CN101532880B - 双动镜干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种双动镜干涉仪由一个分束器、一个固定的平面反射镜、和平行安装在可被线性移动的公共滑动部件上的第一动镜和第二动镜；第一动镜和第二动镜被一个刚性结构平行地固定在一起，作为一个单独的运动部件，分束器和平面反射镜相互垂直，它们与第一动镜和第二动镜之间的夹角均为45度；光程差由平行平面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。这种干涉仪结构简单、成本低，适用于各种光谱工作区的高分辨率傅立叶变换光谱仪。

Description

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分辨率傅立叶变换光谱仪的双动镜干涉仪。

背景技术

20世纪五六十年代迈克尔逊(Michelson)干涉仪首次应用于光谱技术，它由一个分束器、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，分束器与它们的夹角均为45度；分束器与入射光的夹角也为45度。这种干涉仪的性能主要取决于动镜与静镜对分束器所成虚像是否严格保持平行。影响迈克尔逊(Michelson)干涉仪在傅立叶光谱仪中应用的最大问题就是动镜在扫描过程中的倾斜问题。我们知道，迈克尔逊(Michelson)干涉仪动镜的倾角θ应当小于λ/(8D)，这里λ为波长，D为动镜的孔径。因此驱动动镜做直线往复运动是非常困难的，尤其是在紫外光谱工作区。

一种解决办法是使用猫眼镜(cat’s-eye retroreflector)代替平面动镜，但存在横移问题。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。之后，角反射体(cube-corner mirrors)被用于红外光谱仪中以解决动镜倾斜问题，如果角反射体各方面的性能都是完美的，就可以很好的解决动镜倾斜问题，但同样存在横移问题。后来出现了转镜式干涉仪，但存在非线性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双动镜干涉仪，其解决了背景技术中动镜倾斜以及横移的技术问题，在傅立叶光谱仪的应用中相对于迈克尔逊(Michelson)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：

一种双动镜干涉仪，包括45度角设置在入射光束光路上的一个分束器，该分束器在入射光束方向上第二个面为半反射面；还包括设置在上述半反射面透射光束光路上的平面反射镜，所述平面反射镜与分束器正交；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。

其特殊之处在于：

所述的第一动镜位于所述半反射面的反射光路上，所述的第二动镜位于所述平面反射镜的反射光路上；所述的第一动镜和第二动镜被一个刚性结构固定在一起，作为一个单独的运动部件，第一动镜和第二动镜相互平行，所述的第一动镜和第二动镜与分束器以及平面反射镜之间的夹角均为45度。

上述的分束器与平面反射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。

上述的分束器与第一动镜之间的光路上设置有玻璃平行平板，该平行平板可减小第一动镜和第二动镜之间的距离。

上述的刚性结构应满足其膨胀系数和双动镜的膨胀系数相接近，较宜。

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.动镜移动的倾斜误差容限较大，即双动镜的倾斜对所得干涉图的调制度和相位影响较小，亦即此干涉仪对动镜倾斜不敏感。两个平面动镜被一刚性结构平行地固定在一起作为一个单独的运动部件。

2.光程差为双动镜位移(相对于其零光程差位置)的4倍，即很小的双动镜位移即可获得较大的光程差，适用于高光谱分辨率的光谱仪。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图。

图2为本发明包含补偿板示意图。

图3为本发明包含补偿板和玻璃平行平板示意图。

图4为双动镜位移为5mm时，分束器分出光束I和II的光程差x和双动镜倾角θ之间的关系图。

图5为双动镜位移为10mm时，分束器分出光束I和II的光程差x和双动镜倾角θ之间的关系图。

具体实施方式

双动镜干涉仪包括一个分束器、一个固定的平面反射镜、和平行安装在可被线性移动的公共滑动部件上的两个扫描平面反射镜，即第一动镜和第二动镜，第一动镜和第二动镜相互平行，其中心位于同一个平面上，被一个刚性结构固定在一起，作为一个单独的运动部件；分束器和平面反射镜正交，它们与第一动镜和第二动镜之间的夹角均为45度，另外分束器、平面反射镜与第一动镜和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射向第一动镜，经第一动镜反射后折回，并透过分束器，经收集镜会聚到探测器上；光束II经平面反射镜反射后射向第二动镜，经第二动镜反射后折回到平面反射镜，再经平面反射镜反射后折回到分束器的半反射面，在半反射面反射后，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，可以产生干涉。

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，光程差是双动镜相对于其零相位差(即零光程差)位置位移的函数。双动镜沿其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立叶变换即可得到光谱值。

假设双动镜的运动距离为a，若光束I的光程减少2a，则光束II的光程增加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与双动镜相对于其零光程差位置位移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)之间的关系式可表示为

                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与双动镜的倾角θ之间的关系图如图4和图5所示。

从以上分析可知，对于双动镜干涉仪，当双动镜的倾角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。从方程(4)也可以得出双动镜的倾斜对干涉图的调制度和相位影响较小，因此，双动镜干涉仪较好地解决了动镜系统的倾斜问题。

图1中光束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。这时必须加入补偿板才能同时补偿各种波长的程差，参见图2，因而在入射光为白光或其他复色光时，补偿板是不可缺少的。

为了减小温度梯度对双动镜系统的影响，可在分束器和第一动镜之间加入一个玻璃平行平板以减小第一动镜和第二动镜之间的距离，参见图3。

Claims (5)

1. 一种双动镜干涉仪，包括45度角设置在入射光束光路上的一个分束器，该分束器在入射光束方向上第二个面为半反射面；还包括设置在上述半反射面透射光束光路上的平面反射镜，所述平面反射镜与分束器正交；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半反射面的反射光路上，所述的第二动镜位于所述平面反射镜的反射光路上；所述的第一动镜和第二动镜被一个刚性结构固定在一起，作为一个单独的运动部件，第一动镜和第二动镜相互平行，所述的第一动镜和第二动镜与分束器以及平面反射镜之间的夹角均为45度。

2. 根据权利要求1所述的双动镜干涉仪，其特征在于：所述的分束器与平面反射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。

3. 根据权利要求1所述的双动镜干涉仪，其特征在于：所述的分束器与第一动镜之间的光路上设置有玻璃平行平板，该平行平板可减小第一动镜和第二动镜之间的距离。

4. 根据权利要求1～3任一所述的双动镜干涉仪，其特征在于：所述的刚性结构应满足其膨胀系数和双动镜的膨胀系数相接近。

5. 根据权利要求4所述的双动镜干涉仪，其特征在于：所述的收集镜为会聚透镜或会聚透镜组。

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