SU1542202A1 - Оптический фильтр Фабри-Перо - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптическому спектральному приборостроению . Цель изобретени  - повышение спектрального разрешени  и стабильности частоты пропускани . Дл  этого в устройстве реализовано сравнение частоты пропускани  вспомогательного

Description

т Ш

фиг.1

СП

4 ND

3154

интерферометра 5 с частотой источника 29 эталонного излучени . При этом стабильность оптической длины промежутков между зеркалами основного интерферометра 10 достигаетс  за счет обеспечени  стабильности фаз интерферограмм излучени  источника белого света. Дл  этого в оптический фильтр Фабри-Иеро введены источ- (пик 29 эталонного излучени ,, диафрагма 4, делитель 6 спектра, пред- Монохроматор 15 и дополнительный пье«- эоэлектрический элемент 9. Пьезоэлектрический элемент 9 обеспечи- Вает перемещение подвижного зерка-

Изобретение относитс  к оптическому спектральному приборостроению может быть использовано в экспериментальной астрофизике, метеорологии, при спектральном анализе излучени  лабораторных источников.

Цель изобретени  - повышение спектрального разрешени  и стабильности частоты пропускани .

На фиг. 1 приведена структурна  схема разработанного оптического фильтра Фабри-Перо; на фиг. 2 - вариант структурной схемы светорасщепи- тел ; на фиг. 3 - вариант структурной схемы делител  спектра, i Стабилизированный оптически фильтр Фабри-Перо (фи1, 1) содержит последовательно установленные на оптической оси источник 1 белого света, блок 2 сложени , конденсор 3, диафрагму 4, вспомогательный интерферо™ метр 5 Фабри-Перо и делитель 6 спектра . Интерферометр 5 включает установленные параллельно друг другу и перпендикул рно оптической оси неподвижное зеркало 7 и нод мжное зеркало 8, на котором укреплен пьезоэлектрический элемент 9. Основной интерферометр

10Фабри-Перо включает установлен- . иые параллельно неподвижное зеркало

11и подвижное зеркало 12, по периметру которого укреплены три идентичных пьезоэлектрических элемента 13 (на фиг. 1 показан один пьезоэлектрический элемент 13).-Перед интерферометром 10 установлен светорасщепи- тель 14, оптически св занный с пред- монохроматором 15, и делитель 6 Спектра, С подвижным зеркалом 12 оп

ла 8 вдоль оптической оси по пилообразному закону с амплитудой /},/2, где Лэ- длина волны излучени  источника 29 эталонного излучени . При этом подвижное зеркало 8 обеспечивает перестройку по частоте пропускани  интерферометра 5 и, следовательно , перестройку частоты прошедшего через интерферометр 5 излучени  от источника 1. Тем самым обеспечиваетс  посто нство оптической длины промежутка вспомогательного интерферометра 5 с точностью, определ емой стабильностью частоты эталонного источника 29. 3 ил.

5

5

0

5

0

5

тически св заны три фотодетектора 16, каждый из которых установлен напротив соответствующего пьезоэлектрического элемента 13. Выход каждого фотодетек- тора 16 через последовательно соединенные селективный усилитель 17, фазовый детектор 18 и операционный усилитель 19 подключен к входу соответствующего пьезоэлектрического элемента 13. К неинвертирующему входу каждого операционного усилител  19 подключен соответствующий управл емый источник 20 опорного напр жени  (на фиг. 1 показана одна, цепь, содержаща  фотодетектор 16, селективный усилитель 17, фазовый детектор 18 и операционный усилитель 19, а также один управл емый источник 20 опорного напр жени ). На выходе делител  6 спектра установлен фотодатек- тор 21, выход которого через последовательно соединенные селективный усилитель 22, фазовый детектор 23, операционный усилитель 24 и сумматор 25 подключен к входу пьезоэлектрического элемента 9. К неинвертирующему входу операционного усилител  24 подключен управл емый источник 26 опорного напр жени , а выход селективного усилител  22 соединен также с опорными входами всех фазовых детек- второв 18. Блок 27 синхронизации соединен с опорным входом фазового детектора 23 и входом модул тора 28, а  ыход последнего подключен к второму входу сумматора 25. Источник 29 эталонного излучени  оптически сопр жен через блок 2 сложени  с источником 1 белого света.

10

15

20

51542202

Источник 1 белого света установлен в фокусе конденсора 3 и предназначен дл  формировани  вспомогатель- ных интерферограмм интерферометра 10. Источник 1 характеризуетс  посто нной интенсивностью в пределах дисперсии интерферометра 10. В качестве источника 1 может быть использована, например , лампа накаливани .

Блок 2 сложени  предназначен дл  оптического сопр жени  источников 1 и 29.. В качестве блока 2 может быть использовано, например, полупрозрачное зеркало.

В Качестве конденсора 3 может быть использована, например, собирательна  линза.

Диафрагма 4 предназначена дл  совмещени  фронтов излучени  источников 1 и 29. Диафрагма 4 может быть выполнена , например, тз виде непрозрачного экрана с круглым отверстием, диаметр которого не превышает диаметра волнового фронта излучени  источников 1 и 29.

Пьезоэлектрические элементы 9 и 13 могут быть выполнены, например, в виде стандартных пьезоэлектрических элементов тшта ЛУ-5.

Светорасщепитель 14 предназначен дл  преобразовани  пучка лучей от источника 1 белого света в три параллельных пучка. Светорасщепитель 14 (фиг. 2) содержит оптически св занные собирательную короткофокусную линзу 30, длиннофокусную собиратель- ную линзу 31, экран 32 с трем  круглыми отверсти ми и три идентичных поворотных зеркала 33, установленные каждое напротив соответствующего отверсти  экрана 32 под углом 1Г/4 к оп- тической оси светорасщепител  14.

25

30

35

40

1 у

п р ф н т

ны н мы ф ра

дл но ин си В мо фа

пр ло

Делитель 6 спектра предназначен дл  пространственного разделени  пучков излучени  источников 1 и 29, Делитель 6 (фиг. 3) содержит оптически св занные полупрозрачные зеркало 34, оптический фильтр 35, не пропускающий излучение источника 1, и оптический фильтр 36, не пропускающий излучение источника 29.

Предмонохроматор 15 предназначен дл  выделени  одного пор дка интерференционной картины источника 1 белого све, а. В качестве предмонохро- матора 15 может быть использован, например , интерференционный оптический фильтр, Ширина полосы определ етс  условием

-it 2d

ЛЛ

где d - длина промежутка между зеркалами 7 и 8 интерферометра 5j Д, - длина волны пропускани 

предмонохроматора 15, значение которой бпредел етс  чувствительностью фотодетектора 16.

В качестве фотодетекторов 16 могут - быть использованы, например, фотодетекторы типа ФД-25. Число фотодетекторов 16 выбрано из услови  однозначной установки положени  зеркал интерферометра 10.

Селективные усилители 17 и 22 предназначены дл  выделени  из электрических сигналов соответствующих фотодетекторов 16 и 21 составл ющей на частоте первой гармоники модул тора 28.

Фазовые детекторы 18 предназначены дл  получени  сигналов, i.,;. рцио- нальных смещению фазы интерферограм- мы интерферометра 10 относительно фазы интерферограммы интерферометра 5.

Фазовый детектор 23 предназначен дл  получени  сигнала, проиорциональ- ного смещению фазы интерферограммы интерферометра 5 относительно фазы сигнала блока 27 синхронизации. В качестве фазовых детекторов t8 и 23 могут быть использованы, например, фазометры типа Ф2-13.

Оиерацибнные усилители 19 и 24 предназначены дл  формировани  сигналов коррекции положени  зеркал 11,12

и 7,8 соответственно интерферометра 10 и интерферометра 5. Коэффициенты усилени  усилителей 19 и 24 определ ютс  заданной нестабильностью разработанного оптического фильтра

и составл ют приблизительно 10. Управл емые источники 20 и 26 опорных напр жений предназначены дл  формировани  напр жений предварительной настройки соответственно интер- i

фербметров 10 и 5. Источники 20 и 26 могут включить последовательно соединенные источник посто нного напр жени  (например, типа Б5-30) и реостат .

Длина d промежутка между зеркалаи 7 и 8 интерферометра 5 определ етс  заданным спектральным разрешеием оптического фильтра,.

,N

где Aj центральна  длина волны исследуемого источника излучени ; . J0 ЛМг- заданное спектральное разрешение ;

N - число эффективно интерфери рующих лучей (зависит от качества используемых зеркал).} Нлок 27 синхронизации предназначен дл  формировани  сигнала синхрониза- ции модул тора 28, используемого в качестве опорного дл  фазового детектора 23. В качестве блока 27 синхро- 20 низацин может быть использован, например , генератор типа ГЗ-112/1. Модул тор 28 предназначен дл  формировани  пилообразного напр жени  с периодом, равным периоду первой 25 гармоники сигнала блока 27 синхрони- С эадии, и амплитудой Ла/2, где Д,- центральна  длина волны излучени  источника 29.

В качестве источника 29 эталонно- 30 го излучени  может быть использован, например, стабилизированный по часто- те лазер типа ЛГН-302 с нестабильностью частоты cfVj/ Oy-10 10 9 .

Оптический .фильтр Фабри-Перо ра 35 ботает следующие: обрлзом,

Блок 2 обеспечивав, сложение рас- ход щихс  пучков излучени  источников и 29. Конденсор 3 формирует из расход щегос  пучка излучени  парал- 40 лелышй пучок. Диафрагма 4 осуществл ет ограничение этого пучка так, что в каждой точке рабочего сечени  вспомогательного интерферометра 5 присутствует в одинаковой пропорции 45 излучение источников 1 и 29, Интерферометр 5/формирует интерферограммы одновременно двух источников излуче ни : источника 1 белого света и источника 29 эталонного излучени . По- ел движное зеркало 8, пьезоэлектрический элемент 9, модул тор 28 и блок 27 синхронизации обеспечивают считьша-  ие одного периода интерферограммы излучени  источника -29. Дл  этого пьезоэлектрический элемент 9 обеспечивает перемещение подвижного зерка- ла 8 вдоль оптической оси по пилообразному закону с -амплитудой Аэ/2,

55

.

0 5 С

0

5

0 5 л

где Д3 длина волны излучени  Источника 29. Модул тор 28, синхронизируемый блоком 27, формирует пилообразное напр жение, управл ющее пьезоэлектрическим элементом 9. Одновременно подвижное зеркало 8 обеспечивает перестройку по частоте пропускани  интерферометра 5 и, следовательно , перестройку частоты прошедше го через интерферометр 5 излучени  от источника 1. Делитель 6 спектра обеспечивает разделение пучков излучени  источников 1 и 29, прошедших через интерферометр 5. Излучение ис- точника 29 направл етс  на фотодетектор 21, а излучение источника 1 направл етс  через предмонохроматор 15, светорасщепитель 14 и основной интерферометр 10.на фо.тодетекторы 16, Фотодетекторы 21 и 16 осуществл ют преобразование световых сигналов в электрические. Селективный усилитель 22 и фазовый детектор 23 обеспечивают измерение фазы первой гармоники в электрическом сигнале на выходе фотодетектора 21. Период этой гармоники равен периоду считывани  интерферограммы на выходе интерферометра 5. Фаза у первой i гармоники электрического сигнала на выходе фотодетектора 21 св зана с длиной Д волны источника 29 соотношением . .

v,

Усилитель 24 вырабатывает сигнал кор рекции взаимного положени  черкал 7 и 8. Устойчивое Состо ние цепи, вклю чающей элементы 5,21 - 28 соответствует посто нной фазе интерферограммы излучени  источника 29, т.е.

Vn 2ff-|- const.

Поскольку

А - С

л гп

где с - скорость света   вакууме; .Vj частота излучени  источника 29;

п - коэффициент преломлени  среды ,

5

то

откуда

4 3 2ff-- S Vj const,

-

const

Следовательно, в разработанном опти ческом фильтре обеспечиваетс  посто нстпо оптическом длины промежутка вспомогательного интерферометра 5 с точностью определ емой стабильностью частоты эталонного источника 29.

Сумматор 25 предназначен дл  исключени  взаимного ваи ни  модул тора 28 и операционного усилител  24, св занных с пьезоэлектрическим элементом 9, и обеспечивает аддитивное сложение сигналов, поступающих на его входы.

Основной интерферометр 10 Фабри- Перо обеспечивает спектральную фильт рацию анализируемого оптического сигнала, т.е. селективное пропускание излучени  со строго определенным набором частот.

Модулированное по частоте излучение источника 1 на выходе основного интерферометра 10 становитс  модулированным по интенсивности. При этом иредмонохроматор 15 обеспечивает прохождение излучени  лишь на одной резонансной частоте интерферометра 5.

Светорасщепитедь 14 формирует три идентичных по спектральному составу пучка лучей, проход щих через основной интерферометр 10. Селективные усилители 1 выдеп кн из электрических снгналог на выходах фотодсчекто- ров 16 первые гармоники электрических сигналов, период которых равен периоду модул цт  промежутка вспомогательного интерферометра Ь. Фазовые детекторы 18 (Ьирмир нл CHI налы , пропорциональные цвигам фаз сигналов на выходах селективных усилителей 17 и селективного усилител  22. При этом фазы vm первых гармоник электрических сигналов на выходах селективных усниит лей 17 определ ютс  соотн чтением

2d ,

/1 m

где Am 2d0/m - длина рулка

моды по - ш основного пит егн ерометpa 10; 1 о длина промежутка ос- новно о интерферометра 10.

Усилители 19 вырабатывают сигналы коррекции взаимного положени  зеркал 11 и 12. При помощи блоков 16, 17,18,13 аналогично тому, как это производитс  в интсрферомгчре 5, осществл етс  подлЕ ржаш1,1 о нстви фазы интерферогр- н источника 1 на ,р г1 р ромет-

ра 10. Поскольку посто нство фазы и in ерфсрограмм иоднгржи  ютеч в тргх точках апертуры, Фаза посто нна по Всему рабочему сечению основного интерферометра 10, т.е.

В результате

УП, conet.

10

-r2d- m

2 --- const,

так как

, const

,

V3n

TO

15

0

5

0

5

0

5

0

5

do n const

m V3

Однозначность m обеспечиваетс  предмонохроматором 15. В результате в основном интерферометре 10 также с точностью, соответствующей стабильности частоты эталонного источника 29, обеспечиваетс  посто нство оптической длины промежутка (d0n const).

Дл  перестройки частоты пропускани  оптического фильтра Фабри-Неро необходимо при помощи управл емого источника 26 опорного напр жени  изменить напр жение на неинвертирующем входе усилител  24. В результате на выходе этого усипит л  возникает сигнал коррекции длины промежутка между зеркалами 7 и 8 интерферометра 5, что приводит к смещению фазы сигнала на выходе селективного усплпюл  22. При этом на выходах фазовых детекторов 18 возникают напр жени , соответствующие сдвигу фаз сигналов с выходов селективных усилителей 17 и 22, а на выходах усилителен 19 формируютс  сигналы коррекции длины промежутка между Зеркалами 11 и 12 Основного и терферомет- ра 10.

Предварительна  настройка параллельности зеркал 11 и 12 интерферометра 10 осуществл етс  улировкой уровней опорного напр жени  источников 20.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Оптический фильтр Фабри-Перо, содержащий расположенные послецователь- но на одной оптической источник i белого света, конденсор, чспомога- тельный интерферометр Оабри-Перо, включающий два зеркала, на одном из которых закреплен пьезоэлектрический элемент, с еторасшопитеш, и ш-поп11154

   ной интерферометр Фабри-Перо, вклю- чайщий подвижное зеркало, но пери- Metpy которого закреплены три пьезоэлектрических элемента, и неподвижно зеркало, при этом каждый из трек выходов светорасщепител  оптически св зан с входом соответствующего фотодетектора, фотодетекторы pacno- j ложены по ходу луча за основным ин те(ферометром напротив соответствую- гаи пьезоэлектрических элементов,, к вхфду каждого фотодетектора подключен выход соответствующего операционного усилител , отличающийс 

   разрешени  и стабильности частоты пропускани , в него дополнительно введены источник эталонного излучений , блок сложени , диафрагма, делитель спектра, предмонохроматор четвертый фотодетектор, блок синхронизации , модул тор, сумматор и четвертый операционный усилитель, сумматор уп- раВл емый источник опорного напр жений , четыре селективных усилител , четыре фазовых детектора, три источ- HHijca опорного напр жени , четвертый операционный усилитель, при этом источник эталонного излучени  через блок сложени  оптически сопр жен с источником белого света, диафрагма установлена йежду конденсатором и вспомогательным интерферометром Фаб- ри+flepo, зеркала кото рого установлены перпендикул рно оптической оси, при этом одно Из них установлено,с возможностью перемещений вдоль оптической оси, выход вспомогательного интерферометра оптически св зан с вхо

   5

   0

   5

   0

   5

   0

   12

   дом делител  спектра, первый вычод которого через предмонохроматор оптически св зан с первым входом светорасщепител  , а второй выход делител  спектра оптически св зан с входом четвертого фотодетектора, выход которого через четвертый селективный уои- литель подключен к опорным входам первого, второго и третьего фазовых детекторов и к сигнальному входу четвертого фазового детектора, выход последнего соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилител , неинвертирующий вход и выход которого соединены соответственно с йыходом управл емого источника опорного напр жени  и с одним из входов сумматора, выход которого соединен с пьезоэлектрическим элементом вспомогательного интерферометра, выход блока синхронизации подключен к опорному входу четвертого фазового детектора и к входу модул тора, а выход последнего соединен с вторым входом сумматора , выходы первого, второго и третьего фотодетекторов через соответствующие первый, второй и третий се  ективные усилители подключены к сигнальным входам первого, второго и третьего фазовых детекторов, выходы . которых соединены с инвертирующими входами соответствующих первого, второго и третьего операционных усилителей , к неинвертирующим входам которых подключены соответствующие управл емые источники опорного напр жени , а выходы соединены с соответствующими пьезоэлектрическими элементами основного интерферометра.

   Редактор Л.Курасова

   Фиг.З

   Составитель Г.Воробьева

   Техред Л.Сердюкова КорректорО.Ципле

   Заказ 2311

   Тираж

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

   Подписное