ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 96, № 3, с. 520-522
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА
УДК 535.41
УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА В ДВУХЗЕРКАЛЬНОМ ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ
С ФАЗОВОЙ РЕШЕТКОЙ
© 2004 г. Б. И. Трошин
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия
E-mail: troshin@iae.nsk.su Поступила в редакцию 17.03.2003 г.
Структура простого резонатора преобразуется в последовательность локальных интерферометров напылением тонкослойной диэлектрической решетки на поверхность одного из зеркал. Показано, что на фазовом интервале, который определен оптической разностью хода через напыленные и не-напыленные участки решетки, за счет согласования параметров резонатора можно практически снять зависимость коэффициента пропускания от частоты источника возбуждения. Представлены результаты экспериментов.
В спектроскопии кроме традиционной оптической схемы интерферометра Фабри-Перо для решения конкретных задач применяются также трех- и четырехзеркальные системы [1, 2]. Другой вариант формирования спектральных характеристик реализуется на основе включения в объем интерферометра дифракционной структуры [3]. Здесь рассматривается режим работы двух-зеркального интерферометра с фазовой решеткой, при котором каждому элементу решетки соответствует независимый локальный интерферометр. По существу такая система эквивалентна двум интерферометрам Фабри-Перо. Изменение оптической толщины напыленных участков решетки позволяет смещать контуры пропускания интерферометров относительно друг друга и тем самым управлять формой суммарного сигнала на выходе системы.
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА
Интерферометр образован зеркалами З1-З2 (рис. 1). На подложку П входного зеркала З1 сначала напылен отражающий многослойник М, а затем фазовая решетка ФР в виде продольных полосок (на рисунке полоски перпендикулярны плоскости чертежа). Фазовую решетку можно изготовить нанесением покрытия с оптической толщиной тХ/2, где т - целое число, X - длина волны наблюдения. Это обеспечивает равенство коэффициентов отражения от напыленных и ненапы-ленных участков поверхности. Оптическая разность хода для лучей, прошедших по смежным участкам решетки, равна т[(п - 1)/п](Х/2) (п - показатель преломления).
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Будем считать, что последовательность напыленных полосок образует интерферометр 1, а не-напыленных - интерферометр 2. Контуры пропускания интерферометров в окрестности резонансов в зависимости от фазовой длины к1 системы З1-З2 показаны на рис. 2 с соответствующими индексами. На рисунке через к010 вводится фазовая длина системы в точке пересечения контуров пропускания (¡0 - определена как резонансная длина интерферометров 1, 2 при волновом числе к0, через 2Д обозначена оптическая разность хода). В точке к010 оптические длины интерферометров 1, 2 составляют 10 + Д и 10 - Д соответственно; перестройка I на величину Д1 = Д в сторону уменьшения (увеличения) приводит к росту коэффициента пропускания интерферометра 1(2) до максимального значения. В случае перестройки по Дк максимальные значения коэффициентов пропускания интерферометров реализуются при (10 + Д)(к0 - Дк) = к010 и (¡0 - Д)(к0 + Дк) = к0^; Дк = (Д/Ук).
31
32
П М ФР
Рис. 1. Оптическая схема (пояснения в тексте).
УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
521
Коэффициент пропускания системы относительно k0l0 можно записать в виде
T = T1/[ 1 + Fsin2k(l + А)] + T2/[ 1 + Fsin2k(l - A)],
где k = k0 + Ak, l = l0 + Al, F - факторы резкости. Если принять, что для интерферометров 1, 2 максимальные коэффициенты пропускания равны единице, то для системы T1 = T2 = 1/2 (при равенстве напыленных и ненапыленных участков решетки).
Рассмотрим зависимость T(Ak, l = l0) при условии (k0A)2 = 1/2F. В предположении линейности функций типа sin(k0A + Akl0) (=k0A + Akl0) и исключая малые величины (AkA), получим
T = [ 3/2 + F(Akl0)2 ] / [(3/2) 2 + F (A kl0 )2 +
2 4
+ F2(Aklo) ].
Коэффициент пропускания системы имеет одинаковое значение, равное 2/3, при Ak = 0 и ±(A/l0)k0, а в промежутках увеличивается на 2.5%. Зависимости T(Al, k = k0) соответствуют значения Al = 0, -A. Начальное увеличение сигнала при смещении от позиции k0l0 отражает проявление двухконтурной резонансной структуры коэффициента пропускания системы. Такой ход зависимости T будет подчеркиваться с возникновением неравенства (k0A)2 > 1/2F и подавляться с переходом к соотношению (k0A)2 < 1/2F. Так, при (k0A)2 = 1/3F
T = (3/4)[ 1 + (3/4) F (Akl0 )2 ]/[ 1 + (3/4) F(Akl0) 2 +
2 2 4
+ (3/4)2 F2(Akl0)4 ].
Коэффициент пропускания системы в точке k0l0 принимает значение T = 3/4, а при Ak = ±(A/l0)k0 уменьшается на 5%. Уменьшение пропускания обусловлено вкладом только третьего члена знаменателя.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для постановки экспериментов было изготовлено зеркало 31 с коэффициентом отражения 0.85, на которое была нанесена фазовая решетка из сернистого цинка. Напыление проводилось через маску из тонкой металлической фольги с шириной прорезей (полосок), равной 0.25 мм, и периодом С = 0.5 мм. Использовались полоски с оптической толщиной 2(А/2) для перехода к оптической разности хода 2А = 2[(п - 1)/п](А/2) - А/2 = [(п - 2)/п]А/2, т.е. к фактически меньшей величине по сравнению с вариантом т = 1: 2А = [(п - 1)/п]А/2. Коэффициент отражения зеркала 32 равен 0.95. Расстояние между зеркалами не превышало 3 мм, при этом параметр А1 /С2 < 1. В данном случае допустимо пренебречь дифракцией при распространении света в объеме интерферометра.
l0 ^ I
¡0
00
к0 - (A/¡0)k0 ^ |
kl
| ^ к) + (A / ¡0)к)
Рис. 2. Представление резонансных характеристик интерферометра с фазовой решеткой (пояснения в тексте).
X/2
Рис. 3. Запись зависимости сигнала на выходе системы от расстояния I между зеркалами 31 и 32. Настройка системы: (^А)2 > 1/2.Р; 0 - линия нулевого сигнала.
Интерферометр возбуждался гелий-неоновым лазером на длине волны 0.63 мкм. Прошедшее через интерферометр излучение детектировалось фотоприемником, сигнал с которого поступал на вход осциллографа или самописца. Регистрация сигнала проводилась в зависимости от изменения расстояния I между зеркалами 31 и 32. Сканирование по I выполнялось с помощью пьезокерами-ки, на которой крепилось зеркало 32. Настройка системы осуществлялась по наблюдению сигналов на экране осциллографа с последующей записью на самописце.
3апись на рис. 3 иллюстрирует двухконтурный характер формирования коэффициента пропускания системы и позволяет экспериментально оценить оптическую разность хода по расстоянию между пичками: 2А = 0.08А/2. 3апись на рис. 4 получена при другой настройке системы, при которой сигнал на экране осциллографа наблюдался в виде плоской вершины в области максимального значения коэффициента пропускания. Предполагая, что такая настройка отвечает условию (^0А)2 = 1/3^, по интервалу 5%-ного снижения сигнала определили 2А = 0.065А/2.
0
522
ТРОШИН
X/2
Рис. 4. Запись зависимости сигнала на выходе системы от расстояния I между зеркалами З1 и З2. Настройка системы: (к0Д)2 = 1/3^; 0 - линия нулевого сигнала.
Результаты экспериментов на качественном уровне подтверждают возможность создания интерферометра с рассмотренными оптическими свойствами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Отметим, что в интерферометре Фабри-Перо изменение фазовой длины относительно резонанс-
ного значения на величину (5/2)2 = (к0Д)2 = 1/2^ приводит к уменьшению сигнала на 33%, а в трех-зеркальной системе - на 20%. В то же время изготовление фазовой решетки остается в рамках технологии интерференционных покрытий. Ограничение по I из условия XI/С2 < 1, по-видимому, снимается при усложнении оптической схемы [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. Л.: Машиностроение, 1974. 86 с.
2. Скоков ИВ. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989. 14 с.
3. Троицкий Ю.В. Многолучевые интерферометры отраженного света. Новосибирск: Наука, 1985. 91 с.
4. Трошин Б.И. // Опт. и спектр. 2002. Т. 92. № 2. С. 320-322.
0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.