RU155202U1

RU155202U1 - FABRY-PERO CONFOCAL INTERFEROMETER

Info

Publication number: RU155202U1
Application number: RU2015106375/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Никитич Атутов; Александр Сергеевич Кучьянов; Сергей Львович МИКЕРИН; Александр Иванович Плеханов
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2015-09-27

Abstract

Конфокальный интерферометр Фабри-Перо, состоящий из трубки, первого зеркала и второго зеркала, присоединенного своей рабочей поверхностью непосредственно к трубке с торца, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен втулкой, снабженной первым опорным выступом на внешней поверхности с одного конца и вторым опорным выступом на внутренней поверхности с другого конца, втулка вставлена в трубку, первый опорный выступ втулки соединен с торцом трубки, а второй опорный выступ втулки соединен с рабочей поверхностью первого зеркала, втулка выполнена длиной такой, что термическое изменение длины втулки равно термическому изменению длины трубки, и из материала, термический коэффициент линейного расширения которого больше, чем термический коэффициент линейного расширения материала трубки.A Fabry-Perot confocal interferometer consisting of a tube, a first mirror and a second mirror attached directly to the tube with its working surface from the end, characterized in that it is additionally equipped with a sleeve provided with a first abutment protrusion on the outer surface from one end and a second abutment protrusion on the inner surface from the other end, the sleeve is inserted into the tube, the first supporting protrusion of the sleeve is connected to the end of the tube, and the second supporting protrusion of the sleeve is connected to the working surface of the first mirror, the sleeve is filled with a length such that the thermal change in the length of the sleeve is equal to the thermal change in the length of the tube, and from a material whose thermal coefficient of linear expansion is greater than the thermal coefficient of linear expansion of the material of the tube.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использована для регистрации с высоким разрешением оптических спектров разнообразных источников света - таких как лазеров, светоизлучающих светодиодов и пр., а также для измерения глубины высокочастотной модуляции интенсивности света, производимых электрооптическими или акустооптическими модуляторами.The utility model relates to the field of measurement technology, namely to measuring devices characterized by optical measuring instruments, and can be used to record high-resolution optical spectra of various light sources such as lasers, light-emitting diodes, etc., as well as to measure the depth of high-frequency modulations of light intensity produced by electro-optical or acousto-optical modulators.

Известно техническое решение, используемое в системе термокомпенсатора (Патент US 8607513 “Thermal growth compensators, systems, and methods”, МПК F03G 7/06, F16B 9/00, F24J 2/52, опубликован 04.07.2013 г.). Система, сохраняющая при изменении температуры расстояние между первым и вторым опорными концами, состоит из трех удлиненных элементов - например, трубок, вставленных друг в друга, - которые соединяются «змейкой»: первая внутренняя трубка одним концом соединяется с концом внешней трубки, дальним от первого опорного конца системы, а другим концом первая внутренняя трубка соединяется с концом второй внутренней трубки, дальним от второго опорного конца системы. Коэффициент линейного термического расширения (КТР) первой внутренней трубки больше КТР внешней и второй внутренней трубки, длина внутренней трубки подобрана так, чтобы ее термическое удлинение/сокращение было равным суммарному термическому удлинению/сокращению внешней и второй внутренней трубок.A technical solution is known that is used in a temperature compensator system (Patent US 8607513 “Thermal growth compensators, systems, and methods”, IPC F03G 7/06, F16B 9/00, F24J 2/52, published July 4, 2013). A system that preserves the distance between the first and second supporting ends when the temperature changes, consists of three elongated elements — for example, tubes inserted into each other — that are connected by a “snake”: the first inner tube connects to one end of the outer tube farthest from the first the supporting end of the system, and the other end, the first inner tube is connected to the end of the second inner tube farthest from the second supporting end of the system. The coefficient of linear thermal expansion (CTE) of the first inner tube is greater than the CTE of the outer and second inner tubes, the length of the inner tube is chosen so that its thermal elongation / contraction is equal to the total thermal elongation / contraction of the outer and second inner tubes.

Недостатком представленного технического решения является необходимость заключения системы в отдельный корпус для защиты от внешних механических воздействий и для цельности конструкции.The disadvantage of the presented technical solution is the need to enclose the system in a separate housing for protection against external mechanical influences and for the integrity of the structure.

Известно техническое решение, используемое в лазерном оптическом резонаторе (Патент US RE 31279 E “Laser optical resonator”, МПК H01S 3/086, H01S 3/034, опубликован 14.06.1983 г.), в котором длина промежутка между зеркалами фиксируется за счет того, что стержни, к которым крепятся зеркала, изготовлены из материала с низким КТР и помещены в трубки (рубашки) из материала с высокой теплопроводностью, что обеспечивает перераспределение тепла вдоль стержней, исключая неоднородность их нагрева.A technical solution is known that is used in a laser optical resonator (Patent US RE 31279 E “Laser optical resonator”, IPC H01S 3/086, H01S 3/034, published 06/14/1983), in which the length of the gap between the mirrors is fixed due to that the rods to which the mirrors are attached are made of a material with low KTP and placed in tubes (shirts) of a material with high thermal conductivity, which ensures redistribution of heat along the rods, eliminating the heterogeneity of their heating.

Недостатком представленного технического решения является то, что изменение расстояния между зеркалами вследствие колебаний температуры окружающей среды исключается полностью только применением для изготовления стержней дорогостоящих специальных керамик (например, Cer-Vit).The disadvantage of the presented technical solution is that the change in the distance between the mirrors due to fluctuations in ambient temperature is completely excluded only by the use of expensive special ceramics (for example, Cer-Vit) for the manufacture of rods.

Известно техническое решение, представленное в интерферометре, производимом фирмой ThorLabs (модель SA210-3B, http://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=SA200-3B), выбранного в качестве прототипа. Конструкция интерферометра представляет собой инваровую трубку и два зеркала, присоединенные непосредственно к трубке с торцов.A technical solution is known that is presented in an interferometer manufactured by ThorLabs (model SA210-3B, http://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=SA200-3B), selected as a prototype. The design of the interferometer is an invar tube and two mirrors attached directly to the tube from the ends.

Недостатком известного технического решения является то, что для снижения остаточного КТР и повышения стабильности частоты максимумов пропускания используется комбинация специальных материалов, обладающих КТР противоположных знаков (например, инвар и специальная керамика). Выбор таких материалов очень ограничен, что делает изготовление интерферометра дорогостоящим и специфическим.A disadvantage of the known technical solution is that in order to reduce the residual KTP and increase the stability of the frequency of transmission maxima, a combination of special materials with KTP of opposite signs (for example, Invar and special ceramics) is used. The choice of such materials is very limited, which makes the manufacture of an interferometer expensive and specific.

Перед авторами стояла задача разработать конфокальный интерферометр Фабри-Перо, обладающего повышенной стабильностью частоты максимумов пропускания, используя при этом широкий круг материалов для изготовления интерферометра.The authors were faced with the task of developing a Fabry-Perot confocal interferometer with increased stability of the frequency of transmission maxima, using a wide range of materials for the manufacture of the interferometer.

Поставленная задача решается тем, что конфокальный интерферометр Фабри-Перо состоит из трубки, первого зеркала и второго зеркала, присоединенного своею рабочей поверхностью непосредственно к трубке с торца, дополнительно оснащен втулкой, снабженной первым опорным выступом на внешней поверхности с одного конца и вторым опорным выступом на внутренней поверхности с другого конца, втулка вставлена в трубку, первый опорный выступ втулки соединен с торцом трубки, а второй опорный выступ втулки соединен с рабочей поверхностью первого зеркала, втулка выполнена длиной такой, что термическое изменение длины втулки равно термическому изменению длины трубки, и из материала, термический коэффициент линейного расширения которого больше, чем термический коэффициент линейного расширения материала трубки.The problem is solved in that the Fabry-Perot confocal interferometer consists of a tube, a first mirror and a second mirror attached directly to the tube with its working surface from the end, additionally equipped with a sleeve equipped with a first support protrusion on the outer surface from one end and a second support protrusion on the inner surface from the other end, the sleeve is inserted into the tube, the first supporting protrusion of the sleeve is connected to the end of the tube, and the second supporting protrusion of the sleeve is connected to the working surface of the first mirrors The sleeve length is formed such that the thermal change in length of the sleeve is equal to the thermal change in length of the tube, and of a material, the thermal expansion coefficient of which is greater than the thermal coefficient of linear expansion of the tube material.

Технический эффект заявляемого устройства заключается в снижении погрешности измерения спектра излучения, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения.The technical effect of the claimed device is to reduce the error in measuring the radiation spectrum, as well as to expand the range of devices for this purpose.

На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого конфокального интерферометра Фабри-Перо, где 1 - второе зеркало, 2 - трубка, 3 - втулка, 4 - первое зеркало.In FIG. 1 is a block diagram explaining the operation of the inventive confocal Fabry-Perot interferometer, where 1 is the second mirror, 2 is the tube, 3 is the sleeve, 4 is the first mirror.

На фиг. 2 представлена фотография с экрана осциллографа спектра пропускания конфокального интерферометра Фабри-Перо, полученного с помощью излучения одночастотного лазера, частота которого перестраивалась подачей пилообразного напряжения на управляющую пьезокерамику.In FIG. Figure 2 shows a photograph from the oscilloscope screen of the transmission spectrum of a Fabry-Perot confocal interferometer obtained using radiation from a single-frequency laser, the frequency of which was tuned by applying a sawtooth voltage to the control piezoceramic.

Заявляемый конфокальный интерферометр Фабри-Перо работает следующим образом. Второе зеркало 1 своею рабочей поверхностью присоединено к трубке 2 с одного торца. Второе зеркало может быть выполнено, например, в виде плоского зеркала. С другого торца в трубку 2 вставлена втулка 3, имеющая опорные выступы: первый опорный выступ на внешней поверхности с одного конца и второй опорный выступ на внутренней поверхности. Трубка 2 и втулка 3 изготавливаются из различных материалов. Первым опорным выступом втулка 3 опирается на торец трубки 2 и закрепляется там. Второй опорный выступ втулки 3 соединен с рабочей поверхностью первого зеркала 4. Первое зеркало 4 может быть выполнено, например, в виде сферического вогнутого зеркала. Таким образом, трубка 2 является несущей деталью и совмещает в себе функцию фиксации расстояния L между рабочими поверхностями первого зеркала 4 и второго зеркала 1 и функцию корпуса, упрощающего конструкцию при сохранении ее жесткости. При этом выполняется соотношение L=l₂-l₁, где l₁ - расстояние между опорными поверхностями выступов втулки 3, а l₂ - длина трубки 2.The inventive confocal Fabry-Perot interferometer works as follows. The second mirror 1 is connected by its working surface to the tube 2 from one end. The second mirror can be made, for example, in the form of a flat mirror. At the other end, a sleeve 3 is inserted into the tube 2, having support protrusions: a first support protrusion on the outer surface from one end and a second support protrusion on the inner surface. Tube 2 and sleeve 3 are made of various materials. The first supporting protrusion of the sleeve 3 rests on the end of the tube 2 and is fixed there. The second supporting protrusion of the sleeve 3 is connected to the working surface of the first mirror 4. The first mirror 4 can be made, for example, in the form of a spherical concave mirror. Thus, the tube 2 is a supporting part and combines the function of fixing the distance L between the working surfaces of the first mirror 4 and the second mirror 1 and the function of the housing, which simplifies the design while maintaining its rigidity. In this case, the relation L = l ₂ -l ₁ is fulfilled, where l ₁ is the distance between the supporting surfaces of the protrusions of the sleeve 3, and l ₂ is the length of the tube 2.

Изменение температуры внешней среды приводит к термическому изменению размеров l₁ и l₂. Термическое изменение заданного расстояния между первым зеркалом 4 и вторым зеркалом 1 L становится нулевым при выборе размеров l₁ и l₂ такими, что l₁=L/(1/x-1), l₂=L/(1-x), где x - это отношение КТР материала трубки 2 к КТР материала втулки 3 (x<1). Таким образом, для изготовления трубки 2 и втулки 3 могут быть использованы различные широкодоступные материалы, удовлетворяющие условию: КТР материала втулки 3 должен быть больше КТР материала трубки 2. При радиусе кривизны рабочей поверхности первого зеркала 4 250 мм, L=250 мм, свободный спектральный интервал интерферометра 300 МГц. В интерферометре использовали плавленый кварц с КТР 5,4∗10^-7 К^-1 для изготовления трубки 2 и текстолит с КТР k=2,0∗10^-5К^-1 для изготовления втулки 3. При этом длина трубки 2 составляла 256,9 мм, а размер втулки 3 l₁=6,9 мм. При точности изготовления и сборки δ=0,1 мм остаточное термическое изменение расстояния L составит δ∗k=2 мкм/К. Дрейф частоты δν максимума пропускания интерферометра на каждый градус изменения температуры можно записать в виде: δν=ν∗k∗δ/L, где ν - частота анализируемого света. Для частоты света 5∗10¹⁴ Гц получим дрейф частоты в максимуме пропускания 4 МГц на каждый градус изменения температуры, что составляет менее 1,4% от свободного спектрального интервала интерферометра.A change in ambient temperature leads to a thermal change in dimensions l ₁ and l ₂ . The thermal change in the specified distance between the first mirror 4 and the second mirror 1 L becomes zero when choosing sizes l ₁ and l ₂ such that l ₁ = L / (1 / x-1), l ₂ = L / (1-x), where x is the ratio of the CTE of the material of the tube 2 to the CTE of the material of the sleeve 3 (x <1). Thus, for the manufacture of tube 2 and sleeve 3, various widely available materials can be used that satisfy the condition: the CTE of the material of the sleeve 3 should be larger than the CTE of the material of the tube 2. With a radius of curvature of the working surface of the first mirror 4 250 mm, L = 250 mm, free spectral 300 MHz interferometer interval. The interferometer used fused silica with KTP 5,4 * 10 ^-7 K ^-1 for the manufacture of tube 2 and textolite with KTP k = 2,0 * 10 ^-5 K ^-1 for the manufacture of sleeve 3. The length of tube 2 was 256, 9 mm, and the size of the sleeve 3 l ₁ = 6.9 mm With manufacturing and assembly accuracy δ = 0.1 mm, the residual thermal change in the distance L will be δ ∗ k = 2 μm / K. The frequency drift δν of the maximum transmittance of the interferometer per degree of temperature change can be written in the form: δν = ν ∗ k ∗ δ / L, where ν is the frequency of the analyzed light. For a light frequency of 5 * 10 ¹⁴ Hz, we obtain a frequency drift at a transmittance maximum of 4 MHz for each degree of temperature change, which is less than 1.4% of the free spectral interval of the interferometer.

На Фиг. 2 представлен спектр пропускания заявляемого конфокального интерферометра Фабри-Перо, полученный сканированием частоты одночастотного лазера. Как видно он состоит из узких пиков разнесенных, согласно расчетам, на расстояние 300 МГц. Измеренная спектральная резкость составила величину равную 120, что соответствует ширине пика 2,5 МГц. Интерферометр не имел специальной теплоизоляции, находился в естественных термических условиях. За период наблюдения в течение нескольких часов положения пиков в спектре смещались на величину порядка ширины пика, т.е. порядка 1% свободного спектрального интервала, что подтверждает повышенную стабильность интерферометра, достигающуюся при использовании широкодоступных материалов для его изготовления.In FIG. 2 shows the transmission spectrum of the inventive confocal Fabry-Perot interferometer obtained by scanning the frequency of a single-frequency laser. As you can see, it consists of narrow peaks spaced, according to calculations, at a distance of 300 MHz. The measured spectral sharpness was 120, which corresponds to a peak width of 2.5 MHz. The interferometer did not have special thermal insulation, was in natural thermal conditions. During the observation period, for several hours, the positions of the peaks in the spectrum shifted by an order of magnitude of the peak width, i.e. about 1% of the free spectral range, which confirms the increased stability of the interferometer, achieved using widely available materials for its manufacture.

Преимуществом заявляемого конфокального интерферометра Фабри-Перо является упрощение конструкции при сохранении ее жесткости, снижении стоимости интерферометра за счет применения менее дорогостоящих материалов.The advantage of the inventive confocal Fabry-Perot interferometer is to simplify the design while maintaining its rigidity, reducing the cost of the interferometer due to the use of less expensive materials.

Claims

A Fabry-Perot confocal interferometer consisting of a tube, a first mirror and a second mirror attached directly to the tube with its working surface from the end, characterized in that it is additionally equipped with a sleeve provided with a first abutment protrusion on the outer surface from one end and a second abutment protrusion on the inner surface from the other end, the sleeve is inserted into the tube, the first supporting protrusion of the sleeve is connected to the end of the tube, and the second supporting protrusion of the sleeve is connected to the working surface of the first mirror, the sleeve is filled with a length such that the thermal change in the length of the sleeve is equal to the thermal change in the length of the tube, and from a material whose thermal coefficient of linear expansion is greater than the thermal coefficient of linear expansion of the material of the tube.