ES2946634T3 - Conducción de rayo en el interferómetro - Google Patents

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ES2946634T3 ES19708983T ES19708983T ES2946634T3 ES 2946634 T3 ES2946634 T3 ES 2946634T3 ES 19708983 T ES19708983 T ES 19708983T ES 19708983 T ES19708983 T ES 19708983T ES 2946634 T3 ES2946634 T3 ES 2946634T3
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Abstract

Permitiendo dicho prisma desviar el haz de luz (5') que emerge del divisor de haz (3). Además, la invención se refiere a un interferómetro, un espectrómetro y un método para determinar un cambio de longitud de onda óptica sobre la base del interferómetro de referencia según la invención. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Conducción de rayo en el interferómetro
La invención se refiere a un interferómetro de referencia para la determinación de un cambio de longitud de ruta óptica, en particular de un cambio relativo de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro, que comprende un divisor de rayo y una fuente de luz láser.
Además, la invención se refiere a un uso de un interferómetro de referencia así.
Además, la invención se refiere a un interferómetro con un interferómetro de referencia así y a un espectrómetro, en particular un espectrómetro de infrarrojo cercano, con un interferómetro así.
Además, la invención se refiere a un procedimiento para la determinación de un cambio de longitud de ruta óptica, en particular de un cambio relativo de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro, en donde de una fuente de luz láser se irradia un rayo de luz, en particular un rayo de referencia a un divisor de rayo.
El interferómetro de dos rayos, como se usa por ejemplo en espectrómetros de transformación de Fourier, requiere por regla general un interferómetro de referencia para la medición de una diferencia de longitud de ruta de dos rayos de luz en los brazos del interferómetro.
En el documento US2011/0043819 se muestra un interferómetro de medición de láser, que descansa en la interferencia de rayo láser. Un interferómetro de medición genera resultados de medición, que reproducen el desplazamiento de un elemento móvil; y un interferómetro de corrección genera resultados de medición que indican el cambio del índice de refracción del aire en un intervalo constante de referencia. Una unidad de cálculo calcula, soportada en ello, el valor objetivo para el desplazamiento del elemento móvil, para compensar el cambio en el índice de refracción.
Para la medición del cambio relativo de longitud de ruta óptica, frecuentemente se usa una denominada detección de cuadratura para poder capturar, aparte de una magnitud del cambio de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro, también su signo. La detección de cuadratura es usada en muchos interferómetros de dos rayos obtenibles comercialmente. Para ello se realizan dos interferómetros de referencia, en donde se tiene como resultado una diferencia de longitud de ruta óptica en los dos brazos del interferómetro, en aproximadamente N4. La medición de las dos señales de interferencia permite, aparte de una determinación de la magnitud del cambio de longitud de ruta óptica, adicionalmente también la determinación del signo de la misma. Una detección de cuadratura puede ser realizada por ejemplo mediante dos interferómetros separados espacialmente.
Otra posibilidad de realización es la introducción de una plaqueta N4 en un rayo láser de referencia en un brazo del interferómetro, mediante lo cual se tiene como resultado una diferencia de longitud de ruta óptica apropiada para luz polarizada en s y en p, o polarizada y de modo perpendicular y paralelo. Una detección de radiación láser ocurre entonces mediante un divisor de rayo de polarización y dos detectores.
Puesto que se dificulta realizar una detección simple de cuadratura en particular en una estructura monolítica de interferómetro, en particular integrar un elemento retardante como una plaqueta N4 en un brazo del interferómetro, ya se propuso una estructura de interferómetro que es monolítica y con la cual sin embargo puede determinarse de modo simple y eficiente un cambio en la longitud de ruta óptica. En el documento EP3495766 se divulga una estructura así.
La enseñanza del documento EP3495766 es incluida con ello mediante referencia en la presente descripción. El documento EP3495766 se distingue porque el desplazamiento de fase entre las fracciones polarizadas en s y en p del rayo de referencia no son realizadas mediante una plaqueta N4, sino desviando el rayo sobre un lado superior o inferior del interferómetro de referencia recubierto con HfO2. En una interfaz entre la capa de dióxido de hafnio y el aire tiene lugar la reflexión total, que va acompañada con un desplazamiento de fase determinado entre la luz polarizada perpendicular y paralelamente (polarizada en s y en p).
También esta forma de realización exhibe sin embargo otras desventajas. El rayo de referencia o bien ambas partes del rayo de referencia dividido deberían, a través de un lado superior o inferior del interferómetro, ser dirigidas a la superficie del espejo del brazo del interferómetro. Por ello, las fuentes de luz relacionadas no pueden estar alineadas en el plano que es definido por los ejes ópticos del rayo útil que incide en o que sale del interferómetro. Puesto que el rayo de luz debería ser desviado al lado superior o inferior del divisor de rayo, la fuente de luz está alineada de modo oblicuo, de modo que la dirección de propagación del rayo de luz que sale no se dirige directamente a un elemento de espejo, sino que está ladeada respecto al rayo útil. Por ello resulta un mayor esfuerzo para la alineación del rayo de referencia y mayor demanda de espacio durante la construcción del aparato.
El documento US2011/0043819 A1 muestra un interferómetro de medición por láser, que usa interferencia de rayos láser, que comprende un interferómetro de medición, que genera una salida de medición que corresponde a desplazamiento de un elemento que se mueve; e interferómetro de corrección, que genera una salida de medición que corresponde a un cambio en el índice de refracción del aire en un intervalo constante de referencia. Un dispositivo de procesamiento aritmético calcula una magnitud de desplazamiento de medición objetivo, para corregir la influencia del cambio de índice de refracción del aire. Un rayo láser de corrección del interferómetro de corrección pasa el interferómetro de medición y se mueve con ello en la misma ruta óptica que una ruta óptica de un rayo láser de corrección del interferómetro de medición, para convertirse en luz de interferencia que corresponde al cambio del índice de refracción del aire, a través del cual pasa un rayo láser de medición y entra entonces en el dispositivo de procesamiento aritmético. Este documento no muestra una estructura compacta y monolítica de interferómetro. El dispositivo usa una plaqueta N4 convencional en un brazo del interferómetro, para alcanzar la diferencia de longitud de ruta óptica para luz polarizada en s y en p, o polarizada perpendicular y paralelamente, con las desventajas asociadas con ello.
Por ello, el objetivo de la presente invención es proponer un interferómetro de referencia, que supere las desventajas mencionadas anteriormente. En particular debería poner a disposición interferómetro de referencia aún más compacto y robusto.
Además, es un objetivo indicar un uso de un interferómetro de referencia así.
Otro objetivo es indicar un interferómetro con un interferómetro de referencia así, y un espectrómetro con un interferómetro así.
Además, es un objetivo indicar un procedimiento del tipo mencionado al principio, con el cual pueda determinarse de manera simple y eficiente el cambio en la longitud de la ruta óptica.
El objetivo de logrado de acuerdo con la invención mediante los rasgos de la reivindicación 1.
De acuerdo con la invención, el interferómetro de referencia comprende el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo, por consiguiente, forma un componente integral del mismo. Alternativa/adicionalmente el interferómetro de referencia comprende el prisma colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo, por consiguiente, forma un componente integral del mismo.
Se ve que una ventaja alcanzada con la invención es en particular que mediante la reflexión interna total en una interfaz, surge un desplazamiento de fase entre luz polarizada en x y en y o perpendicular (s) y paralelamente (p), en donde el desplazamiento de fase depende de un índice de refracción del divisor de rayo y de un ángulo de incidencia del rayo de luz. Al respecto, el ángulo de incidencia no tiene que necesariamente operar mediante una ubicación de la fuente de luz y/o del detector de modo oblicuo respecto al plano xz, sino que puede ser ajustado ahorrando espacio y de modo preciso, mediante el uso focalizado de prismas.
Un interferómetro de referencia que comprende el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo y/o el prisma colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo prueba ser compacto. Cuando el interferómetro de referencia está integrado en un interferómetro, en el cual un rayo útil es conducido sobre los mismos elementos de espejo - aunque no sobre las superficies laterales del divisor de rayo, surgen ventajas respecto a la eficiencia en costes y precisión. A continuación se describen en detalle otras realizaciones.
El uso de prismas tiene como ventaja que el ángulo de incidencia del rayo de luz de la fuente de luz de referencia sobre el divisor de rayo puede ser elegido libremente y puede ser ajustado también de acuerdo con la necesidad, sin que por ello tuviese que cambiarse la alineación de la fuente de luz y/o del al menos un detector y/o divisor de rayo de polarización.
Para una descripción detallada de la invención, son válidas las siguientes definiciones:
El eje z central es la superficie normal respecto a la superficie del espejo de un primer elemento del espejo, en particular a través de su centro, en un primer brazo del interferómetro. Preferiblemente, el primer brazo del interferómetro es parte de un interferómetro con estructura de Michelson; el eje z central corresponde entonces a la superficie normal respecto a la superficie del espejo de un primer elemento del espejo del lado frontal del brazo del interferómetro, en el cual se propaga el rayo que atraviesa la capa de divisor de rayo.
El eje x central es la superficie normal respecto a la superficie del espejo de un segundo elemento del espejo, en particular a través de su centro, en un segundo brazo del interferómetro. Preferiblemente, el segundo brazo del interferómetro es parte de un interferómetro de referencia con estructura de Michelson; el eje x central corresponde entonces a la superficie normal respecto a la superficie del espejo de un segundo elemento del espejo del lado frontal del brazo del interferómetro, en el cual se propaga el rayo reflejado en la capa de divisor de rayo.
El eje y es perpendicular al plano que está definido por el eje z central y el eje x central.
Se entiende como primera superficie lateral del divisor de rayo: una superficie plana que corre al menos de modo progresivamente paralelo respecto al eje z central y delimita así lateralmente el primer brazo del interferómetro, o una superficie plana, que corre al menos de modo progresivamente paralelo respecto al eje x central y delimita así lateralmente el segundo brazo del interferómetro, en particular en el interferómetro con estructura de Michelson.
La primera superficie lateral en el primer brazo del interferómetro y la primera superficie lateral en el segundo brazo del interferómetro coinciden preferiblemente, estando en un plano común, el cual es paralelo al plano que está definido por el eje z central y die eje x central. Tales primeras superficies laterales coincidentes del primer y segundo brazo del interferómetro son denominadas como lado superior.
Preferiblemente la segunda superficie lateral en el primer brazo del interferómetro y la segunda superficie lateral en el segundo brazo del interferómetro coinciden, estando en un plano común, el cual es paralelo respecto al plano que está definido por el eje z central y el eje x central, y cuyo plano está opuesto al lado superior; el plano común de las segundas superficies laterales del primer y segundo brazo del interferómetro, opuesto al lado superior es denominado como lado inferior.
Al menos uno de los elementos de espejo puede ser ajustado en su movimiento. El primer elemento de espejo puede ser móvil a lo largo del eje z central, el segundo elemento de espejo puede ser móvil a lo largo del eje x central. La alineación de las superficies de los espejos no experimenta sin embargo ningún ladeamiento. Tampoco se desplazan los elementos de espejo en otra dirección diferente a la dirección z para el primer elemento de espejo o en otra diferente a la dirección x para el segundo elemento de espejo. El eje z central y el eje x central se intersecan en el interferómetro de referencia con estructura de Michelson, siempre en la capa de divisor de rayo.
Preferiblemente el al menos un prisma está diseñado de modo que puede refractarse un rayo de luz que corre esencialmente sobre el eje z central o paralelamente al eje z central hacia el divisor de rayo y puede conducirse de modo oblicuo sobre una primera superficie lateral del divisor de rayo, en particular un lado superior. De modo particular se prefiere por consiguiente la alineación del eje óptico de la fuente de luz de referencia sobre el eje z central o paralelamente al eje z central. En particular cuando se elige una estructura de interferómetro de Michelson, el eje óptico de la fuente de luz de referencia es perpendicular al plano de un primer elemento del espejo en el lado frontal de un primer brazo del interferómetro. Mediante ello es obtenible un interferómetro de referencia particularmente simple y robusto, el cual puede ser producido además con un coste relativamente bajo. La propagación del rayo en el interferómetro de referencia inmediatamente después de la fuente de luz ocurre en esta realización preferida sobre el eje z central. Esto hace la fabricación del interferómetro simple, precisa y conveniente.
Mediante un prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo, en particular mediante el uso de un divisor de rayo con prisma colocado corriente arriba, se refracta entonces el rayo y se desvía de modo oblicuo alejándose del eje z, para encontrar la superficie lateral del divisor de rayo recubierta o no recubierta, en el ángulo de incidencia deseado. Mediante ello puede realizarse una construcción simple y compacta y el rayo de luz encuentra la superficie lateral en un ángulo adecuado para la reflexión interna total. De acuerdo con la necesidad, puede cambiarse de manera simple y rápida el ángulo de refracción, mediante el cambio del prisma.
El primer prisma puede estar adherido, pegado o de otro modo dispuesto o fijo al divisor de rayo, delante del divisor de rayo. El prisma puede estar configurado en una pieza con el divisor de rayo. El efecto de la refracción de la luz puede ser alcanzado también mediante la configuración de la superficie a través de la cual entra el rayo en el divisor de rayo, de modo que, respecto al eje óptico del rayo de luz de referencia, esté en un ángulo diferente a uno de 90°. En este caso, bajo el término prisma se entiende la zona parcial del divisor de rayo con la superficie truncada. De modo particular preferiblemente se usa un prisma recto de tres lados o un prisma recto con superficie base trapezoidal. El prisma recto triangular puede estar alineado de modo que el rayo de luz puede ser dirigido a una primera superficie lateral del divisor de rayo, en particular un lado superior. Preferiblemente, se eligen materiales para el prisma, que son suficientemente transparentes para la longitud de onda del rayo de luz de referencia, por ejemplo, el prisma puede ser manufacturado de vidrio sintético de cuarzo.
Adicional o alternativamente al prisma, que está colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo, un prisma puede estar colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo. Preferiblemente se usa un divisor de rayo que comprende el prisma colocado corriente abajo. Preferiblemente, un prisma colocado corriente abajo está diseñado de modo que puede refractarse un rayo de luz que se aleja oblicuamente respecto al eje x central del divisor de rayo y puede ser conducido esencialmente en un curso sobre el eje x central o paralelamente al eje x central. En particular cuando se elige una estructura de interferómetro de Michelson, el detector puede estar alineado de modo que la normal respecto a la superficie del detector es perpendicular al plano de un segundo elemento del espejo del lado frontal de un segundo brazo del interferómetro.
Debido a que el rayo de referencia, el cual es reflejado totalmente en una primera superficie lateral del divisor de rayo, preferiblemente en el lado superior, y es reflejado totalmente de nuevo a través de un primer o segundo elemento de espejo sobre una segunda superficie lateral del divisor de rayo, preferiblemente sobre el lado inferior, no corre en la salida desde el divisor de rayo a lo largo del eje x central o paralelamente al eje x central. Para poder colocar la superficie del al menos un detector para el rayo de referencia sin embargo paralelamente a la superficie lateral del divisor de rayo, puede usarse un segundo prisma. Mediante el segundo prisma puede desviarse el rayo de luz que corre oblicuo respecto al eje x central, de modo que después de la salida del prisma corra sobre el eje x central o paralelo respecto al eje x central. Mediante ello puede realizarse una construcción simple y compacta y sin embargo el rayo de luz puede encontrar perpendicularmente una superficie del detector alineada paralelamente respecto al eje z central y paralelamente respecto a la superficie lateral del divisor de rayo. De acuerdo con la necesidad, puede cambiarse de manera simple y rápida el ángulo de refracción mediante intercambio del prisma.
De manera análoga al primer prisma, también el segundo prisma puede estar adherido, pegado o de otro modo dispuesto o fijo al divisor de rayo en la ruta del rayo, después del divisor de rayo. El prisma puede estar configurado en una pieza con el divisor de rayo. El efecto de la refracción de la luz puede ser alcanzado también mediante la configuración de la superficie a través de la cual sale el rayo del divisor de rayo, de modo que, respecto al eje óptico del rayo de luz, esté en un ángulo diferente a uno de 90°. En este caso, bajo el término prisma se entiende la zona parcial del divisor de rayo con la superficie truncada. Pueden usarse uno o varios prismas. De modo particular se prefiere un prisma recto de tres lados o un prisma recto con superficie base trapezoidal. El prisma recto de tres lados puede estar alineado de modo que se refracta el rayo de luz que entra desde una segunda superficie lateral del divisor de rayo, en particular desde un lado (62) inferior. Los materiales preferidos son suficientemente transparentes para las longitudes de onda de la fuente de luz de referencia. el prisma puede ser manufacturado por ejemplo de vidrio sintético de cuarzo.
De manera más preferida, el al menos un prisma está dotado con un recubrimiento antirreflectivo, el cual es ajustado a la longitud de onda de la fuente de luz de referencia.
El rayo de luz está configurado en particular como rayo de luz láser, el cual es emitido por la fuente de luz láser.
La primera superficie lateral y/o la segunda superficie lateral, en particular el lado superior y/o el lado inferior, del divisor de rayo está(n) recubierta(s), en particular parcialmente, con un recubrimiento. Podrían estar recubiertos también el lado superior o inferior, en cada caso o juntos, con el mismo material. Un recubrimiento, que es conveniente para una reflexión interna total, que está acompañado con un determinado desplazamiento de fase entre luz polarizada vertical y paralelamente (polarizada en s y p), es nombrado en lo sucesivo capa de retardo. Puede aplicarse una capa de retardo preferiblemente en una superficie lateral del divisor de rayo, preferiblemente en un lado superior o inferior del divisor de rayo. La función de retardo en un brazo del interferómetro es alcanzada entonces sólo cuando los recubrimientos se diferencian en índice de refracción y/o espesor. Mediante la elección focalizada de índice de refracción y espesor del recubrimiento, puede alcanzarse, para un ángulo dado de la incidencia del rayo de luz de la fuente de luz láser, un desplazamiento de fase deseado entre los polarizada en s y en p.
Se prefiere que el/los recubrimiento(s) de los lados en el primer brazo del interferómetro, en comparación con el/los recubrimiento(s) en el segundo brazo del interferómetro, esté(n) configurado(s) de modo diferente. En particular, la primera y segunda superficies laterales en el primer brazo del interferómetro pueden estar recubiertas con una capa de retardo, como se describió anteriormente, mientras la primera y segunda superficies laterales en el segundo brazo del interferómetro no están recubiertas o están recubiertas con un recubrimiento, que es conveniente para la reflexión interna total, sin estar configurado como capa de retardo. Esta asimetría de los recubrimiento de las superficies laterales en los dos brazos del interferómetro puede ser alcanzada también cuando coinciden la primera superficie lateral en el primer brazo del interferómetro y la primera superficie lateral en el segundo brazo del interferómetro, estando por ejemplo en un lado superior común de un prisma divisor de rayo, y coinciden la segunda superficie lateral en el primer brazo del interferómetro y la segunda superficie lateral en el segundo brazo del interferómetro estando por ejemplo, en un lado inferior común de un prisma divisor de rayo. En este caso, por ejemplo, el lado superior y/o el lado inferior del prisma divisor de rayo pueden estar recubiertos sólo parcialmente con una capa de retardo, por ejemplo, sólo en secciones de las superficies laterales, que están asignadas al primer brazo del interferómetro.
En particular, es ventajoso si el índice de refracción y el espesor del recubrimiento son elegidos de modo que, para un rayo de luz de la fuente de luz láser reflejado mediante reflexión interna total, puede alcanzarse un desplazamiento de fase de N4 ± n/10, preferiblemente de n/2 ± n/20, entre rayos reflejados totalmente polarizados en s y en p. Con ello, ya no es necesaria una plaqueta N4 usada en el estado de la técnica. El divisor de rayo está recubierto con una capa simple con índice de refracción adecuado, mediante lo cual puede controlarse una magnitud de un desplazamiento de fase. Por ejemplo, el divisor de rayo está recubierto con una capa de dióxido de hafnio, en donde la capa de dióxido de hafnio exhibe un índice de refracción de aproximadamente 1,82. Es alcanzable un desplazamiento de fase de N4, por ejemplo, con un espesor de capa de aproximadamente 60 nm y/o aproximadamente 120 nm para una longitud de onda de láser de 638 nm. Mediante un ajuste de los espesores de capa y/o de un material de capa, puede alcanzarse casi cualquier desplazamiento deseado de fase para cualquier material de sustrato, ángulo de incidencia y longitud de onda de láser, lo cual abre numerosas posibilidades de aplicación de un interferómetro de referencia de acuerdo con la invención.
Otros materiales de recubrimiento posibles son óxido de indio-estaño, dióxido de titanio, Nb2O3, Ta2O3, ZrO2 , Sc3O3, Y2O3 , así como óxidos mixtos de los óxidos mencionados, mutuamente y/o con SiO2.
Es ventajoso cuando el divisor de rayo está configurado como paralelepípedo, en particular, prisma cuadrangular recto, preferiblemente como cubo o cuboide. Mediante ello se da o es posible una realización particularmente simple del interferómetro de referencia. Un cuboide de divisor de rayo puede tener un tamaño de, por ejemplo 20 mm a 30 mm por 20 mm a 30 mm por 5 mm a 10 mm, preferiblemente 22 mm a 28 mm por 22 mm a 28 mm por 6 mm a 8 mm, en particular por ejemplo 25 mm por 25 mm por 7 mm.
De acuerdo con la invención, se suministra al menos un detector. En particular puede ser conveniente si ocurre una detección del rayo de luz de la fuente de luz láser, como rayo de referencia con un divisor de rayo de polarización y dos detectores. Preferiblemente se suministran dos detectores fotoeléctricos para la detección de dos rayos parciales divididos por un divisor de rayo de polarización. El al menos un detector puede estar configurado en particular como detector de radiación, preferiblemente como una fotocelda, fotodiodo o un fotomultiplicador.
La fuente de luz láser puede ser un láser de diodos, en particular un láser de retroalimentación distribuida (láser DFB), un láser reflector de Bragg distribuido (láser DBR) o un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Al respecto, se trata de fuentes preferidas de luz láser que se distinguen, respecto a un láser convencional, por ejemplo un láser HeNe (helio-neón), por una construcción compacta, un bajo consumo de energía y una elevada estabilidad de la longitud de onda, frente a las variaciones de temperatura.
En la presente relación, se entiende por un láser de retroalimentación distribuida (DFB-Laser) un diodo de láser, cuyo medio activo está estructurado de modo que el índice de refracción varía periódicamente a lo largo del eje óptico.
En la presente relación, se entienden por láseres reflectores de Bragg distribuidos (láseres DBR) diodos de láser, cuyo medio activo está delimitado en un extremo por un espejo del Bragg (inglés: Distributed Bragg Reflector, DBR) y en el cual en el otro extremo se aplica un espejo de desacoplamiento convencional.
En la presente relación, se entienden por diodos de láser de emisor de superficie (en inglés: vertical-cavity surfaceemitting laser, VCSEL) diodos de láser en los cuales la luz es irradiada perpendicularmente al plano del chip semiconductor. Al respecto, el resonador de láser está formado por dos espejos de Bragg dispuestos de modo paralelo al plano de la placa, entre los cuales está insertado el medio de láser.
Sin embargo, la fuente de luz láser puede ser también un láser de diodos de otro tipo de construcción. Dependiendo del tipo de láser de diodos, puede ser ventajoso si se estabiliza longitud de onda de la luz suministrada por éstos mediante un elemento de delimitación de banda, en particular mediante una rejilla de volumen de Bragg (VBG). Esta imparte a la fuente de luz láser en particular una estabilidad elevada de la longitud de onda del láser, frente a las variaciones de temperatura. Un aspecto del documento se refiere a un uso de un interferómetro de referencia de acuerdo con la invención, para verificar un cambio de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro de acuerdo con la reivindicación 9.
La presente invención se refiere además a un interferómetro con un interferómetro de referencia descrito anteriormente, para verificar un cambio de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro, que comprende en particular una fuente de luz para un rayo útil y varios elementos ópticos. En la operación pretendida pueden conducirse un rayo útil y un rayo de luz de la fuente de luz láser a través del mismo divisor de rayo, en donde el rayo de luz de la fuente de luz láser representa un rayo de referencia.
El interferómetro de acuerdo con la invención está caracterizado porque al menos un prisma está colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo, con el cual puede desviarse el rayo de referencia que corre esencialmente paralelo al rayo útil en el divisor de rayo; y/o al menos un prisma está colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo, con el cual puede refractarse el rayo de referencia que se propaga de modo oblicuo respecto al rayo útil alejándose del divisor de rayo, de modo que el rayo útil y el rayo de referencia se alejan del interferómetro de modo esencialmente paralelo uno respecto a otro.
En particular, el interferómetro comprende al menos un prisma, el cual está colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo, y/o al menos un prisma, el cual está colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo.
En particular se ve una ventaja alcanzada con ello, en que es posible de modo particularmente simple una detección de cuadratura en el interferómetro, cuando el rayo útil y el rayo de luz de referencia son conducidos por el mismo divisor de rayo. El interferómetro ha probado también ser particularmente preciso. El rayo de referencia es conducido mediante reflexión interna total a un lado superior y lado inferior del divisor de rayo. Esta geometría permite una construcción particularmente simple y compacta del interferómetro.
Las fuentes de luz están ubicadas de modo que el rayo útil y el rayo de referencia corren de modo esencialmente paralelo entre sí en el interferómetro y/o está ubicado un prisma colocado corriente abajo en la ruta del rayo, de modo que el rayo útil y el rayo de referencia se alejan del interferómetro de modo esencialmente paralelo entre sí. La ruta del rayo del rayo útil o de la primera y segunda parte del rayo útil corren al respecto preferiblemente sobre el eje x central y el eje z central.
En la presente memoria se entiende por operación pretendida, que un rayo útil y un rayo de referencia de una fuente de luz láser pueden ser conducidos por el mismo divisor de rayo. Preferiblemente, en la operación pretendida los rayos útil y de referencia se propagan de modo mutuamente paralelo en dirección del interferómetro con prisma. El rayo de referencia es refractado, antes de encontrarse con la capa de divisor de rayo, por el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo. Adicional o alternativamente, en la operación pretendida los rayos útil y de referencia se propagan de nuevo de modo mutuamente paralelo, después de abandonar el interferómetro con prisma. Para ello, el rayo de referencia es refractado después de abandonar la capa de divisor de rayo, por el prisma colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo. Dentro del interferómetro con prisma / con prismas, en la operación pretendida los rayos útil y de referencia no se propagan de modo mutuamente paralelo.
En una forma preferida de realización, el rayo de referencia es desplazado paralelamente respecto al rayo útil, en particular por encima o por debajo del rayo útil en el prisma, en el divisor de rayo y desde allí es desviado a la primera superficie lateral del divisor de rayo, en particular el lado superior o inferior del divisor de rayo, de modo que los rayos encuentran el elemento de espejo, en la zona esencialmente igual que el rayo útil. Esto tiene como ventaja que los rayos caen sobre los espejos del interferómetro en superficies que se superponen. Preferiblemente la zona de las superficies de incidencia de los dos rayos que se superponen, se encuentra en el centro de la superficie del espejo del elemento del espejo.
Mediante ello se obtiene una exactitud óptima de la construcción. Entonces, por la deformación dinámica del espejo (en la práctica escasamente evitable por completo) durante la operación del interferómetro, surgen como resultado cambios en la conducción de los rayos, los cuales sin embargo en la forma preferida de realización repercuten por igual en el rayo útil y el de referencia. Mediante ello se hace posible una referenciación óptima de las diferencias de longitud de ruta óptica.
El interferómetro de acuerdo con la invención hace posible por consiguiente una conducción separada de rayos útil y de referencia en la entrada en y en la salida del divisor de rayo, y simultáneamente una conducción conjunta de los rayos en las superficies que se superponen de los respectivos elementos de espejo. Con ello se tienen en cuenta de los requerimientos de carácter compacto, precisión y eficiencia en costes.
Es conveniente cuando el interferómetro está configurado como interferómetro de dos rayos. De modo particular preferiblemente esta parte de un espectrómetro de transformación de Fourier, está diseñada en particular como interferómetro monolítico de Michelson.
Es conveniente cuando el interferómetro de referencia está diseñado para la detección de cuadratura, para medir un cambio relativo de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro.
Preferiblemente un interferómetro como se describió anteriormente, está caracterizado porque el sitio de entrada del rayo de referencia en el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo y/o el sitio de entrada del rayo útil en el divisor de rayo está dotado con recubrimientos antirreflectivos; preferiblemente el recubrimiento antirreflectivo en el sitio de entrada del rayo de referencia en el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo, es ajustado a la longitud de onda del rayo de referencia y el recubrimiento antirreflectivo en el sitio de entrada del rayo útil en el divisor de rayo es ajustado al intervalo de longitud de onda del rayo útil. No es necesario recubrimiento antirreflectivo costoso, que cubra tanto el espectro del rayo útil como también el del rayo de referencia.
Una ventaja de un interferómetro de referencia de acuerdo con la invención e integrado en el interferómetro útil, es que el rayo útil y el rayo de referencia pueden incidir paralelamente pero desplazados espacialmente sobre el divisor de rayo. El paralelismo permite comparabilidad particularmente óptima de las propiedades de ambos rayos, que son conducidos simultáneamente sobre superficies que se superponen de los mismos elementos de espejo. El desplazamiento espacial en la entrada en el divisor de rayo puede sin embargo ser elegido, gracias a la construcción de acuerdo con la invención, tan grande que puedan usarse recubrimientos antirreflectivos más convenientes en costes, en cada caso ajustados a las longitudes de onda de los rayos de referencia o rayo útil.
Para un interferómetro útil e interferómetro de referencia combinado se prefiere si el prisma que se encuentra en la ruta del rayo del rayo de referencia o los prismas que se encuentran en la ruta del rayo del rayo de referencia son manufacturados de un material que es particularmente bien transparente para la longitud de onda del rayo de referencia, pero no transparente para la longitud de onda del rayo útil. Mediante ello puede evitarse una superposición indeseada del rayo de luz de referencia con luz dispersa del rayo útil.
La presente invención se refiere además a un espectrómetro, en particular un espectrómetro de infrarrojo cercano, con un interferómetro como se describió anteriormente.
Otro aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para la determinación de un cambio de longitud de ruta óptica, en particular de un cambio relativo de longitud de ruta óptica en los brazos del interferómetro, de acuerdo con la reivindicación 15 en donde de una fuente de luz láser se irradia un rayo de luz como rayo de referencia sobre un divisor de rayo, y mediante reflexión interna total es conducido sobre una primera superficie lateral, en particular un lado superior, del divisor de rayo y una segunda superficie lateral, en particular un lado inferior, del divisor de rayo, caracterizado porque el rayo de luz, antes de entrar en el divisor de rayo, es conducido sobre al menos un primer prisma y/o después de salir del divisor de rayo es conducido por al menos un segundo prisma.
Se logra que en un procedimiento del tipo mencionado, el rayo de luz de la fuente de luz láser es conducido como rayo de referencia mediante reflexión total interna sobre una primera superficie lateral, en particular un lado superior, y una segunda superficie lateral, en particular un lado inferior, del divisor de rayo.
Se ve como una ventaja alcanzada con ello, que en particular mediante la reflexión interna total o reflexión total interna en la primera superficie lateral y/o la segunda superficie lateral, en particular en un lado superior y/o lado inferior, del divisor de rayo puede medirse de manera particularmente simple y eficiente un cambio de longitud de la ruta óptica del rayo útil. Éste es un efecto del desplazamiento de fase mediante reflexión interna total (en lugar de por medio de las placas comunes de retardo). El interferómetro puede estar construido de modo muy compacto (también monolítico), lo cual trae ventajas respecto a la robustez mecánica. La ventaja es reforzada adicionalmente por la conducción del rayo exacta, flexible y que ahorra espacio, mediante prisma colocado corriente arriba y/o colocado corriente abajo.
Se prefiere que en el procedimiento, como se describió anteriormente, el rayo de luz se propague en una primera sección de la ruta del rayo, antes de entrar en el primer prisma sobre el eje z central o paralelamente al eje z central; en una sección media de la ruta del rayo se propague de modo oblicuo respecto al eje z central; y/o en una tercera sección de la ruta del rayo después de salir del segundo prisma, sea conducido sobre el eje x central o paralelamente al eje x central.
La expresión “oblicuo” significa al respecto que la dirección de propagación es diferente a paralela o perpendicular respecto al correspondiente eje del brazo del interferómetro. Una conducción así de los rayos permite una alineación ortogonal de los elementos ópticos más importantes, en particular fuente(s) de luz, divisor de rayo, brazo del interferómetro, espejos y detector(es) y da precisión a la construcción del procedimiento.
Es conveniente si se cambia una polarización del rayo de referencia. Para ello, el divisor de rayo es recubierto al menos parcialmente, en donde como se describió anteriormente, con ayuda de una capa simple de índice de refracción adecuado, se controla una magnitud de un desplazamiento de fase.
Se prefiere que paralelamente al rayo de referencia se desvíe un rayo útil en el divisor de rayo. En particular en el interferómetro con estructura de Michelson se desvían los rayos de referencia y rayo útil sobre la misma capa de divisor de rayo y los mismos elementos de espejo del interferómetro. El rayo útil y el rayo de referencia pueden salir del divisor de rayo entonces en particular paralelamente uno respecto a otro. Mediante ello se mantiene particularmente la precisión de la medición de la diferencia de longitud de ruta óptica, durante la construcción del procedimiento compacto.
En particular, para un divisor de rayo configurado como cuboide o cubo es ventajoso si el rayo de referencia y el rayo útil son conducidos desde ángulos diferentes uno de otro hacia la superficie lateral frontal del divisor de rayo. En particular, el rayo útil es conducido con un ángulo de incidencia de menos de 7°, preferiblemente menos de 3°, de modo más preferiblemente menos de 1°, respecto a la superficie normal de la superficie lateral frontal del divisor de rayo, a través del cual entran los rayos. En una forma preferida de realización, el rayo útil es conducido con un ángulo de incidencia de 0° respecto a la superficie normal a la superficie lateral frontal del divisor de rayo, a través del cual entran los rayos. A diferencia de ello, después de atravesar el prisma sobre la superficie lateral del divisor de rayo, a través del cual entran los rayos, el eje óptico del rayo de referencia es conducido en un ángulo oblicuo de incidencia, por ejemplo, con un ángulo de 30° a 89°, preferiblemente 50° a 85°, más preferiblemente 65° a 80°, respecto al eje y. Sin embargo, dependiendo de la realización es ventajoso también un ángulo de incidencia de 65° a 88°, preferiblemente de 70° a 83°, más preferiblemente de 75° a 78° respecto al eje y. en una forma de realización preferida de modo particular, el rayo de referencia es conducido con un ángulo de incidencia de 76,5° respecto al eje y.
Además, es ventajoso si el rayo de referencia y el rayo útil son capturados por al menos un detector. En particular se suministran dos detectores, en donde son capturados el rayo de referencia y el rayo útil. Además, puede ser conveniente si para el rayo de luz configurado como rayo de referencia, está dispuesto un divisor de rayo de polarización delante del detector. en este caso, son necesarios en suma al menos tres detectores.
A partir del ejemplo de realización representado a continuación surgen otros rasgos, ventajas y efectos. En los dibujos a los cuales se hace referencia al respecto, se muestra:
Fig. 1a un dispositivo conocido partir del estado de la técnica para la detección de cuadratura;
Fig. 1b interferómetro de acuerdo con el documento EP17205704.4;
Fig. 2 representación esquemática de un interferómetro de acuerdo con la invención en la operación pretendida;
Fig. 3 forma de realización preferida de un interferómetro de acuerdo con la invención, en planta, para la operación pretendida;
Fig. 4 forma alternativa de realización de un interferómetro de acuerdo con la invención, en planta;
Fig. 5 vista de una ruta del rayo en el brazo del interferómetro en el corte AA de acuerdo con la Fig. 4, incluyendo rayo de referencia y rayo útil;
Fig. 6 vista de una ruta del rayo en un brazo del interferómetro de referencia en el corte BB de acuerdo con la Fig. 4 con rayo de referencia, sin rayo útil;
Fig. 7 representación esquemática de una ruta del rayo en el interferómetro de acuerdo con la invención en el corte BB con rayo de referencia y rayo útil, incluyendo detalles respecto al desplazamiento de fase;
Fig. 8 representación ejemplar de fases de luz polarizada en s y en p de un rayo de referencia en función del espesor de capa de la capa de retardo;
Fig. 9 representación de una diferencia entre un desplazamiento de fase para luz polarizada de modo diferente, valores simulados;
Fig. 10 representación de una diferencia entre un desplazamiento de fase para luz polarizada de modo diferente, valores simulados y datos de la verificación experimental.
La Fig. 1a muestra un dispositivo conocido a partir del estado de la técnica para la detección de cuadratura. Este dispositivo comprende un interferómetro de Michelson con un interferómetro de referencia para una detección convencional de cuadratura. Además, el dispositivo comprende una fuente 4 de luz láser y otra fuente 9 de luz. Un rayo 5 de luz configurado como rayo de referencia y un rayo 10 útil son separados espacialmente uno de otro en la posición de una plaqueta 11 N4, para lo cual el rayo de referencia está ladeado. El dispositivo comprende otros elementos ópticos, como un divisor 3 de rayo, espejos 12, detectores 7', 7", un elemento 31 compensador y un divisor 13 de rayo de polarización. Para compensar una diferencia de ruta que resulta de que el rayo reflejado en el divisor 3 de rayo no atraviese el divisor 3 de rayo, el dispositivo exhibe una plaqueta 31, que está hecha del mismo material y en el mismo espesor que el divisor 3 de rayo. La plaqueta 11 de retardo está alineada de modo que genera dos polarizaciones ortogonales (polarizaciones en s y en p) del rayo incidente de referencia, que tienen una diferencia de fase una respecto a otra. Preferiblemente se elige un retardador 11 de modo que resulta una diferencia de fases de 90° (o n/2).
En la Fig. 1b se muestra un interferómetro 8 de acuerdo con la doctrina divulgada en el documento EP3495766, para la operación pretendida. El interferómetro 8 está diseñado como interferómetro de Michelson en construcción monolítica. El interferómetro 1 de referencia comprende una fuente de luz láser no representada en la Fig. 1 b, la cual emite un rayo 5 de luz. Además, se suministra un divisor 3 de rayo configurado como cuboide divisor de rayo. El interferómetro 8 comprende además una fuente de luz no representada en la Fig. 1b, la cual emite un rayo 10 útil. Tanto del rayo 10 útil como también el rayo 5 de luz configurado como rayo de referencia son conducidos a través del divisor 3 de rayo. El rayo de referencia puede ser desviado mediante el espejo 6 en el divisor de rayo. Como se describió, alternativamente puede preverse que la fuente de luz láser esté posicionada en el sitio del espejo 6 y esté ladeada respecto al rayo 10 útil. Además, mediante reflexión interna total, el rayo de referencia es conducido mediante un lado 61 superior y lado 62 inferior del divisor 3 de rayo. El lado 61 superior y/o lado 62 inferior del divisor 3 de rayo están recubiertos por ejemplo con dióxido de hafnio. El recubrimiento del divisor de rayo reemplaza la plaqueta 11 N4 de un dispositivo conocido de acuerdo con la Fig. 1a. Además, el interferómetro 8 comprende un primer detector 7'y un segundo detector 7" y un divisor 13 de rayo de polarización para la detección del rayo 5 de luz configurado como rayo de referencia y del rayo 10 útil. Al respecto, el divisor 13 de rayo de polarización está dispuesto delante del primer detector 7', el cual es suministrado para la detección del rayo de referencia. Además, puede preverse que el espejo 12, en particular espejo 12 móvil, esté montado en el divisor 3 de rayo, en particular mediante carcasas del espejo adheridas directamente al divisor 3 de rayo. Los espejos 12 están configurados como componentes técnicos de microsistema (componentes MEMS).
La diferencia de fases entre rayos de referencia polarizados en s y en p en el interferómetro mostrado es generada por la reflexión total de un rayo parcial en el lado 61 superior y/o en el lado 62 inferior del cuerpo de divisor de rayo. La diferencia de fases puede ser ajustada mediante el recubrimiento del lado superior o inferior en un brazo del interferómetro. La diferencia de fases es función del índice de refracción y el espesor de la capa de retardo, del índice de refracción del material del cuerpo de divisor de rayo, del ángulo de incidencia sobre la capa de retardo y de la longitud de onda de la fuente de luz de referencia.
En la Fig. 2 se muestra una representación esquemática de un interferómetro 8 con conducción de rayos de acuerdo con la invención. El divisor 3 de rayo está realizado como prisma. Sin embargo, también son realizables otras geometrías. El rayo 5, 5' de referencia está representado mediante líneas punteadas. El rayo 10 10' útil, está representado mediante una línea de puntos y rayas. El interferómetro comprende un primer prisma 16' colocado corriente arriba del divisor de rayo en la ruta del rayo y un segundo prisma 16" colocado corriente abajo del divisor de rayo en la ruta del rayo.
Debe resaltarse que en la figura 2 se muestra un interferómetro (8) en la operación pretendida. Es decir, se conduce un rayo 5,5' de referencia y un rayo 10,10' útil a través del mismo divisor 3 de rayo. En un interferómetro de referencia así mismo de acuerdo con la invención, se conduciría en la operación pretendida sólo un rayo 5,5' de referencia a través del divisor 3 de rayo.
El eje óptico del rayo 10 útil corre en primera instancia sobre el eje z central. Después de la división del rayo 10 en la capa 19 de divisor de rayo, el eje óptico de una primera parte del rayo 10 útil corre en un primer brazo del interferómetro 2' del interferómetro de nuevo sobre el eje z central, es decir sobre la superficie normal respecto a la superficie del espejo de un primer elemento 12' del espejo a través de su centro 21'. El eje óptico de la segunda parte del rayo 10 útil corre en el segundo brazo 2" del interferómetro sobre el eje x central, es decir, sobre la superficie normal respecto a la superficie del espejo de un segundo elemento 12" del espejo a través de su centro 21".
Antes de incidir en el prisma 16' colocado corriente arriba, los ejes ópticos del rayo 10 útil y rayo 5 de referencia son paralelos. Por la refracción de la luz en la superficie biselada de entrada o en el prisma 16' colocado corriente arriba, se refracta el rayo 5 de referencia contra el lado 61 superior del cuerpo del divisor de rayo. Por consiguiente, el rayo de referencia ya no corre en el divisor 3 de rayo de modo paralelo respecto a los ejes x o z. Una superficie del prisma 16'puede ser dotada con un recubrimiento antirreflectivo para la longitud de onda del láser del rayo de referencia. La superficie subyacente, a través de la cual entra el rayo útil en el cuerpo divisor del rayo puede estar dotada con un recubrimiento antirreflectivo para el intervalo de longitud de onda del rayo útil. Los rayos parciales del rayo de referencia formados en la capa de divisor de rayo son reflejados totalmente tanto en el primero como en el segundo brazo del interferómetro en la superficie lateral común, concretamente en el lado 61 superior, y caen entonces en el centro 21' del espejo 12' en el primer brazo 2' del interferómetro o en el centro 21" del espejo 12" en el segundo brazo 2" del interferómetro.
Las posiciones de incidencia de los rayos útil y de referencia se superponen espacialmente en el respectivo punto central de los espejos 12' y 12", mediante lo cual se asegura la referenciación óptima del interferograma.
El rayo 10' útil sale nuevamente después del segundo paso por la capa 19 de divisor de rayo en el eje x central del cuerpo 3 divisor de rayo.
Después de la reflexión total en el lado 62 inferior del cuerpo 3 divisor de rayo y después de la reflexión o transmisión en la superficie 19 del divisor de rayo, los rayos de referencia abandonan el cuerpo 3 divisor de rayo. En la salida del cuerpo divisor de rayo, los ejes ópticos de los rayos de referencia y útil ya no son paralelos. Por ello, el rayo 5' de referencia es refractado a través del prisma 16" colocado corriente abajo en la ruta del rayo, de modo que es alineado paralelamente respecto al rayo 10' útil y con ello respecto al eje x.
Después de salir del cuerpo divisor de rayo y de la refracción en la superficie 16" del prisma, el rayo 5' de referencia es dividido por un divisor 13 polarizador de rayo en rayos parciales polarizados en s y en o, que en cada caso son detectados en los detectores 7' o 7".
En la Fig. 3 se muestra un plano de un interferómetro 1 de referencia de acuerdo con la invención. Más exactamente, la Fig. 3 muestra la ruta del rayo de un rayo 5, 5' de referencia a través de un divisor 3 de rayo, en el cual están dispuestos dos espejos 12', 12" móviles. El divisor 3 de rayo, en particular al menos una superficie lateral del divisor 3 de rayo, está recubierto parcialmente con una capa 14 de dióxido de hafnio, que exhibe un índice de refracción de 1,82 para la longitud de onda de láser de 638 nm. El divisor 3 de rayo mismo está configurado de vidrio de cuarzo con un índice de refracción de 1,46. El rayo 5 de referencia entra en el cuadro de la izquierda en el cuerpo divisor de rayo, es refractado por el prisma 16' y es dividido en la capa de divisor de rayo en dos rayos parciales. La parte transmitida encuentra entonces el recubrimiento 14 de retardador, que está configurado en este caso en el lado superior del cuerpo divisor de rayo. Después de la reflexión interna total en la superficie 14, el rayo de referencia encuentra el espejo 12' y después de ello encuentra el lado inferior del cuerpo divisor de rayo, donde es de nuevo reflejado totalmente. Lo mismo es válido de manera análoga para el rayo parcial que es reflejado en la capa de divisor de rayo y es desviado por el lado superior del cuerpo divisor de rayo en el espejo 12". Los rayos son combinados nuevamente en la capa 19 de divisor de rayo y abandonan el interferómetro, para ser refractados nuevamente en el prisma 16". Los círculos abiertos denotan las zonas de entrada del rayo de referencia en el lado superior del cuerpo divisor de rayo.
La Fig. 4 muestra en el plano un ejemplo de realización alternativo del interferómetro 1 de referencia de acuerdo con la invención. Se diferencia del ejemplo de realización de acuerdo con la Fig. 3 en que el cuerpo divisor de rayo no es suministrado como cuboide, sino con estructura en forma de L con dos brazos del interferómetro configurados individualmente.
Las figuras 5 y 6 muestran en cada caso un corte a través del interferómetro 8 de acuerdo con la invención, en donde el corte en la Fig. 5 ocurre a lo largo del brazo del interferómetro sin capa de retardo (brazo vertical en la Fig. 4, corte AA). La Fig. 6 muestra por el contrario un corte a través del brazo del interferómetro, que exhibe el recubrimiento 14 retardador (brazo horizontal en la Fig. 4, corte BB).
El círculo 17 abierto superior en la Fig. 5 marca la posición donde el rayo de referencia entra en la capa 19 de divisor de rayo, para completar su ruta sobre dos superficies laterales del brazo del interferómetro y un elemento de espejo (12"). El eje óptico del rayo de referencia está representado por la línea sólida, el del rayo útil por la línea de puntos y rayas. El rayo 5 de referencia entra en el cuerpo divisor de rayo por la superficie inclinada de entrada del prisma 16' (no mostrado). Después de la reflexión en la capa 19 de divisor de rayo (no mostrada), reflexión total en el lado 61 superior, reflexión en el espejo 12", reflexión total en el lado 62 inferior del cuerpo divisor de rayo y transmisión a través de la capa 19 de divisor de rayo (no mostrada), el rayo abandona nuevamente el interferómetro a través de la superficie 16" del prisma. Después de abandonar el interferómetro, el rayo 5' de referencia corre paralelo respecto al rayo 10' útil reflejado.
La Fig. 6 muestra la ruta del rayo de la parte del rayo de referencia, que es transmitida por la capa 19 de divisor de rayo (no mostrada). El rayo 5 de referencia entra en el cuerpo divisor de rayo desde la izquierda por la superficie inclinada del prisma 16', para completar su ruta sobre dos superficies 61,62 laterales del brazo 2' del interferómetro y el elemento 12' de espejo. El eje óptico del rayo de referencia está representado por la línea sólida. No se muestra en esta representación el rayo útil. Después de la reflexión total en la capa 14 de retardo, reflexión en el espejo 12' y reflexión total en el lado 62 inferior, el rayo abandona nuevamente el cuerpo del rayo por la capa 19 de divisor de rayo (no mostrada). El círculo 18 abierto inferior en la Fig. 6 marca la posición donde el rayo de referencia es conducido alejándose de la capa de divisor de rayo y es desviado hacia fuera del divisor de rayo. Después de la refracción por el prisma 16" (no mostrado), el rayo 5' de referencia corre paralelamente al rayo útil reflejado (no mostrado). Una pequeña parte del rayo de referencia reflejado por el espejo 12' es transmitida por la capa 19 de divisor de rayo. Esta proporción transmitida abandona bien sea el interferómetro en dirección de la fuente de luz de referencia o es absorbida, como se muestra, por un recubrimiento 22 opaco.
La Fig. 7 muestra un ejemplo de un desplazamiento de fase de luz polarizada perpendicular y paralelamente (en s y en p) de un rayo de referencia, resultante de la reflexión interna total en una capa 14 de retardo. En el ejemplo mostrado, un rayo 5 láser con una longitud de onda Á=638 nm encuentra una superficie de entrada del prisma 16', en donde la normal de la superficie de entrada para el rayo 5 de referencia está inclinada respecto al eje óptico del rayo 5 de referencia en el ángulo 5. El rayo sale bajo el ángulo a de incidencia de aproximadamente 76,5°, respecto a la normal, a la interfaz entre el vidrio de cuarzo del divisor 3 de rayo y la capa 14 de dióxido de hafnio. Con una capa simple de un material de índice de refracción adecuado, puede controlarse la magnitud del desplazamiento de fase. El desplazamiento de fase es el resultado cuando el rayo láser experimenta reflexión interna total en la capa de interfaz entre el vidrio de cuarzo del divisor 3 de rayo con un índice de refracción de por ejemplo rn=1,46 y la capa 14 de dióxido de hafnio con un índice de refracción de por ejemplo n2=1,82. Un ángulo p respecto a la normal de la superficie de la capa 14 de dióxido de hafnio es de aproximadamente 49,7°. Como es evidente a partir de la figura, la capa 14 de dióxido de hafnio asume la función de una plaqueta 11 N4 de acuerdo con interferómetro de referencia convencional, como se muestra en la Fig. 1. Al desplazamiento de fase contribuyen varios efectos. El rayo 5 hace interferencia con fracciones reflejadas en la superficie de interfaz entre el divisor 3 de rayo y la capa 14 de dióxido de hafnio y con fracciones que son reflejadas varias veces en la capa 14 de dióxido de hafnio, y con ello acumulan un mayor desplazamiento de fase. En suma, esto conduce a una modulación periódica con un espesor de la capa 14 de dióxido de hafnio. El rayo de referencia reflejado totalmente sale del cuerpo divisor de rayo bajo el ángulo £ y corta el eje óptico del rayo útil en la superficie del espejo (12').
La Fig. 8 muestra una representación esquemática del desplazamiento de fase de rayo de referencia polarizado perpendicular y paralelamente (en s y en p), como resultado de reflexión interna total, en función del espesor de capa de la capa 14 de retardo.
La Fig. 9 muestra la diferencia de fases de la luz polarizada en cada caso en s y en p del rayo de referencia, como función del espesor de la capa 14 de retardo, para reflexión interna total en una superficie de interfaz como se muestra en la figura 7. Es evidente que con un espesor de la capa de dióxido de hafnio de 60 nm o 120 nm se alcanza un desplazamiento de fase de n/2 (correspondiente a N4). Mediante un ajuste del espesor de capa y/o de un material de capa, puede alcanzarse casi todo desplazamiento de fase deseado para cualquier material de sustrato y ángulo de incidencia un.
Los datos presentados en la Fig. 10 son datos simulados, que fueron verificados manualmente de modo semianalítico. El espesor de las capas de dióxido de hafnio usadas para la medición fue de aproximadamente 58 nm, aproximadamente 93 nm, aproximadamente 121 nm y aproximadamente 149 nm. Con un interferómetro de prueba se midió un desplazamiento de fase entre luz polarizada en s y en p. La Fig. 10 muestra una comparación de los valores teóricos de acuerdo con la Fig. 9 con valores experimentales. Es evidente que los valores experimentales y teóricos se coinciden bien.
Básicamente, los valores exactos de un desplazamiento de fase dependen sensiblemente de un espesor de un recubrimiento y un ángulo de incidencia de la luz. En una aplicación del interferómetro 1 de referencia para la detección de cuadratura no es esencial un desplazamiento exacto de fase de N4, por ello es permisible una desviación de ± N20, de modo que las tolerancias técnicas de producción tampoco representan ninguna dificultad.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Interferómetro (1) de referencia para la determinación de un cambio de longitud de ruta óptica, en particular de un cambio relativo de longitud de ruta óptica en los brazos (2) del interferómetro, que comprende un divisor (3) de rayo, el cual exhibe una capa (19) de divisor de rayo, en donde la capa (19) de divisor de rayo puede ser atravesada por un rayo de luz en un primer brazo (2') del interferómetro y el rayo de luz puede ser reflejado en la capa (19) de divisor de rayo en un segundo brazo (2”) del interferómetro, que comprende además elementos (12',12”) de espejo, al menos un detector (7',7") y una fuente (4) de luz láser,
caracterizado porque
el divisor (3) de rayo está configurado de modo que
un rayo (5) de luz de la fuente (4) de luz láser puede ser conducido mediante reflexión interna total sobre una primera superficie lateral y una segunda superficie lateral del divisor (3) de rayo, en donde al menos la primera superficie lateral y/o la segunda superficie lateral del divisor (3) de rayo, está(n) dotada(s) en particular parcialmente, con un recubrimiento;
y en donde el interferómetro de referencia comprende al menos un prisma (16',16"), en donde
- el prisma (16') está colocado corriente arriba del divisor (3) de rayo en la ruta del rayo, de modo que puede desviarse un rayo (5) de luz que entra en el divisor (3) de rayo; y/o
- el prisma (16") está colocado corriente abajo del divisor (3) de rayo en la ruta del rayo, de modo que puede desviarse un rayo (5') de luz que sale del divisor (3) de rayo.
2. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con la reivindicación 1, en particular un interferómetro de referencia con estructura de Michelson, en donde el al menos un prisma (16') está configurado de modo que puede refractarse un rayo (5) de luz que corre esencialmente sobre el eje z central o paralelo respecto al eje z central hacia el divisor de rayo y puede conducirse de modo oblicuo sobre una primera superficie lateral del divisor (3) de rayo, en donde el eje z central es la superficie normal respecto a la superficie (21') del espejo de un primer elemento (12') del espejo en el lado frontal del primer brazo (2') del interferómetro; de modo particular, se prefiere un prisma recto de tres lados, el cual puede dirigir el rayo de luz a una primera superficie lateral del divisor de rayo, en particular un lado (61) superior del divisor (3) de rayo.
3. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con la reivindicación 1, en particular un interferómetro de referencia con estructura de Michelson, en donde el al menos un prisma (16") está configurado de modo que puede refractarse un rayo (5') de luz que se aleja de modo oblicuo respecto al eje x central del divisor de rayo y puede ser conducido esencialmente en un curso sobre el eje x central o de modo paralelo respecto al eje x central, en donde el eje x central es la superficie normal respecto a la superficie del espejo (21") de un segundo elemento del espejo (12") en el lado frontal del segundo brazo (2”) del interferómetro; de modo particular se prefiere un prisma recto de tres lados, el cual puede refractar el rayo de luz que entra desde una segunda superficie lateral del divisor de rayo, en particular desde un lado (62) inferior.
4. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque al menos un lado (61) superior y/o un lado (62) inferior, del divisor (3) de rayo está(n) dotado(s), en particular parcialmente, con un recubrimiento,
en donde se entiende por un lado superior: una primera superficie lateral en un primer brazo del interferómetro y una primera superficie lateral en un segundo brazo del interferómetro, que están en un plano común, el cual es paralelo respecto al plano que es definido por el eje z central y el eje x central; y
en donde se entiende por un lado inferior: una segunda superficie lateral en el primer brazo del interferómetro y una segunda superficie lateral en el segundo brazo del interferómetro que están sobre un plano común, que es paralelo al plano que es definido por el eje z central y el eje x central, y cuyo plano está opuesto al lado superior.
5. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el índice de refracción y el espesor del recubrimiento son elegidos de modo que para un rayo (5) de luz de la fuente (4) de luz láser reflejado mediante reflexión interna total, puede alcanzarse un desplazamiento de fase de n/2 ± n/10, preferiblemente de n/2 ± n/20, entre rayos reflejados totalmente polarizados en s y en p.
6. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el divisor (3) de rayo está diseñado como paralelepípedo, en particular como prisma cuadrangular recto, preferiblemente cuadrado.
7. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se suministran dos detectores (7', 7") fotoeléctricos para la detección de dos rayos parciales divididos por un divisor (13) de rayo de polarización.
8. Interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la fuente (4) de luz láser es un láser de diodos, en particular un láser de retroalimentación distribuida, un láser reflector de Bragg distribuido o un láser emisor de superficie de cavidad vertical.
9. Uso de un interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8 para verificar un cambio de longitud de ruta óptica en los brazos (2) del interferómetro.
10. Interferómetro (8) con un interferómetro (1) de referencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 8 para verificar un cambio de longitud de ruta óptica en los brazos (2) del interferómetro, que comprende en particular una segunda fuente (9) de luz para un rayo (10) útil y varios elementos ópticos, en donde durante la operación pretendida, el rayo (10) útil de la fuente (9) de luz y el rayo (5) de luz de la fuente (4) de luz láser, pueden ser conducidos a través del mismo divisor (3) de rayo, y en donde el rayo (5) de luz de la fuente (4) de luz láser representa un rayo de referencia, en donde el al menos un prisma (16') colocado corriente arriba del divisor (3) de rayo en la ruta del rayo, está configurado de modo que puede desviarse un rayo (5) de referencia que corre esencialmente paralelo respecto al eje z central hacia el divisor (3) de rayo, y/o
en donde el al menos un prisma (16") colocado corriente abajo del divisor (3) de rayo en la ruta del rayo está configurado de modo que puede refractarse el rayo (5') de referencia, de modo que el rayo (5') de referencia se aleja del interferómetro de modo esencialmente paralelo al eje x central.
11. Interferómetro de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el interferómetro (8) está configurado como interferómetro de dos rayos.
12. Interferómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 o 11, caracterizado porque el interferómetro (1) de referencia está diseñado para la detección de cuadratura.
13. Interferómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el sitio de entrada del rayo de referencia en el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo y/o el sitio de entrada del rayo útil en el divisor de rayo están dotados con recubrimientos antirreflectivos; preferiblemente, el recubrimiento antirreflectivo en el sitio de entrada del rayo de referencia en el prisma colocado corriente arriba del divisor de rayo es ajustado a longitud de onda del rayo de referencia y el recubrimiento antirreflectivo en el sitio de entrada del rayo útil en el divisor de rayo es ajustado al intervalo de longitud de onda del rayo útil.
14. Espectrómetro, en particular espectrómetro de infrarrojo cercano, con un interferómetro (8) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13.
15. Procedimiento para la determinación de un cambio de longitud de ruta óptica, en particular de un cambio relativo de longitud de ruta óptica en los brazos (2) del interferómetro, en donde de una fuente (4) de luz láser se irradia un rayo (5) de luz como rayo de referencia en un divisor (3) de rayo,
caracterizado porque
el rayo de referencia es conducido mediante reflexión interna total sobre una primera superficie lateral, en particular un lado (61) superior, del divisor (3) de rayo, y una segunda superficie lateral, en particular un lado (62) inferior, del divisor (3) de rayo, en donde
antes de entrar en el divisor de rayo, el rayo de luz es conducido mediante al menos un primer prisma (16') y/o después de salir del divisor de rayo es conducido mediante al menos un segundo prisma (16").
16. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el rayo (5) de luz de referencia
- se propaga en una primera sección de la ruta del rayo, en particular antes de entrar en el primer prisma (16'), sobre el eje z central o paralelamente al eje z central, en donde el eje z central es la superficie normal respecto a la superficie (21') del espejo de un primer elemento (12') del espejo en un primer brazo (2') del interferómetro;
- en una sección central de la ruta del rayo, se propaga de modo oblicuo respecto al eje z central; y/o
- en una tercera sección de la ruta del rayo, en particular después de salir del segundo prisma (16"), se propaga sobre el eje x central o de modo paralelo al eje x central, en donde el eje x central es la superficie normal respecto a la superficie (21") del espejo de un segundo elemento (12") del espejo en un segundo brazo (2”) del interferómetro.
17. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 15 o 16, caracterizado porque cambia una polarización del rayo (5) de referencia.
18. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque de modo paralelo al rayo (5) de referencia, se orienta un rayo (10) útil sobre el mismo divisor (3) de rayo y se desvía mediante los elementos (12', 12") de espejo y el rayo (10') útil sale del divisor de rayo de modo paralelo al rayo (5') de referencia.
19. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 a 18, caracterizado porque el rayo (5) de luz de referencia y/o el rayo (10) útil son capturados por al menos un detector (7',7").
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