CN1307411C - 干涉仪及其补偿色散和/或增大光谱分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个双光束电磁辐射干涉仪(1)以及补偿色散和增大这种干涉仪光谱分辨率的方法。采用位于光路中的偏振片(8)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的限定偏振状态P_1/2 ⁰，这里，这一偏振状态与波长无关，并对两个光束分量可以不同。可以采用光学元件(11、12)来改变部分电磁波的偏振状态P_1/2 ⁰，它是波长λ的函数，以及用偏振P_1/2(λ_i)对每个光谱分量λ_i进行编码。位于干涉仪输出端的分析仪(9)透射可调偏振状态P_det，由此产生光谱分量的部分波之间的与波长有关的附加相位差γ(λ)。可以设定γ(λ)，以补偿色散或增大干涉仪的光谱分辨率。

Description

干涉仪及其补偿色散和/或增大光谱分辨率的方法

本发明涉及干涉仪和这种干涉仪的补偿色散的方法和/或增大光谱分辨率的方法。

电磁辐射干涉仪里面的测量原理是基于两个相干部分电磁波ψ₁、ψ₂之间的干涉，这两个波相互间具有限定的相位关系，即相同的波长λ，不随时间变化的固定相位差Δ重叠在这两个波上。对重叠波的强度I_det进行检测。I_det正比于a+cos(Δ)，这里a是常数。只有相同的偏振分量，如沿x轴的电场矢量总是相互干涉。

在双光束干涉仪中，来自辐射源的辐射被分为两个相对相位差为零的光束分量，每个光束分量提供给一个干涉仪臂。干涉仪臂可以具有不同的光程长度，在这两个部分波通过干涉仪后将不为零的相位差重叠在它们之上。在两个干涉仪臂之间存在光程长度差Δln的双光束干涉仪中，两个部分波之间的相位差为。l是实际光程长度，n是媒介的折射率。这个干涉仪的相位Δ与波长λ和Δln有关，因此，如果一个量是已知的，那么可以用于精确测量另一个量。

例如，利用干涉仪来测量诸如规块一类物体的长度、测量折射率、或者应用于光谱仪中。

长度测量，即光程长度差Δln偏差的测量会受到波长波动的影响而变差，因为即使Δln保持相同，波长的偏差也会产生干涉仪输出信号I_det的偏差。为了补救这一缺点，Y.Troitski在Applied Optics 34 44717(1995)中提出了一种通过将蒸气施加在干涉仪反射镜上大致可补偿输出信号对波长依赖性的无色散干涉仪。该方法的缺点是将蒸气施加到反射镜上使之代价高昂和不灵活。在施加蒸气后通过调节将干涉仪的工作区(即基本波长λ₀附近的范围，其中输出信号基本上与辐射源的波长λ无关)设定为基本波长λ₀，在改变辐射源后，不再能够对实际条件进行调节。另一个缺点是工作区窄，这意味着对于在基本波长λ₀附近的较宽的波段Δλ不能采用色散补偿。

光谱研究用的干涉仪的一个缺点是输出信号不仅对于波长而且对于例如由测量装置振动引起的干涉仪臂的光程长度差的偏差都具有高灵敏度。这导致光谱测量结果易出误差。

本发明的目的是提供一种在维持对干涉仪臂长偏差高灵敏度的同时补偿在可调基本波长λ₀附近波长范围Δλ内输出信号对波长依赖性的电磁辐射干涉仪。本发明的目的还有提供一种光谱分辨率高于具有同等臂长的传统双光束干涉仪，由此稳定输出信号对干涉仪臂长偏差的电磁辐射干涉仪。

这一目的可通过由至少两个干涉仪臂和一个分束器组成的电磁辐射干涉仪来实现，这里，来自电磁辐射源的光束被分束器分束成两个光束分量并提供给两个干涉仪臂中每个臂；在它们通过干涉仪臂后，与干涉仪臂中光程差Δln和波长λ有关的相位差 被同一或另一分束器叠加在光束分量上；用检测器测

量叠加波的强度，其特征如下：

a)在光路中设置至少一个偏振片，它确立进入干涉仪臂中的部分电磁波的限定偏振状态P_1/2 ⁰，这里偏振状态与波长无关，并对两个光束分量可以不同。

b)在至少一个干涉仪臂中设置至少一个光学元件，光学元件改变部分电磁波的偏振状态P_1/2 ⁰，它是波长λ的函数，即用偏振P_1/2(λ_i)对每个光谱分量进行编码，使得部分电磁波取偏振状态P₁(λ)或P₂(λ)。在Poincare偏振球上示出的区域P₁(λ)和P₂(λ)相互至少是部分不同的。

c)位于干涉仪输出端的分析仪透射可调偏振状态P_det，由此形成每个光谱分量λ_i的投影P_det(P_1/2(λ))并产生光谱分量的部分波之间的与波长有关的附加相位差γ(λ)，这里γ是P_1/2(λ)和P_det的函数。

实现本发明目的的另一个重要因素是利用这种干涉仪的方法，其特征在于：通过以下步骤来补偿在基本波长λ₀附近的范围内输出强度对色散或波长的依赖性，即在λ₀附近光谱波长波动期间稳定干涉仪输出信号并因此增大干涉仪对臂长差Δl偏差的灵敏度：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰。

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码。

c)对限定偏振P_det的检测。

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致下式应用于在λ₀区域内的波长λ上：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(P_{\det },P_1\left(\mathrm{\λ}\right),P_2\left(\mathrm{\λ}\right))\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δl}n}{{\mathrm{\λ}}_0^2}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

或 $\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{d\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)\≈-4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{\mathrm{\λ}}_0^2}$

式中：d是常数，Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))当代表Poincare单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ)，P₂(λ)为固定λ而限定的球面三角的面积。

实现本发明目的的另一个重要因素是利用这种干涉仪的方法，其特征在于：通过以下步骤在基本波长λ₀附近的范围内增大干涉仪的光谱分辨率：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰。

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码。

c)对限定偏振P_det的检测。

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致

应用于λ₀上，这里，Ω(P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀))当代表Poincare单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀)限定的球面三角的面积。

干涉仪的其它优越实施例由以下特征所表征。

光学元件设置在两个干涉仪臂中。

分束器是偏振分束器，它除了对光束分束外还执行偏振片的功能。

偏振编码光学元件是双折射、旋光或椭圆双折射板，例如晶体板。

偏振编码光学元件在于涉仪中以不同方向定向，由于双折射、旋光或椭圆双折射与波长有关的结果，它们将偏振光转变为与波长有关的不同偏振状态P₁(λ)和P₂(λ)。

偏振编码光学元件为任何双光束干涉仪。

偏振编码光元件在所用波长范围内是透明的各向异性塑料或玻璃板。

P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det是由偏振片、分析仪相对位置和随偏振变化的光学元件的选取和对准而选择的，以致附加相位差γ(λ)补偿具有固定光程差的Δ(l·n)的干涉仪相位

，由此使干涉仪的输出强度在基本波长λ₀附近波长范围Δλ内接近于与波长无关，即对光源中的光谱波动不敏感。

根据本发明的干涉仪和在根据本发明的干涉仪中能够进行的方法基于以下概念：

确定干涉仪输出信号的干涉仪中两部分波之间的相位差Δ是波长λ和臂长差Δln的函数：

由于是波长的函数，即如果波长λ略偏离基本波长λ₀，而光程长维持不变，那么，由下式可导出相位差：

；c＝常数

然而，在测量长度时，要求相位差仅取决于光程长度差Δln，而不取决于λ或(λ-λ₀)。具体说，相位差应当与光程差一样维持不变。如果我们将与波长有关的附加项γ(λ)加到相位差上，这里γ(λ)具有形式：

那么，两个光束分量之间的总相位差Δ(λ)+γ(λ)在第一级近似下与波长无关。因此，当辐射源的波长λ偏离基本波长λ0时检测到的信号并不变化。因此，输出信号保持完全依赖于光程。γ(λ)代表由折射率表征的随波长增大的异常色散项。

按照如下引入附加项γ(λ)：首先，确立进入干涉仪臂中的部分波ψ₁和ψ₂的与波长无关的限定偏振状态P_1/2 ⁰。这可以通过位于辐射源之后的偏振片或通过进入干涉仪臂的入口处的偏振分束器或二者的组合来实现。也可以采用产生限定偏振状态的光的辐射源，如激光器。在这种情况中，不需要其它偏振元件。重要的是偏振P_1/2 ⁰与波长无关。

将改变透射光偏振状态(它是其波长的函数)的偏振元件定位在干涉仪两个臂中的至少一个臂中。因此，它们以依赖于干涉仪臂的偏振P₁(λ)和P₂(λ)对波长λ的每个光谱分量进行编码。这些偏振编码的光学元件为双折射、旋光性或椭圆双折射板，如晶体板。也可以采用另外的双光束干涉仪进行偏振编码。对于基本波长λ₀范围内的特定波长λ，偏振两P₁(λ)和P₂(λ)应当不等。如果我们表示偏振量为Poinzare偏振球上的归一化斯托克斯矢量，那么，这意味着区域P₁(λ)和P₂(λ)不重叠，至少部分是。以下的四重矢量定义为斯托克斯矢量：

P＝(I，M，C，S)

其中

$I={\left|\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right|}^2+{\left|\stackrel{-}{e_y}\stackrel{-}{E}\right|}^2$

$M={\left|\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right|}^2-{\left|\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right|}^2$

$C=2\mathrm{Re}\[{\left(\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right)}^o\left(\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right)\]$

$S=2\mathrm{Im}\[{\left(\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right)}^o\left(\stackrel{-}{e_{\mathrm{\λ}}}\stackrel{-}{E}\right)\]$

这里，I是具有电场矢量[E]的在[e]方向传播的电磁波的总强度；M代表偏振椭圆率的度数；C和S各表明+45°至-45°或从右旋光到左旋光的级数。偏振光得到：

I²＝M²+C²+S²

即所有斯托克斯矢量位于半径为I的同一球(Pionzare偏振球)上。如果对强度归一化，那么，这个球的半径为1。如果点仅代表偏振量，则不需要考虑强度。例如，斯托克斯矢量P＝(1，0，0，1)代表完全左旋偏振光，而P＝(1，0，1，0)描述已经在45°方向线性偏振的光。

由于双折射、旋光性或椭圆双折射对波长依赖性，在通过干涉仪臂后，将不同光谱分量从公共输出偏振P_1/2 ⁰转变为不同的与波长有关的偏振状态P₁(λ)和P₂(λ)。为了防止区域P₁(λ)和P₂(λ)完全重叠，偏振编码光学元件在干涉仪臂中以不同方向定向。

由于偏振片位于检测器的上游，或者，另一方式，在每个干涉仪臂中分别有一个偏振片，仅对比检测偏振P_det进行检测。因此，对于每个光谱分量λ_i，形成部分波的投影P_det(P₁(λ_i))和P_det(P₂(λ_i))并使之干涉。这产生光谱分量的部分波之间的与波长有关的附加相位差γ(λ_i)。这一与波长有关的附加相位γ(λ)服从：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(P_{\det },P_1\left(\mathrm{\λ}\right),P_2\left(\mathrm{\λ}\right))$

式中：Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))是在Poincare单位球体上的偏振表示中由点P_det、P₁(λ)和P₂(λ)限定的球面三角的面积。因此γ(λ)是偏振量P_det(P₁(λ)和P₂(λ))的函数。γ(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))称为Pancharatnam相位。

为了补偿色散，将量P_det(P₁(λ))和P_det(P₂(λ))选择为在基本波长λ₀区域中的波长λ服从：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{\mathrm{\λ}}_0^2}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$ ；d＝常数。

该工作区可通过改变输入偏振(量)、偏振编码元件，例如它们的角度位置、厚度、倾角或检测偏振这种方式设定。

那么，如果我们在干涉仪臂中放置延迟量非常大的光学元件，透射特性对波长的依赖性可由较大的等量γ(λ)值确定，而不再由干涉仪相位Δ确定。结果，干涉仪对这一区域中的光程长度差的偏差不太敏感，因为长度灵敏度仅由Δ确定。因此，具有这一特性的干涉仪适合于精密光谱学。

附图示出本发明的一个实施例，其中：

图1是示出本发明的干涉仪的示意图。

图2是示出表明偏振量P_det、P₁(λ)和P₂(λ)的Poincare球。

图3a-c、4和5示出不同参数组时干涉仪透射特性与波长或光程差之间函数关系的例子。

图1示出根据本发明的电磁辐射干涉仪1，其中来自电磁辐射源2的光束被分束器3分束成两个光束分量并将这两个光束分量提供给各个干涉仪臂6、7。辐射源为例如激光器或其它至少产生部分相干光的光源。光束分量各被位于干涉仪一端的反射镜反射叠加在它们之上并反射回原同一光路中。在通过干涉仪臂后，它们再次被同一个分束器3叠加它们之上。由检测器10测量重叠波的强度。

不用设置在光路中的光学元件作任何进一步动作，部分波在通过干涉仪臂之后，与干涉仪臂中光程差Δln和波长λ有关的相位差

将会叠加在它们上。根据相位差和辐射相干度，这可以完全抵消检测器上测得的强度。

偏振片8使提供给干涉仪臂的部分波偏振。它建立进入干涉仪臂中的部分电磁波的限定输入偏振状态P_1/2 ⁰。在这种情况中，应用P₁ ⁰＝P₂ ⁰，因为分束器3分离独立偏振的光束。

在两个干涉仪臂的每个臂设置一个光学元件11、12，它改变是波长λ函数的部分电磁波的偏振状态。因此用偏振P_1/2(λ_i)对每个光谱分量λ_i进行编码，使得部分电磁波取偏振状态P₁(λ)和P₂(λ)。表示在Poincare偏振球上，区域P₁(λ)和P₂(λ)至少是部分不同的，这可以通过采用不同的光学元件11、12或者具有不同设置的这种元件来实现。

在干涉仪输出端的检测器的上游放置一个透射可调偏振状态P_det的分析仪9。这个分析仪9形成每个光谱分量λ_i的投影P_det(P₁(λ_i))或P_det(P₂(λ_i))与来自分析仪下游的这些投影的相互干涉。分析仪产生光谱分量的部分波之间的与波长有关的附加相位差γ(λ)，这里γ是P_1/2(λ)和P_det的函数。另一种方法是从分析仪的上游获得部分波干涉，以这种方式产生具有偏振P(λ_i)的波以及形成投影P_det(P(λ_i))。从测得的输出强度考虑结果是相同的。

检测偏振象可以是输入偏振一样，可以是任何椭圆偏振。线性偏振量尤其易于实现。

图2示出代表偏振量P_1/2 ⁰、P_det、P₁(λ)和P₂(λ)的Poincare球。Poincare球位于坐标系的原点，沿各个轴绘出以上定义的量M、C和S。采用这种表示，所有的纯偏振状态是半径为1的Poincare球的表面上点，即总是应用M²+C²+S²＝1。在以下的描述中，我们总是舍弃以上定义的斯脱克斯矢量中的第一分量(强度)，因为强度被归一化为1。在球体的北极，坐标(0，0，1)完全代表左旋偏振光；赤道上的点对应于电场矢量具有不同振动幅度的线偏振光。上半球中的区域对应于左旋椭圆偏振量，下半球中的区域对应于右旋椭圆偏振量。

利用偏振片在干涉仪输入端产生进入干涉仪臂中的部分波的输入偏振P_1/2 ⁰。在这种表示中，P_1/2 ⁰位于Poincare球的赤道上以及M轴上，因此，对于所有波长具有坐标(1，0，0)。因此，P_1/2 ⁰是沿x轴线性偏振的与波长无关的光。

位于干涉仪臂中的改变偏振的光学元件改变是波长函数的两个相互独立的光束分量的输入偏振。第一光束分量(左旋偏振量)的光谱波长λ的偏振量绘在上半球的区域P₁(λ)中。具有相对球体赤道平面的镜面对称性，第二光束分量(右旋偏振量)的光谱波长λ的偏振量绘在下半球的区域P₂(λ)中。这些区域以虚线表示。例如，通过将沿光轴切割的石英板以相互正交的取向置于干涉仪的每个臂中可实现相对赤道的对称性。

在这个例子中，改变基本波长λ₀和另一波长λ_i的偏振，使得点P_1/2(λ_0/1)位于大圆上，这里C＝0。P_1/2(λ₀)或P_1/2(λ₁)的M分量总是保持相同，仅仅相应S分量之间的差是它们的符号。

这种表示还表现了由位于干涉仪输出端的分析仪所透射的检测偏振P_det。在这个例子中，P_det是由赤道上的点所表示的任何线性偏振，它也可以利用简单偏振片作为分析仪来轻易地实现。

光束分量通过干涉仪臂后，分析仪仅透射它们投影分量P_det(P_1/2(λ))，这些分量可以相互干涉并对检测信号产生作用。对于单个光谱分量，我们可以用例如波长λ₀示出，这产生两个光束分量之间的相位差γ(λ₀)，它正比于在点P₁(λ₀)、P₂(λ₀)和P_det之间延展的球面三角区Ω(λ₀)。这服从 $\mathrm{\γ}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}\left({\mathrm{\λ}}_0\right).$

附图示出两个不同光谱分量λ₀和λ₁的三角区Ω(λ₀)和Ω(λ₁)。Ω(λ₀)是由实线界定的，Ω(λ₁)是由虚线界定的。

可以通过光学元件的选择相互调节P_1/2 ⁰、P_det、P₁(λ)和P₂(λ)，使得附加相位γ(λ)补偿干涉仪色散或输出信号对波长的依赖性，或者甚至其对干涉仪臂长的依赖性。

为了补偿色散，这样选择面积P₁(λ₀)和P₂(λ₀)以及P_det，即，对于波长λ₀，当波长从λ₀变为λ₁，即Δλ＝λ₀-λ₁时，附加相位的偏差 $\mathrm{\Δ\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)-\mathrm{\Ω}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)$ 恰好补偿由波长偏差引起的干涉仪相位差。通过选择P₁(λ)和P₂(λ)和/或P_det可以作这样的调节。通过选择输入偏振P_1/2 ⁰和/或光学元件的位置/取向能够影响P₁(λ)和P₂(λ)。

通过将偏振量P₁(λ)和P₂(λ)的参数置于大圆圈P₁(λ₀)、P₂(λ₀)提供一种较佳的安排，P_1/2 ⁰对称于Poincare球上点P_1/2 ⁰(输入偏振)，分析仪透射Poincare球赤道上的偏振量P_det。在这种情况中，从分析仪下游的强度I(λ)为：

I(λ)＝I₀[1+cos2Θcosφ(λ)+cosδ(cos2Θ+cosφ(λ))+sinδsin2Θsinφ(λ)]在这种情况中，2Θ代表Poincare球上由P_1/2 ⁰和P_det限定的距离角，φ(λ)代表由P_1/2 ⁰和P₁(λ)限定的距离角；δ是从变化开始，例如由干涉仪臂长度之间差引起的两个干涉光束分量之间存在的相位差。

偏振量P₁(λ)和P₂(λ)是由两个厚度d相等的取向相互相反并以45°角置于光路中的石英板分布的。这服从：

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\π}-2\mathrm{\π}\frac{d*\mathrm{\Δn}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}$

在这种情况中，Δn(λ)是石英板在波长λ的双折射率。通过利用上述强度公式中的这一关系，我们得到干涉仪的光谱特性I(λ)。

接着，图3a-c、4和5示出根据本发明的干涉仪的典型透射特性的例子。数据是模拟的。除了图3c外，x轴总是以μm为单位绘出所采用的电磁辐射的波长。y轴以任意单位绘出了在干涉仪输出端检测到的强度I(λ)与波长或光程差Δ(l·n)或1的函数关系。

干涉仪臂中具有给定光程长度差Δln，传统的双光束干涉仪的透射特性为在 ${\mathrm{\λ}}_{\max }=\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{m}$ 处具有透射最大和在 ${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{2\mathrm{\Δ}\ln }{2m+1}$ 处具有透射最小，这里m是整数。

在所示的例子中，通过将光学元件(两个厚度d相等的石英板)置于本发明的干涉仪的光路中可改变这一偏差。

在图3a中，在约500至800nm波长范围内可补偿输出信号I(λ)对波长的依赖性。在这个范围内，透射曲线达到平坦状态，即输出信号相对波长的波动是稳定的，因此，对于光程差的起伏尤为敏感。用于实现这一无色散干涉仪的参数组为：2Θ＝2.8；2d＝150μm；l＝100μm，这里1是两个干涉仪臂之间的初始光程差，即两个光束分量之间的光学波长差。1与上述初始相位差δ具有如下关系：

$1=\frac{\mathrm{\δ}*\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}*n}$

图3b示出色散补偿的另一个例子，采用参数2Θ＝2.52；2d＝200μm和l＝6000μm。透射特性在λ＝600nm附近的范围内达到平坦状态。

图3c示出干涉仪透射特性与初始光程差1(单位μm)的函数关系，采用2Θ＝0和2d＝540μm。绘出了三个不同波长λ＝0.48/0.47/0.49μm的强度I(λ)。尽管透射强度的幅度强烈地依赖于波长，但是，对于所有三个波长所示出的强度随变量l的变化是基本相同的。具体说，在图3c中所示的强度最大值和最小值的位置实际上与所采用的波长无关，仅仅取决于光程差l。因此，利用上述参数也能提供无色散的干涉仪。因而，干涉仪的输出信号不受波长起伏的影响，能够被用于更精确地和无误差地确定臂长度差1。

图3c中采用的参数也被用于图4中所示的透射特性，即2Θ＝0和2d＝540μm。然而，与图3c不同，在本情况中绘出了强度I与波长λ的函数关系。三条曲线对应于光程差l＝0/0.1/0.2μm的不同值。尽管干涉仪的两个光束分量具有不同的光程差，但是，最大和最小强度的位置与波长的函数关系基本上与波长无关。

在图5中，与图3a-c不同，未对透射波长依赖关系进行补偿，而是通过在干涉仪光路中提供光学元件增大这一依赖关系。干涉仪具有透射最大值宽和最小值窄的周期性透射范围。因此，透射曲线有一些透射随波长变化比未作处理的干涉仪中更大的区域。因此，在这些区域中，能够检测到波长的微小偏差Δλ，因为它们在输出信号中产生较大的偏差。因而，在特定波长范围内干涉仪的光谱分辨率更高，这允许通过选择光学元件对波长范围进行调节。采用参数2Θ＝2.3；2d＝6000μm；l＝100μm作这一表示。

Claims (30)

1.一种由至少两个干涉仪臂(6、7)和一个分束器(3)组成的电磁辐射干涉仪，这里，来自电磁辐射源(2)的光束被分束器(3)分束成两个光束分量并提供给两个干涉仪臂(6、7)中每个臂；在它们通过干涉仪臂后，与干涉仪臂中光程差Δln和波长λ有关的相位差

被同一或另一分束器(3)叠加在光束分量上；用检测器(10)测量叠加波的强度，其特征如下：

a)设置在光路中的至少一个偏振片(8)，它确立进入干涉仪臂中的部分电磁波的限定偏振状态P_1/2 ⁰，这里偏振状态与波长无关，并对两个光束分量可以不同；

b)在至少一个干涉仪臂(6、7)中设置的至少一个光学元件(11、12)，光学元件改变部分电磁波的偏振状态P_1/2 ⁰，是波长λ的函数，即用偏振P_1/2(λ_i)对每个光谱分量进行编码，使得部分电磁波取偏振状态P₁(λ)或P₂(λ)，由此，在普安卡雷(Poincare)偏振球上示出的区域P₁(λ)和P₂(λ)相互至少是部分不同的；

c)位于干涉仪输出端的分析仪(9)，它透射可调偏振状态P_det，由此形成每个光谱分量λ_i的投影P_det(P_1/2(λ))并产生光谱分量的部分波之间的与波长有关的附加相位差γ(λ)，这里γ是P_1/2(λ)和P_det的函数。

2.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：光学元件(11、12)设置在两个干涉仪臂(6、7)中。

3.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：分束器(3)是偏振分束器，它除了对光束分束外还执行偏振片(8)的功能。

4.如权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：分束器(3)是偏振分束器，它除了对光束分束外还执行偏振片(8)的功能。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的干涉仪，其特征在于：偏振编码光学元件(11、12)是双折射、旋光或椭圆双折射板，例如晶体板。

6.如权利要求5所述的干涉仪，其特征在于：偏振编码光学元件(11、12)在干涉仪中以不同方向定向，由于双折射、旋光或椭圆双折射与波长有关的结果，它们将偏振光转变为与波长有关的不同偏振状态P₁(λ)和P₂(λ)。

7.如权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：偏振编码光学元件(11、12)为任何双光束干涉仪。

8.如权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：偏振编码光元件(11、12)是在所用波长范围内透明的各向异性塑料或玻璃板。

9.如权利要求1-4，6-8中任何一项所述的干涉仪，其特征在于：P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det是由偏振片(8)、分析仪(9)相对位置和随偏振变化的光学元件(11、12)的选取和对准而选择的，以致附加相位差γ(λ)补偿具有固定光程差的Δ(l·n)的干涉仪相位 由此使干涉仪的输出强度在基本波长λ₀附近波长范围Δλ内接近于与波长无关，即对光源中的光谱波动不敏感。

10.如权利要求5所述的干涉仪，其特征在于：P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det是由偏振片(8)、分析仪(9)相对位置和随偏振变化的光学元件(11、12)的选取和对准而选择的，以致附加相位差γ(λ)补偿具有固定光程差的Δ(l·n)的干涉仪相位

由此使干涉仪的输出强度在基本波长λ₀附近波长范围Δλ内接近于与波长无关，即对光源中的光谱波动不敏感。

11.如权利要求1-4，6-8中任何一项所述的干涉仪，其特征在于：P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det是由偏振片(8)、分析仪(9)相对位置和随偏振变化的光学元件(11、12)的选取和对准而选择的，以致附加相位差γ(λ)远远超过干涉仪相位

由此改变整个干涉仪相位Δ+γ(λ)使在基本波长λ0附近波长范围Δλ内增大干涉仪输出信号对波长的依赖性。

12.如权利要求5所述的干涉仪，其特征在于：P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det是由偏振片(8)、分析仪(9)相对位置和随偏振变化的光学元件(11、12)的选取和对准而选择的，以致附加相位差γ(λ)远远超过干涉仪相位

由此改变整个干涉仪相位Δ+γ(λ)使在基本波长λ₀附近波长范围Δλ内增大干涉仪输出信号对波长的依赖性。

13.如权利要求9所述的干涉仪，其特征在于：通过改变偏振片的位置，即偏振状态P_1/2 ⁰、和/或通过改变分析仪的位置，即检测偏振P_det、和/或通过调节、倾斜、和/或改变厚度和/或改变一个或两个干涉仪臂中延迟板的取向，即改变P_1/2(λ)，能够改变光谱工作区λ₀、装置的Δλ。

14.如权利要求10所述的干涉仪，其特征在于：通过改变偏振片的位置，即偏振状态P_1/2 ⁰、和/或通过改变分析仪的位置，即检测偏振P_det、和/或通过调节、倾斜、和/或改变厚度和/或改变一个或两个干涉仪臂中延迟板的取向，即改变P_1/2(λ)，能够改变光谱工作区λ₀、装置的Δλ。

15.如权利要求11所述的干涉仪，其特征在于：通过改变偏振片的位置，即偏振状态P_1/2 ⁰、和/或通过改变分析仪的位置，即检测偏振P_det、和/或通过调节、倾斜、和/或改变厚度和/或改变一个或两个干涉仪臂中延迟板的取向，即改变P_1/2(λ)，能够改变光谱工作区λ₀、装置的Δλ。

16.如权利要求12所述的干涉仪，其特征在于：通过改变偏振片的位置，即偏振状态P_1/2 ⁰、和/或通过改变分析仪的位置，即检测偏振P_det、和/或通过调节、倾斜、和/或改变厚度和/或改变一个或两个干涉仪臂中延迟板的取向，即改变P_1/2(λ)，能够改变光谱工作区λ₀、装置的Δλ。

17.如权利要求1-4，6-8，10，12-16中任何一项所述的干涉仪，其特征在于：位于干涉仪输出端的分析仪(9)是旋转偏振分束器。

18.如权利要求5所述的干涉仪，其特征在于：位于干涉仪输出端的分析仪(9)是旋转偏振分束器。

19.如权利要求9所述的干涉仪，其特征在于：位于干涉仪输出端的分析仪(9)是旋转偏振分束器。

20.如权利要求11所述的干涉仪，其特征在于：位于干涉仪输出端的分析仪(9)是旋转偏振分束器。

21.一种利用如权利要求1-4，6-8，10，12-16，18-20中任何一项所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤来补偿在基本波长λ0附近的范围内输出强度对色散或波长的依赖性，即在λ0附近光谱波长波动期间干涉仪输出信号的稳定化和因此增大干涉仪对臂长度差Δl偏差的灵敏度：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致下式应用于在λ₀范围内的波长λ上：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(p_{\det },p_1\left(\mathrm{\λ}\right),p_2\left(\mathrm{\λ}\right))\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

或

$\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{d\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)\≈-4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}$

式中：d是常数，Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ)，P₂(λ)为固定λ而限定的球面三角的面积。

22.一种利用如权利要求5所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤来补偿在基本波长λ₀附近的范围内输出强度对色散或波长的依赖性，即在λ₀附近光谱波长波动期间干涉仪输出信号的稳定化和因此增大干涉仪对臂长度差Δl偏差的灵敏度：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致下式应用于在λ₀范围内的波长λ上：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(p_{\det },p_1\left(\mathrm{\λ}\right),p_2\left(\mathrm{\λ}\right))\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

或 $\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{d\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)\≈-4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}$

式中：d是常数，Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ)，P₂(λ)为固定λ而限定的球面三角的面积。

23.一种利用如权利要求9所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤来补偿在基本波长λ₀附近的范围内输出强度对色散或波长的依赖性，即在λ₀附近光谱波长波动期间干涉仪输出信号的稳定化和因此增大干涉仪对臂长度差Δl偏差的灵敏度：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致下式应用于在λ₀范围内的波长λ

上：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(p_{\det },p_1\left(\mathrm{\λ}\right),p_2\left(\mathrm{\λ}\right))\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

或 $\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{d\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)\≈-4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}$

式中：d是常数，Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ)，P₂(λ)为固定λ而限定的球面三角的面积。

24.一种利用如权利要求11所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤来补偿在基本波长λ₀附近的范围内输出强度对色散或波长的依赖性，即在λ₀附近光谱波长波动期间干涉仪输出信号的稳定化和因此增大干涉仪对臂长度差Δl偏差的灵敏度：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致下式应用于在λ₀范围内的波长λ上：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(p_{\det },p_1\left(\mathrm{\λ}\right),p_2\left(\mathrm{\λ}\right))\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

或 $\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{d\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)\≈-4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}$

式中：d是常数，Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ)，P₂(λ)为固定λ而限定的球面三角的面积。

25.一种利用如权利要求17所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤来补偿在基本波长λ₀附近的范围内输出强度对色散或波长的依赖性，即在λ₀附近光谱波长波动期间干涉仪输出信号的稳定化和因此增大干涉仪对臂长度差Δl偏差的灵敏度：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致下式应用于在λ₀范围内的波长λ上：

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Ω}(p_{\det },p_1\left(\mathrm{\λ}\right),p_2\left(\mathrm{\λ}\right))\≈d+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)$

或 $\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{d\λ}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)\≈-4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}\ln }{{{\mathrm{\λ}}^2}_0}$

式中：d是常数，Ω(P_det，P₁(λ)，P₂(λ))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ)，P₂(λ)为固定λ而限定的球面三角的面积。

26.一种利用如权利要求1-4，6-8，10，12-16，18-20中任何一项所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤在基本波长λ₀附近的范围内增大干涉仪的光谱分辨率：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致 应用于λ₀上，这里，Ω(P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀)限定的球面三角的面积。

27.一种利用如权利要求5所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤在基本波长λ₀附近的范围内增大干涉仪的光谱分辨率：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致 应用于λ₀上，这里，Ω(P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀)限定的球面三角的面积。

28.一种利用如权利要求9所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤在基本波长λ₀附近的范围内增大干涉仪的光谱分辨率：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致

应用于λ₀上，这里，Ω(P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀)限定的球面三角的面积。

29.一种利用如权利要求11所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤在基本波长λ₀附近的范围内增大干涉仪的光谱分辨率：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P_1/2 ⁰，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致 应用于λ₀上，这里，Ω(P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀)限定的球面三角的面积。

30.一种利用如权利要求17所述干涉仪的方法，其特征在于：

通过以下步骤在基本波长λ0附近的范围内增大干涉仪的光谱分辨率：

a)产生进入干涉仪臂中的部分电磁波的与波长无关的限定输出偏振P1/20，这里，可以P₁ ⁰≠P₂ ⁰；

b)用与波长有关的偏振P₁(λ)或P₂(λ)对部分电磁波的各个光谱分量进行编码；

c)对限定偏振P_det的检测；

d)相互调节偏振量P_1/2 ⁰、P_1/2(λ)和P_det，以致 应用于λ₀上，这里，Ω(P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀))当代表普安卡雷单位球上的偏振量时是指由点P_det，P₁(λ₀)，P₂(λ₀)限定的球面三角的面积。

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