CN1136443C - 玻璃毛细管光学干涉装置 - Google Patents
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Abstract
一种玻璃毛细管光学干涉装置，主要由聚光棱镜1聚光棱镜2和放置在聚光棱镜1、2之间的玻璃毛细管3组成，并设置在激光器发射的相干光束至光学探测器或照相机的光路上，所述聚光棱镜1与聚光棱镜2的轴线平行于玻璃毛细管3的轴线。本实用新型具有对入射光的强度损耗低、光学分辨率高、生产工艺简单、成本低廉、应用领域广阔等优点。能够用于精确测量入射光波长及光谱样品的折射率、长度或厚度，机械位移及旋转等物理量。
Description
技术领域：本发明涉及物理测量仪器以及物理传感器件和工业过程控制领域，具体涉及光学干涉装置的改进，本发明能够用于精确测量入射光波长及光谱样品的折射率、长度或厚度，机械位移及旋转等物理量。
背景技术：构筑新型光学干涉装置长期以来一直是科学研究及工程领域中的一项重要工作之一。光学干涉装置的应用覆盖了广泛的技术领域，比如材料折射率及长度或者厚度的精确测量，固体表面特征测量，光谱测量以及许多物理量的传感及控制，比如机械位移、旋转以及温度、压力、电磁场测量及传感等方面。典型的光学干涉装置可以分为两类。一类是基于双光束(two-beam)干涉，如Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪。第二类是多光束(multiple-beam)干涉仪，如Fabry-Perot干涉仪、Lummer-Gehrcke干涉仪。双光束干涉仪的测量灵敏度及测量精度较低，而多光束干涉仪的测量精度和灵敏度都很高。目前常用的多光束干涉仪有Fabry-Perot干涉仪，它一般由一片或者两片镀膜的玻璃组成。Fabry-Perot干涉仪的分辨率随着所镀膜反射率的升高而增加。但是由于膜表面的高反射率以及所镀膜对入射光的吸收，使透过Fabry-Perot干涉仪的光强度大大降低，因此这一干涉仪对入射光的强度要求很高。这一特征限制了Fabry-Perot干涉仪在许多场合的应用。另一方面Fabry-Perot干涉仪对玻璃片表面质量要求很高，而且需要镀膜，因此工艺比较复杂，生产成本也很高。
发明内容：本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种对入射光的强度损耗低、光学分辨率高、生产工艺简单、成本低廉、应用领域广阔的玻璃毛细管光学干涉装置。
本发明主要由聚光棱镜1聚光棱镜2和放置在聚光棱镜1、2之间的玻璃毛细管3组成，并设置在激光器发射的相干光束至光学探测器或照相机的光路上。
作为本发明的进一步改进，所述聚光棱镜1与聚光棱镜2的轴线平行于玻璃毛细管3的轴线。所述玻璃毛细管可用其他透明材料替代，例如塑料毛细管或结晶态透明材料组成的毛细管。
与现有技术相比，本玻璃毛细管光学干涉装置具有如下优点：
1、在较大入射角的条件下，玻管的内、外表面对入射光均具有较高的反射，因此本光学干涉装置无需镀膜，实现本装置的工艺简单。另外由于这一特征，本装置对入射光的强度损耗极低，可应用于入射光较弱的场合。
2、由于玻管内、外表面对入射光的高反射，使入射光束在玻管内部的多次反射增强，因此本玻璃毛细管光学干涉装置的光学分辩率较Fabry-Perot干涉仪以及Lummer-Gehreke干涉仪高。
3、本玻璃毛细管光学干涉装置易于制作和实现，而且成本低廉。
4、由于玻璃毛细管可以做得很细，它的尺寸可以与玻璃光纤相比拟，因此本光学干涉装置可以集成在微型光路中，作为集成光学的一个元件。可广泛应用于光纤通讯、医疗、微原测量及控制等领域。
附图说明：下面结合附图说明对本发明详叙如下：
图1为本发明结构原理示意图。
图2为以激光器为光源通过本发明形成的同心干涉环的示意图。
图3以卤素石英钨灯为光源，通过本发明后形成的同心干涉环的光谱图。
具体实施方式：如图1所示，本发明由聚光棱镜1、聚光棱镜2和放置在聚光棱镜1、2之间的玻璃毛细管3组成，并设置在激光器发射的相干光束至光学探测器或照相机的光路上。本发明中采用玻璃毛细管作为反射元件。由SiO2玻璃在紫外光波段范围内具有高的透射率以及它的低热膨胀系数，由SiO2组成的玻璃毛细管最为理想。本玻璃毛细管光学干涉装置的一多光束光学干涉仪。它的工作原理如图1所示，准直后的入射光束(在非相干光所产生的光束至光学检测器或光学照相机的光路上可设置光学准直器件)经过聚光棱镜1收集之后形成发散的光束，发散光束以大角度入射到玻璃毛细管的内表面。根据Fresenel公式，玻璃内、外表面的反射率随着入射角的增大而升高。因此在大入射角的条件下，无需镀膜的玻璃管内、外表面对入射光束都具有很高的反射。这一特征使入射光束在玻璃毛细管内、外表面之间形成很多次反射。每一次反射时都有一部分光透过玻管的外表面。这样在光路上有一系列不同光学相位的光束透明玻管的外表面。这一系列不同相位的光束通过聚光棱镜2收集之后在棱镜的焦面产生光学干涉，因而在聚光棱镜2的焦面形成同心的干涉条纹，亮的条纹表示加强干涉，暗的条纹表示相消干涉(如图2所示)。聚光棱镜1与聚光棱镜2的轴线平行于玻璃毛细管的轴线。聚光棱镜2焦面上形成的同心干涉环可用照相机记录，也可用不同的光谱仪对同心干涉环进行光谱测量。
本玻璃毛细管光学干涉装置的光学分辨率与毛细管的长度以及入射光与玻璃毛细管内、外表面的入射角有关。光学分辨率随入射角的加大以及玻璃毛细管的加长而升高。
作为例证，图2为He-Ne激光器(2mW，波长632.8mm)产生的光束通过SiO2玻璃毛细管(内、外径分别为2.48及3.92mm，长度14.40mm)后，在聚焦棱镜焦面上形成的同心干涉环。图3为卤素石英钨灯(quartz-tungsten-halogen lamp，20W)为光源，经过上述SiO2玻璃毛细管后形成的同心干涉环的光谱图。I为通过玻管干涉装置后的光强，I。为无玻管干涉装置时卤素石英钨灯的光强。I/I。比值为任意单位。在可见光至红外光波段范围内，干涉环的光强随入射光的波长发生变化。因此本光学干涉装置可广泛应用于各种光谱测量。
Claims (3)
1、一种玻璃毛细管光学干涉装置，其特征是：它由聚光棱镜(1)、聚光棱镜(2)和放置在聚光棱镜(1)、(2)之间的玻璃毛细管(3)组成，并设置在激光器发射的相干光束至光学探测器或照相机的光路上。
2、根据权利要求1所述的玻璃毛细管光学干涉装置，其特征是：所述聚光棱镜(1)与聚光棱镜(2)的轴线平行于玻璃毛细管(3)的轴线。
3、根据权利要求1或2所述的玻璃毛细管光学干涉装置，其特征是：玻璃毛细管(3)为塑料毛细管或结晶态透明材料组成的毛细管。
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