RU2209389C1

RU2209389C1 - Double-beam interferometer

Info

Publication number: RU2209389C1
Application number: RU2002115590A
Authority: RU
Inventors: А.В. Лукин
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: interferometric measurements. SUBSTANCE: the double- beam interferometer includes a luminescence system, supporting and object branches, integrating lens with a filtering diaphragm in its rear focal plane, and a recording device; the luminescence system has a source of monochromatic radiation and a collimator, the supporting and object branches include two relief-phase gratings installed in the direction of the radiation beam, an optical compensator is installed in the supporting branch. Use is also made of four plane mirrors, one of which is installed directly before the first grating, one - in the supporting branch and one in the object branch between the gratings, and the fourth one - past the second grating, both gratings are made as reflection ones with the same spatial frequency, the gratings are positioned with the working surfaces opposite each other, the slits of both gratings are perpendicular to the plane of the interferometer, and at least one of the gratings is installed for smooth turning round the axis perpendicular to its working surface and passing through its middle, as well as for longitudinal motion along its axis. EFFECT: enhanced precision of interferometric measurements at large dimensions of the working field, expanded spectrum of the interferometer, simplified tuning of the interferometer, reduced cost. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле и испытаниях оптических изделий и исследованиях оптических неоднородностей в прозрачных средах, в частности в газодинамических и баллистических экспериментах, в широком спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолета до дальнего инфракрасного. The invention relates to measuring technique and can be used in the control and testing of optical products and studies of optical inhomogeneities in transparent media, in particular in gas-dynamic and ballistic experiments, in a wide spectral range from vacuum ultraviolet to far infrared.

Известны двухлучевые интерферометры, содержащие одну или две дифракционные решетки, где они выполняют функции светоделения или совмещения пучков в проходящем свете (Васильев А.А., Ершов И.В. Интерферометр с дифракционными решетками. - М.: Машиностроение, 1976, с.15 и 26-89). Known double-beam interferometers containing one or two diffraction gratings, where they perform the functions of beam splitting or combining beams in transmitted light (Vasiliev A.A., Ershov I.V. Interferometer with diffraction gratings. - M .: Mashinostroenie, 1976, p.15 and 26-89).

Общим существенным недостатком этих интерферометров является невозможность настройки интерференционной картины на бесконечно широкую полосу. A common significant drawback of these interferometers is the inability to tune the interference pattern to an infinitely wide band.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является двухлучевой интерферометр, включающий оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив с фильтрующей диафрагмой в его задней фокальной плоскости и регистрирующее устройство, при этом осветительная система содержит источник монохроматического излучения и коллиматор, а опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения две рельефно-фазовые дифракционные решетки, в опорной ветви установлен оптический компенсатор (Патент РФ 2075063, МКИ G 01 N 21/45. Двухлучевой интерферометр. Опубликован 10.03.1997 г. БИ 7). The closest in technical essence to the present invention is a two-beam interferometer, including optically coupled lighting system, support and object branches, a lens that mates with a filter diaphragm in its rear focal plane and a recording device, while the lighting system contains a monochromatic radiation source and a collimator, and the reference and the object branch includes two relief-phase diffraction gratings installed along the radiation beam; flax optical compensator (RF Patent 2075063, MKI G 01 N 21/45. Two-beam interferometer. Published on March 10, 1997 BI 7).

Основным недостатком этого двухлучевого интерферометра является необходимость применения решеток на подложках из материала, имеющего хорошее пропускание и высокую оптическую однородность, что чрезвычайно затрудняет возможность практического использования таких интерферометров в ультрафиолетовой и дальней инфракрасной областях спектра. The main disadvantage of this two-beam interferometer is the need to use gratings on substrates of a material having good transmittance and high optical uniformity, which makes it extremely difficult to practically use such interferometers in the ultraviolet and far infrared regions of the spectrum.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности интерферометрических измерений при больших размерах рабочего поля, расширение рабочего спектрального диапазона интерферометра, упрощение процесса его настройки, снижение себестоимости. The technical result of the invention is to increase the accuracy of interferometric measurements with large dimensions of the working field, expanding the working spectral range of the interferometer, simplifying the process of setting it up, and reducing cost.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом двухлучевом интерферометре, включающем оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив с фильтрующей диафрагмой в его задней фокальной плоскости и регистрирующее устройство, при этом осветительная система содержит источник монохроматического излучения и коллиматор, а опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения две рельефно-фазовые дифракционные решетки, в опорной ветви установлен оптический компенсатор, дополнительно введены четыре плоских зеркала, одно из которых установлено непосредственно перед первой решеткой, по одному - в опорной и объектной ветвях между дифракционными решетками, а четвертое - после второй дифракционной решетки, обе решетки выполнены отражательными с одинаковой пространственной частотой, высота их штрихов h и угол дифракции φ определяются из соотношений

где λ - длина волны источника излучения, ν - пространственная частота штрихов с прямоугольной формой профиля. Решетки расположены рабочими поверхностями навстречу друг другу, при этом штрихи обеих решеток перпендикулярны плоскости интерферометра и, по крайней мере, одна из решеток установлена с возможностью плавного поворота вокруг оси, перпендикулярной ее рабочей поверхности и проходящей через ее середину, а также продольного перемещения вдоль этой оси.The solution to this problem is achieved by the fact that in the proposed two-beam interferometer, which includes optically coupled lighting system, support and object branches, a mating lens with a filter diaphragm in its rear focal plane and a recording device, while the lighting system contains a monochromatic radiation source and a collimator, and the reference and the object branches include two relief-phase diffraction gratings installed along the radiation beam; optically mounted in the reference branch compensator, four flat mirrors are additionally introduced, one of which is installed directly in front of the first grating, one each in the support and object branches between the diffraction gratings, and the fourth after the second diffraction grating, both gratings are made reflective with the same spatial frequency, the height of their strokes h and the diffraction angle φ are determined from the relations

where λ is the wavelength of the radiation source, ν is the spatial frequency of the strokes with a rectangular profile. The gratings are located opposite each other by their working surfaces, while the strokes of both gratings are perpendicular to the plane of the interferometer and at least one of the gratings is mounted with the possibility of smooth rotation around an axis perpendicular to its working surface and passing through its middle, as well as longitudinal movement along this axis .

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема предложенного двухлучевого интерферометра. Figure 1 shows a schematic optical diagram of the proposed two-beam interferometer.

На фиг. 2 приведены образцы интерферограмм прозрачного фазового объекта (проявленная фотопластинка), полученные на макете интерферометра при настройке его на бесконечно широкую полосу (фиг.2, а) и на полосы конечной ширины (фиг.2, б). In FIG. 2 shows samples of interferograms of a transparent phase object (developed photographic plate) obtained on the layout of the interferometer when tuning it to an infinitely wide band (Fig. 2, a) and to a strip of finite width (Fig. 2, b).

Двухлучевой интерферометр содержит оптически связанные осветительную систему, опорную и объектную ветви, сопрягающий объектив и регистрирующее устройство. Осветительная система состоит из источника 1 монохроматического излучения и коллиматора 2. Опорная и объектная ветви включают в себя установленные по ходу пучка излучения дифракционные решетки 4 и 7, а также зеркала 3, 5, 6 и 8. Зеркало 3 установлено перед решеткой 4. Зеркала 5 и 6 установлены между дифракционными решетками 4 и 7, а зеркало 8 - после решетки 7. В задней фокальной плоскости сопрягающего объектива 9 установлены фильтрующая диафрагма 10 и регистрирующее устройство 11. В опорной ветви установлен оптический компенсатор 12 разности хода, а в объектной - прозрачный исследуемый объект 12'. A double-beam interferometer contains optically coupled lighting system, support and object branches, a mating lens and a recording device. The lighting system consists of a source 1 of monochromatic radiation and a collimator 2. The reference and object branches include diffraction gratings 4 and 7 installed along the radiation beam, as well as mirrors 3, 5, 6 and 8. Mirror 3 is installed in front of the grating 4. Mirrors 5 and 6 are installed between the diffraction gratings 4 and 7, and the mirror 8 is located after the grating 7. In the rear focal plane of the mating lens 9, a filter diaphragm 10 and a recording device 11 are installed. An optical compensator 12 of the travel difference is installed in the reference branch, and object - transparent investigated object 12 '.

Обе дифракционные решетки 4 и 7 в исходном состоянии располагаются в интерферометре так, что их штрихи и плоские рабочие поверхности ориентированы по возможности взаимно параллельно; взаимно параллельно ориентируются также и зеркала 5 и 6. Both diffraction gratings 4 and 7 in the initial state are located in the interferometer so that their strokes and flat working surfaces are oriented as mutually as possible; mirrors 5 and 6 are also mutually oriented in parallel.

Благодаря тому, что обе решетки 4 и 7 имеют одинаковую пространственную частоту, небольшим юстировочным поворотом одной из них вокруг оси, перпендикулярной ее рабочей поверхности и проходящей через ее середину, возможно небольшое изменение периода и ориентации полос интерференционной ширины на входе регистрирующего устройства 11; небольшой продольной юстировочной подвижкой вдоль этой оси можно добиться полного совмещения соответствующих интерферирующих лучей опорного и объектного пучков. Due to the fact that both gratings 4 and 7 have the same spatial frequency, a small adjustment turn of one of them around an axis perpendicular to its working surface and passing through its middle, a slight change in the period and orientation of the interference width bands at the input of the recording device 11; With a small longitudinal adjustment movement along this axis, it is possible to achieve a complete combination of the corresponding interfering rays of the reference and object beams.

Решетка 7 может быть получена голографическим способом непосредственно в схеме интерферометра путем регистрации интерференционной картины на специальной светочувствительной пластине, установленной в поз. 7 (в отсутствие объекта 12' и компенсатора 12). При этом достигается практически полное исключение искажающего влияния на работу интерферометра дефектов всех его оптических элементов, что особенно ценно при больших рабочих полях. В этом случае должна быть сформирована дополнительная когерентная плоская опорная волна, направленная зеркалом 8 перпендикулярно светочувствительной пластине 7. The lattice 7 can be obtained holographically directly in the interferometer circuit by registering the interference pattern on a special photosensitive plate installed in pos. 7 (in the absence of the object 12 'and the compensator 12). In this case, an almost complete elimination of the distorting effect on the operation of the interferometer of defects of all its optical elements is achieved, which is especially valuable at large working fields. In this case, an additional coherent plane reference wave should be formed, directed by the mirror 8 perpendicular to the photosensitive plate 7.

Двухлучевой интерферометр работает следующим образом. A two-beam interferometer operates as follows.

Монохроматический пучок лучей от источника 1 проходит через коллиматор 2, зеркало 3 и разделяется отражательной решеткой 4 на два параллельных пучка (±1 порядки дифракции), один из которых (объектный), отразившись от зеркала 5, пройдя через исследуемый объект 12' и отразившись от решетки 7 в +1 порядке дифракции, интерферирует с опорным пучком, полученным в результате дифракции на решетке 7 в ее -1 порядке светового пучка, отраженного зеркалом 6 на решетку 7 и прошедшего через компенсатор 12, после которой объектный и опорный пучки совмещаются. Образуемая в результате суперпозиции этих пучков интерференционная картина, проецируется зеркалом 8, сопрягающим объективом 9 на фильтрующую диафрагму 10 и регистрирующее устройство 11 (фотопленка, TV-камера). A monochromatic beam of rays from source 1 passes through a collimator 2, mirror 3 and is divided by a reflective grating 4 into two parallel beams (± 1 diffraction orders), one of which (object), reflected from mirror 5, passed through the studied object 12 'and reflected from grating 7 in the +1 diffraction order, interferes with the reference beam obtained by diffraction on the grating 7 in its -1 order of the light beam reflected by the mirror 6 onto the grating 7 and passing through the compensator 12, after which the object and reference beams are combined. The interference pattern formed as a result of the superposition of these beams is projected by a mirror 8, a mating lens 9 onto the filtering diaphragm 10 and a recording device 11 (film, TV camera).

Исходная настройка (юстировка) интерферометра осуществляется соответствующими небольшими угловыми подвижками одного из зеркал 5 или 6, поворотом одной из решеток 4 или 7 вокруг оси 00' и юстировочным перемещением вдоль нее. The initial adjustment (adjustment) of the interferometer is carried out by the corresponding small angular movements of one of the mirrors 5 or 6, the rotation of one of the gratings 4 or 7 around the axis 00 'and the adjustment movement along it.

Оптическая "толщина" компенсатора 12 устанавливается с учетом эквивалентной оптической длины исследуемого объекта 12'. The optical "thickness" of the compensator 12 is set taking into account the equivalent optical length of the investigated object 12 '.

Работоспособность предложенного интерферометра была проверена на макете, собранном по схеме (фиг.1) на отражательных репликах голограммных решеток диаметром 50 мм и частотой 600 мм^-1. В качестве монохроматического источника использовался He-Ne лазер типа ЛГН-207Б (λ=632,8 нм).The performance of the proposed interferometer was tested on a layout assembled according to the scheme (Fig. 1) on reflective replicas of hologram gratings with a diameter of 50 mm and a frequency of 600 mm ^-1 . An He-Ne laser of the LGN-207B type (λ = 632.8 nm) was used as a monochromatic source.

Пример 1
λ₀ = 632,8 нм (Не-Ne лазер); φ= 45^o;

;

.Example 1
λ ₀ = 632.8 nm (He-Ne laser); φ = 45 ^o ;

;

.

Пример 2
λ₀ = 10600 нм (СO₂ - лазер); φ=45^o;

;

Полученные при этом образцы интерферограмм прозрачного фазового тест-объекта (проявленная фотопластинка) приведены на фиг.2 при настройке интерферометра на бесконечно широкую полосу (фиг.2, а) и на полосы конечной ширины (фиг.2, б).Example 2
λ ₀ = 10600 nm (CO ₂ laser); φ = 45 ^o ;

;

The resulting samples of interferograms of a transparent phase test object (developed photographic plate) are shown in Fig. 2 when tuning the interferometer to an infinitely wide band (Fig. 2, a) and to strips of finite width (Fig. 2, b).

Предложенный интерферометр, благодаря его высокой виброустойчивости, низким требованиям к степени временной и пространственной когерентности используемого источника излучения, а также простоте юстировки, может быть успешно использован для получения высокочастотных голограммных дифракционных решеток путем регистрации интерференционной картины на специальной фотопластинке, установленной на место решетки 7. При этом частота таких решеток будет всегда вдвое больше частоты исходной решетки поз. 4. The proposed interferometer, due to its high vibration resistance, low requirements for the degree of temporal and spatial coherence of the used radiation source, as well as ease of alignment, can be successfully used to obtain high-frequency hologram diffraction gratings by recording the interference pattern on a special photographic plate installed in place of the grating 7. When this frequency of such gratings will always be twice the frequency of the original grating pos. 4.

Claims

A two-beam interferometer, including optically coupled lighting system, support and object branches, mating the lens with a filter diaphragm in its rear focal plane and a recording device, while the lighting system contains a monochromatic radiation source and a collimator, the reference and object branches include installed along the beam radiation two relief-phase diffraction gratings, an optical compensator is installed in the reference branch, characterized in that four additional Oske mirrors, one of which is installed directly in front of the first grating, one each in the support and object branches, between the diffraction gratings, and the fourth after the second diffraction grating, both gratings are made reflective with the same spatial frequency, the height of their strokes h and the diffraction angle φ are determined from the relations h = λ / 4, sinφ = λν, where λ is the wavelength of the radiation source, ν is the spatial frequency of the strokes with a rectangular profile, the gratings are located working surfaces towards each other, at Ohm, the strokes of both gratings are perpendicular to the plane of the interferometer, and at least one of the gratings is mounted with the possibility of smooth rotation around an axis perpendicular to its working surface and passing through its middle, as well as longitudinal movement along this axis.