RU2485456C1

RU2485456C1 - Interferential monochromator

Info

Publication number: RU2485456C1
Application number: RU2012102665A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Чесноков; Дмитрий Владимирович Чесноков; Дмитрий Михайлович Никулин
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2013-06-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: interferential monochromator comprises a multiplex interferometer with unmatched orders of interference at one wave length. One of the interferometers within its structure is a Fabry-Perot standard. The value of the gap between mirrors of other interferometer may be adjusted so that the band of its transmission spectrum is displaced within the interference order.

EFFECT: provision of monochromator tuning in a wide spectral area with simultaneous provision of high resolution capability and possibility to switch transmission of an interferometer by fixed values of wave lengths of transmission spectrum by means of regulation of a distance between mirrors of a Fabry-Perot resonator.

1 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений интерференции световых потоков, например, использовании резонаторов Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.The invention relates to optics, to optical devices based on the use of phenomena of interference of light fluxes, for example, the use of Fabry-Perot resonators used in scientific research and technology for spectral analysis and monochromatization of light.

В качестве аналога можно рассматривать известный тип диспергирующих элементов спектральных оптических приборов - сканирующий интерферометр Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989]. Основной частью аналога являются два частично отражающих зеркала, параллельных друг другу. Зеркала могут быть нанесены на смежные поверхности двух параллельных стеклянных пластин, расстояние между которыми можно изменять специальным механизмом. Недостатки аналога: невозможность одновременно иметь высокую разрешающую способность и широкую свободную область дисперсии (без наложения соседних порядков интерференции).As an analogue, one can consider the known type of dispersing elements of spectral optical devices - the Fabry-Perot scanning interferometer [Skokov I.V. Multibeam interferometers in measurement technology. - M.: Mechanical Engineering, 1989]. The main part of the analogue are two partially reflective mirrors parallel to each other. Mirrors can be applied to adjacent surfaces of two parallel glass plates, the distance between which can be changed by a special mechanism. The disadvantages of the analogue: the inability to simultaneously have high resolution and a wide free region of dispersion (without imposing adjacent interference orders).

Прототипом изобретения является мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками интерференции отдельных интерферометров [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989], который состоит из двух интерферометров Фабри-Перо, расположенных друг за другом по ходу излучения. Монохроматоры этого типа могут иметь расширенную область свободной дисперсии при высокой разрешающей способности, но не являются перестраиваемыми в этой области.The prototype of the invention is a multiplex interferometer with mismatching orders of interference of individual interferometers [Skokov I.V. Multibeam interferometers in measurement technology. - M .: Engineering, 1989], which consists of two Fabry-Perot interferometers located one after another along the radiation path. Monochromators of this type can have an expanded region of free dispersion at high resolution, but are not tunable in this region.

Задача изобретения - обеспечение перестройки монохроматора в широкой спектральной области с одновременным обеспечением высокой разрешающей способности и возможности переключать пропускание интерферометра по фиксированным значениям длин волн спектра пропускания путем регулирования расстояния между зеркалами резонатора Фабри-Перо.The objective of the invention is the provision of tuning of the monochromator in a wide spectral region while providing high resolution and the ability to switch the transmission of the interferometer according to fixed wavelengths of the transmission spectrum by adjusting the distance between the mirrors of the Fabry-Perot resonator.

Решение задачи достигается тем, что в интерференционном монохроматоре, содержащем мультиплексный интерферометр с несовпадающими порядками интерференции на одной длине волны, в соответствии с изобретением, входящий в его состав интерферометр более высокого порядка является эталоном Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции.The solution is achieved by the fact that in an interference monochromator containing a multiplex interferometer with mismatched orders of interference at the same wavelength, in accordance with the invention, a higher order interferometer included in it is a Fabry-Perot standard, and the gap between the mirrors of another interferometer can be adjusted so that the bandwidth of its transmission spectrum is shifted within the order of interference.

Новым в предложенном устройстве управляемого монохроматора является то, что входящий в его состав интерферометр более является эталоном Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции.What is new in the proposed device of a controlled monochromator is that the interferometer included in it is more a Fabry-Perot standard, and the gap between the mirrors of another interferometer can be adjusted so that the bandwidth of its transmission spectrum is shifted within the order of interference.

Предложение применить в составе мультиплексного интерферометра в качестве интерферометра эталон Фабри-Перо, причем величина зазора между зеркалами другого интерферометра может регулироваться таким образом, что полоса спектра его пропускания смещается в пределах порядка интерференции, позволяет переключать спектральную полосу пропускания мультиплексного интерферометра с одной фиксированной полосы спектра пропускания эталона Фабри-Перо на другую с сохранением малой величины полосы пропускания, характерной для эталона Фабри-Перо, то есть с обеспечением высокой разрешающей способности.The proposal to use the Fabry-Perot etalon as an interferometer as part of a multiplex interferometer, and the gap between the mirrors of another interferometer can be adjusted so that the bandwidth of its transmission spectrum is shifted within the order of interference, allows you to switch the spectral bandwidth of the multiplexer interferometer from one fixed bandwidth of the transmission spectrum Fabry-Perot etalon to another while maintaining a small bandwidth characteristic of the Fabry-Perot etalon, to have secured high resolution.

Упрощенная схема такого монохроматора показана на фиг.1. Интерферометр первого порядка образован зеркалами 1 и 2 и воздушным зазором 3 между ними, зеркала в виде тонких металлических слоев нанесены на поверхности прозрачных пластин 4 и 5. Интерферометр высокого порядка образован зеркалами 6 и 7 и прозрачной пластиной 8 между ними. Воздушный зазор 3 величиной 0,2÷0,4 мкм поддерживается втулкой 9, закрепленной своим фланцем на цилиндре 10, выполненном из магнитострикционного или пьезоэлектрического материала, деформирующегося при погружении в магнитное или электрическое поле; при этом цилиндр может укорачиваться или удлиняться, что изменяет величину зазора 3 и перестраивает интерферометр первого порядка интерференции. Для возбуждения электрического поля в пьезоэлектрическом цилиндре на нем, например, на его торцевых поверхностях, формируют металлические обкладки, подсоединяемые к источнику электрического напряжения. В случае использования магнитострикционного цилиндра его погружают в проволочную катушку с током.A simplified diagram of such a monochromator is shown in figure 1. A first-order interferometer is formed by mirrors 1 and 2 and an air gap 3 between them, mirrors in the form of thin metal layers are deposited on the surface of transparent plates 4 and 5. A high-order interferometer is formed by mirrors 6 and 7 and a transparent plate 8 between them. An air gap 3 of 0.2 ÷ 0.4 μm in size is supported by a sleeve 9 mounted with its flange on a cylinder 10 made of magnetostrictive or piezoelectric material, which deforms when immersed in a magnetic or electric field; while the cylinder can be shortened or lengthened, which changes the size of the gap 3 and rebuilds the first order interference interferometer. To excite an electric field in a piezoelectric cylinder on it, for example, on its end surfaces, metal plates are formed that are connected to an electric voltage source. In the case of using a magnetostrictive cylinder, it is immersed in a wire coil with current.

Рассмотрим оптические характеристики устройства. В мультиплекс-интерферометре при отношении оптических толщин интерферометров, кратном целому числу, область дисперсии определяется областью дисперсии тонкого интерферометра, а разрешение - толстым интерферометром.Consider the optical characteristics of the device. In a multiplex interferometer, when the ratio of the optical thickness of the interferometers is a multiple of an integer, the dispersion region is determined by the dispersion region of the thin interferometer, and the resolution is determined by the thick interferometer.

Прозрачность мультиплекс-интерферометра определяется формулой [Скоков И. В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989]:The transparency of the multiplex interferometer is determined by the formula [Skokov I. V. Multibeam interferometers in measuring technique. - M .: Engineering, 1989]:

где

(без учета скачков фаз на отражающих поверхностях); Т и RWhere

(excluding phase jumps on reflective surfaces); T and R

- энергетические прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала. Порядок спектра определяется выражением:- energy transparency and reflection coefficient of each mirror. The order of the spectrum is determined by the expression:

где Ln - оптическая ширина расстояния между зеркалами; λ_ср - средняя длина волны области дисперсии интерферометра.where Ln is the optical width of the distance between the mirrors; λ _cf - the average wavelength of the dispersion region of the interferometer.

Область дисперсии примерно равна области дисперсии тонкого интерферометра [2]:The dispersion region is approximately equal to the dispersion region of a thin interferometer [2]:

где q₁ - порядок спектра тонкого светофильтра.where q ₁ is the order of the spectrum of a thin filter.

Разрешаемая разность длин волн в мультиплекс-интерферометре определяется выражением [Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994]:The resolved wavelength difference in a multiplex interferometer is determined by the expression [V. Lebedeva Experimental optics. - M.: Publishing House Mosk. University, 1994]:

Проведем количественную оценку достижимых параметров рассматриваемого устройства, в котором интерферометр с меньшим зазором имеет порядок q₁=1; регулируемый диапазон спектра Δλ=0,4÷0,8 мкм; в соответствии с (2) получим величину зазора L₁ в крайних точках диапазона перестройки: L₁=0,2÷0,4 мкм.Let us quantify the achievable parameters of the device in question, in which the interferometer with a smaller gap has the order q ₁ = 1; adjustable range of the spectrum Δλ = 0.4 ÷ 0.8 μm; in accordance with (2) we obtain the gap value L ₁ at the extreme points of the tuning range: L ₁ = 0.2 ÷ 0.4 μm.

Аппаратная функция мультиплекс-интерферометра равна произведению аппаратных функций составных частей, пропускается излучение с длинами волн, одновременно присутствующими в полосах пропускания обеих составляющих его интерферометров.The hardware function of the multiplex interferometer is equal to the product of the hardware functions of the components, radiation with wavelengths simultaneously present in the pass bands of both components of its interferometers is transmitted.

При перестройке (путем изменения зазора между зеркалами) интерферометра с первым или другим порядком интерференции его полоса пропускания смещается по спектру, происходит выделение одной полосы дисперсии второго интерферометра, затем другой, то есть «переключение» пропускаемых интерферометром с большим порядком интерференции диапазонов Δλ₂. Оптимальное сочетание спектральных характеристик интерферометра получим, приравняв ширину полосы пропускания интерферометра с меньшим зазором δλ₁ к полосе дисперсии Δλ₂ второго:When tuning (by changing the gap between the mirrors) of an interferometer with a first or another order of interference, its passband shifts along the spectrum, one dispersion band of the second interferometer is selected, then another, that is, a “switching” of the ranges transmitted by the interferometer with a large order of interference Δλ ₂ . We obtain the optimal combination of the spectral characteristics of the interferometer by equating the bandwidth of the interferometer with a smaller gap δλ ₁ to the dispersion band Δλ _{2 of the} second:

Число М «переключаемых» полос дисперсии равно:The number M of “switched” dispersion bands is equal to:

Найдем полосу дисперсии второго интерферометра:Find the dispersion band of the second interferometer:

Соответствующее этой полосе расстояние L₂ между зеркалами второго интерферометра найдем по выражению:

The corresponding distance L ₂ between the mirrors of the second interferometer will be found by the expression:

Здесь n - показатель преломления среды. Результаты расчетов приведены в таблице.Here n is the refractive index of the medium. The calculation results are shown in the table.

RR q₁ q ₁ q₂ q ₂ Δλ_M, мкмΔλ _M, μm Δd₁,мкмΔd ₁ , μm δλ_1, мкмδλ _1, μm δλ_M, мкмδλ _M , μm Δλ₂, мкмΔλ ₂ , μm МM L₂, мкмL ₂ μm 0,850.85 1one 20twenty 0,40.4 0,20.2 0,0150.015 7,5-10^-4 7.5-10 ^-4 0,0150.015 2727 99 0,80.8 1one 15fifteen 0,40.4 0,20.2 0,020.02 1,3·10^-3 1.3 · 10 ^-3 0,020.02 20twenty 1,51,5

Результаты подтверждают, что мультиплекс-светофильтр может перестраиваться в диапазоне длин волн 0,4÷0,8 мкм, расчетная разрешаемая разность длин волн δλ≈7,5÷13 Å.The results confirm that the multiplex filter can be tuned in the wavelength range of 0.4–0.8 μm; the calculated resolved wavelength difference is δλ≈7.5–13 Å.

Таким образом, показано, что мультиплекс-интерферометр может работать, перекрывая весь видимый диапазон спектра с разрешением порядка 10^-9 м.Thus, it was shown that the multiplex interferometer can work, covering the entire visible range of the spectrum with a resolution of about 10 ^-9 m.

При изготовлении устройства применяются обычные для оптических производств материалы: стекло для пластин, алюминий для металлизации, оптические клеи.In the manufacture of the device, materials conventional for optical production are used: glass for plates, aluminum for metallization, optical adhesives.

Таким образом, подтверждается возможность решения поставленной задачи: обеспечение перестройки монохроматора в широкой спектральной области с одновременным обеспечением высокой разрешающей способности.Thus, the possibility of solving the stated problem is confirmed: ensuring the adjustment of the monochromator in a wide spectral region while ensuring high resolution.

Подобный интерферометр, по нашему мнению, может найти применение в системах экспресс-анализа химических веществ и различных промышленных жидкостей и газов, при исследованиях содержания вредных веществ в окружающей среде. Устройство может иметь модификации, работающие в ИК-диапазонах спектра.Such an interferometer, in our opinion, can find application in systems for the express analysis of chemicals and various industrial liquids and gases, in studies of the content of harmful substances in the environment. The device may have modifications operating in the infrared range of the spectrum.

Изобретение может быть применено в оптотехнике, например, в монохроматорах оптического излучения, в спектрометрах, и др. Преимуществом устройства перед известными является его компактность - он может быть выполнен в габаритах чипа микросистемы.The invention can be applied in optical engineering, for example, in optical radiation monochromators, in spectrometers, etc. The advantage of the device over the known ones is its compactness - it can be implemented in the dimensions of the microsystem chip.

Claims

An interference monochromator containing a multiplex interferometer with mismatching orders of interference at the same wavelengths, characterized in that the interferometer included in it is a Fabry-Perot standard, and the gap between the mirrors of another interferometer can be adjusted so that the bandwidth of its transmission spectrum is shifted within interference order.