线往复运动。

所述的第一平面镜和入射光束相互平行，所述的第二平面镜与入射光束之间的夹角为60度；所述的第一平面镜、第二平面镜与分束器之间的夹角均为30度；所述的分束器、第一平面镜、第二平面镜、第一动镜、第二动镜的中心位于同一个平面内。

2. 根据权利要求1所述的一种新型双动镜干涉仪，其特征在于：如果所述的分束器在入射光束方向上第二个面为半反射面，在该分束器与第二平面镜之间的光路上还设置有同时补偿各种波长光程差的补偿板；该补偿板与分束器完全相同且平行放置；此时第一平面镜和第二平面镜关于分束器的半反射面对称，分束器的半反射面、第一平面镜、第二平面镜的中心位于等边三角形的三个顶点上。

3. 根据权利要求1所述的一种新型双动镜干涉仪，其特征在于：如果所述的分束器在入射光束方向上第一个面为半反射面，在该分束器与第一平面镜之间的光路上还设置有同时补偿各种波长光程差的补偿板；该补偿板与分束器完全相同且平行放置；此时第一平面镜和第二平面镜关于分束器的半反射面对称，分束器的半反射面、第一平面镜、第二平面镜的中心位于等边三角形的三个顶点上。

4. 根据权利要求1～3任一所述的一种新型双动镜干涉仪，其特征在于：所述的收集镜为会聚透镜或会聚透镜组。

Images