Термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр
Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к интерференционным приборам и может быть использована для создания интерферометров, работающих по принципу интерферометра Фабри-Перо. Устройство содержит корпус, выполненный в виде узла крепления двух оптических подложек, установленных перпендикулярно оптической оси корпуса, пьезоэлектрический корректор и двухзеркальный резонатор, каждое зеркало которого установлено на оптической оси корпуса и закреплено внутри его на соответствующей оптической подложке, причем, корпус, оптические подложки и зеркала выполнены из оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения, оптические подложки соединены с зеркалами и корпусом путем оптического контакта, пьезоэлектрический корректор установлен на внешней стороне одной из оптических подложек и. выполнен с центральным сквозным отверстием на оптической оси корпуса для ввода-вывода лазерного излучения, а корпус установлен на термоэлектрическом модуле внутри герметичной камеры с оптическими окнами для ввода-вывода излучения, выполненными на оптической оси корпуса. В устройстве достигается технический результат, заключающийся в повышении стабильности эксплуатационных, в частности, точностных характеристик устройства. 3 з.п.ф., 1 ил.
Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к интерференционным приборам и может быть использована для создания интерферометров, работающих по принципу интерферометра Фабри-Перо.
Известен интерферометр Фабри-Перо [RU 2091732, C1, G01J 3/26, 27.09.1999], содержащий корпус, круглые клиновидные зеркальные пластины, закрепленные на клиновидных пластинах с вершинами клиньев, ориентированными в противоположные стороны, имеющих отверстия в центре, равные световому диаметру, и наружные поверхности, параллельные рабочим поверхностям пластин интерферометра, и связанных с системой сканирования, а также привод продольного перемещения, причем, система сканирования выполнена в виде пьезопривода, содержащего корпус и три пьезотолкателя, одна из клиновидных пластин подвижна относительно корпуса интерферометра, выполнена в виде прямоугольной призмы, грани которой изготовлены со степенью плоскостности, не хуже чем рабочие поверхности зеркальных пластин интерферометра, установлена в корпусе интерферометра, на три опоры скольжения на нижней грани и на две опоры скольжения на боковой грани, напротив опор скольжения установлены пружинные устройства поджима призмы к опорам скольжения, и соединена с ручным приводом продольного перемещения, вторая из клиновидных пластин подвижна относительно корпуса пьезопривода и установлена на три пьезотолкателя, каждый из которых выполнен в виде соосных трубчатых пьезоэлементов, вложенных один в другой, так что один торец наружного пьезоэлемента прикреплен к корпусу пьезопривода, противоположный торец жестко соединен с торцом внутреннего пьезоэлемента, свободный торец которого является опорой клиновидной пластины, ручной привод выполнен в виде углового поворотного рычага, на одном конце которого установлен микрометрический винт, опирающийся на корпус интерферометра, на противоположном конце качающаяся вилка, опирающаяся своими концами на торец призмы, к наружной поверхности которой прикреплены возвратные пружинные элементы.
Недостатком устройства является его относительно высокая сложность.
Известно также устройство [RU 2054639, C1, G01J 3/26, 20.02.1996], содержащее оптически связанные источник эталонного излучения, щелевую диафрагму и последовательно расположенные на оптической оси светоделитель и интерферометр Фабри-Перо, включающий неподвижное зеркало и подвижное зеркало, по периметру которого закреплены три пьезоэлектрических элемента, при этом, каждый из трех выходов светоделителя оптически связан с соответствующим сигнальным входом блока коррекции, выходы которого соединены с соответствующими пьезоэлектрическими элементами, а опорные входы подключены к соответствующим перестраиваемым источникам опорного напряжения, блок коррекции включает в себя три операционных усилителя, выходы которых являются соответствующими выходами, а неинвертирующие входы -соответствующими опорными входами блока коррекции, причем, устройство содержит также вторую и третью щелевые диафрагмы, каждая из которых установлена на соответствующем сигнальном входе блока коррекции, который включает три координатоуказателя, вход каждого из которых является соответствующим сигнальным входом блока коррекции, а выход подключен к инвертирующему входу соответствующего операционного усилителя, а светоделитель установлен непосредственно за источником эталонного излучения.
Недостатком этого устройства также является его относительно высокая сложность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является интерферометр Фабри-Перо, [RU 2517801, C1, G01J 3/26, 27.05.2014], содержащий корпус, выполненный в виде узла крепления двух установленных перпендикулярно к оптической оси фланцев с осевыми сквозными отверстиями, выполняющих функции подложек зеркал двухзеркального резонатора, причем, каждое зеркало закреплено на соответствующей ей подложке с помощью пьезоэлектрического элемента, выводы пьезоэлектрических элементов связаны с входом контрольного блока и выходом генератора, выход контрольного блока связан с управляющим входом генератора, а крепления зеркал к торцам пьезоэлектрических элементов выполнены с возможностью размещения между периферийными участками зеркал, не участвующих в многократном отражении света, плоскопараллельной пластины, толщина которой лежит в пределах изменения зазора между зеркалами, обеспечиваемого рабочим ходом пьезоэлектрических элементов.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая стабильность эксплуатационных, в частности точностных, характеристик, что вызвано негерметичностью корпуса интерферометра, использование в конструкции резьбовых и клеевых соединений, недостаточной температурной стабильностью конструкции и разными температурными коэффициентами расширения различных элементов конструкции.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в разработке устройства, обладающего повышенной стабильностью его эксплуатационных, в частности точностных, характеристик.
Требуемый технический результат заключается в повышении стабильности эксплуатационных, в частности точностных, характеристик устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве, содержащем корпус, выполненном в виде узла крепления двух оптических подложек, установленных перпендикулярно оптической оси корпуса, пьезоэлектрический корректор и двухзеркальный резонатор, каждое зеркало которого установлено на оптической оси корпуса и закреплено внутри его на соответствующей оптической подложке, согласно полезной модели, корпус, оптические подложки и зеркала выполнены из оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения, оптические подложки соединены с зеркалами и корпусом путем оптического контакта, пьезоэлектрический корректор установлен на внешней стороне одной из оптических подложек и выполнен с центральным сквозным отверстием на оптической оси корпуса для ввода-вывода лазерного излучения, а корпус установлен на термоэлектрическом модуле внутри герметичной камеры с оптическими окнами для ввода-вывода излучения, выполненными на оптической оси корпуса.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения используют ситалл.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический корректор выполнен в виде биморфной мембраны, установленной на металлическом основании.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что зеркала двухзеркального резонатора выполнены с радиусом кривизны 20-50 мм.
В качестве материала для изготовления корпуса, оптических подложек и зеркал выбирается оптически прозрачный материал, обладающий низким коэффициентом температурного расширения, например, ситалл, кварцевое стекло, стекло типа ULE (ultra low expansion), оптические подложки устанавливаются на корпус интерферометра перпендикулярно оптической оси методом оптического контакта, для чего торцы корпуса и посадочные поверхности подложек полируются с качеством не хуже 13 класса шероховатостей, пьезокорректор крепится снаружи на одну из подложек и изменяет оптическую базу интерферометра деформацией этой подложки на величину, соответствующую рабочей оптической длине волны интерферометра, также пьезокорректор имеет отверстие, обеспечивающее вывод излучения из интерферометра, и изготавливается из инвара таким образом, чтобы скомпенсировать ТКР пьезокерамики.
На чертеже представлена конструкция термостабилизированного сканирующего конфокального интерферометра.
Термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр содержит корпус 1, выполненный в виде узла крепления двух оптических подложек с центральным каналом для прохода оптического излучения, две оптические подложки 2 и 3, установленные перпендикулярно оптической оси 4 корпуса 1, являющейся оптической осью интерферометра и соединенные с корпусом методом оптического контакта. Одна из оптических подложек, например подложка 3, отличается от другой оптической подложки 2 тем, что допускает свою деформацию вдоль оптической оси интерферометра на величину, соответствующую изменению расстояния между зеркалами интерферометра на несколько рабочих длин волн.
Кроме того, термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр содержит пьезоэлектрический корректор 5 и двухзеркальный резонатор, формируемый зеркалами 6 и 7, которые располагаются на оптической оси 4 интерферометра и могут быть изготовлены как непосредственно на соответствующих им оптических подложках 2 и 3, так и на промежуточных подложках, установленных дополнительно на оптические подложки 2 и 3 методом оптического контакта. Зеркала 6 и 7 двухзеркального резонатора в частном случае могут быть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны 20-50 мм.
В термостабилизированном сканирующем конфокальном интерферометре оптические подложки 2 и 3, а также зеркала 6 и 7 выполнены из оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения, например, из кварца или ситалла. При этом оптические подложки 2 и 3 соединены с корпусом и соответствующими им зеркалами 6 и 7 методом оптического контакта, который осуществляют путем прикладывания друг к другу хорошо отполированных поверхностей для обеспечения действия сил межмолекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса.
Помимо указанного выше, в термостабилизированном сканирующем конфокальном интерферометре пьезоэлектрический корректор 5 установлен с внешней стороны оптической подложки 3 и выполнен с центральным сквозным отверстием 8 на оптической оси 4 интерферометра. Центральное сквозное отверстие 8 на оптической оси 4 интерферометра предназначено для ввода-вывода лазерного излучения. Пьезоэлектрический корректор 5 может быть выполнен в виде биморфной мембраны, установленной на металлическом основании.
Кроме того, корпус 1 интерферометра с установленными на нем оптическими подложками 2, 3, зеркалами 6, 7 и пьезокорректором 5 монтируется на термоэлектрический модуль 9 Пельтье или нагреватель и устанавливается в герметичную камеру 10 с оптическими окнами 11. Это позволяет изолировать интерферометр от внешних перепадов давления и температуры.
Корпус интерферометра устанавливается в герметичную камеру, которая термостабилизируется с помощью датчика температуры и внешнего нагревателя или термоэлектрических элементов, а также имеет оптические окна для ввода-вывода излучения.
На чертеже представлена конструкция термостабилизированного сканирующего конфокального интерферометра.
Термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр содержит корпус, выполненный в виде двух фланцев, установленных перпендикулярно к его оптической оси и соединенных между собой узлом крепления, пьезоэлектрический корректор и двухзеркальный резонатор, каждое зеркало которого установлено на оптической оси и закреплено на соответствующем фланце внутри корпуса, содержит корпус 1, выполненный в виде блока с центральным каналом для прохода оптического излучения, две оптические подложки (первая 2 и вторая 3), установленные перпендикулярно оптической оси 4 интерферометра и соединенные с корпусом методом оптического контакта. Подложка 3 отличается от подложки 2 тем, что допускает свою деформацию вдоль оптической оси прибора на величину, соответствующую изменению расстояния между зеркалами интерферометра на несколько рабочих длин волн.
Кроме того, термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр содержит пьезоэлектрический корректор 5, и двухзеркальный резонатор, формируемый зеркалами 6 и 7, которые располагаются на оптической оси 4 интерферометра и могут быть изготовлены как непосредственно на оптических подложках 2 и 3, так и на промежуточных подложках, установленных впоследствии на подложки 2 и 3 методом оптического контакта. Эти зеркала в частном случае могут быть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны 20-50 мм.
В термостабилизированном сканирующем конфокальном интерферометре подложки 2 и 3, а также зеркала 6 и 7 выполнены из оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения, например, из кварца или ситалла. При этом подложки 2 и 3 соединены с корпусом и соответствующими им зеркалами 6 и 7 методом оптического контакта, который осуществляют путем прикладывания друг к другу хорошо отполированных поверхностей для обеспечения действия сил межмолекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса.
Помимо указанного выше, в термостабилизированном сканирующем конфокальном интерферометре пьезоэлектрический корректор 5 установлен снаружи подложки 3 и выполнен с центральным сквозным отверстием 8 на оптической оси 4 интерферометра. Центральное сквозное отверстие 8 на оптической оси 4 интерферометра предназначено для ввода-вывода лазерного излучения. Пьезоэлектрический корректор 5 может быть выполнен в виде биморфной мембраны, установленной на металлическом основании.
Кроме того, корпус термостабилизированного сканирующего конфокального интерферометра 1 с установленными на нем подложками 2, 3, зеркалами 6, 7, пьезокорректором 5 монтируется на термоэлектрический модуль Пельтье или нагреватель 9 и устанавливается в герметичную камеру 10 с оптическими окнами 11 для ввода-вывода излучения, выполненными на оптической оси корпуса. Это позволяет изолировать его от внешних перепадов давления и температуры.
Работает предложенный термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр следующим образом.
Термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр, работающий по принципу сферического интерферометра Фабри-Перо, является высокодобротным оптическим резонатором и представляет собой два зеркала 6 и 7 одинаковой кривизны, отстоящие друг от друга на расстоянии L, равном радиусу кривизны r. Он может быть использован, в частности, как анализатор спектра высокого разрешения для детектирования модовой структуры и ширины линии генерации лазеров или стабилизации частоты перестраиваемых лазеров. Лазерный луч, входящий в интерферометр параллельно оптической оси 4 через сквозное отверстие 8 в пьезоэлектрическом корректоре 5 последовательно отражается в зеркалах и интерферирует с собой. Чем выше коэффициент отражения зеркал, тем большее количество парциальных волн участвует в интерференции и, следовательно, тем выше спектральное разрешение прибора.
Принцип работы интерферометра по измерению ширины линии генерации заключается в следующем. Луч анализируемого излучения посылается на интерферометр вдоль его оптической оси через сквозное отверстие 8 в пьезоэлектрическом корректоре 5. Часть излучения, прошедшая через интерферометр, регистрируется фотоприемником (на чертеже не показан). Положение второго зеркала 7 может изменяться путем подачи управляющего сигнала на пьезоэлектрический корректор 5, варьируя, тем самым, базу интерферометра. Сигнал на пьезоэлектрическом корректоре 5 можно менять линейно, поэтому линейно меняются и база интерферометра, и частота его собственных мод. При совпадении частоты одной из мод интерферометра с частотой анализируемого излучения свет проходит через зеркала и достигает фотоприемника. В режиме сканирования, таким образом, наблюдаются резонансы пропускания. Форма отдельного резонанса является сверткой аппаратной функции интерферометра и линии лазера.
При стабилизации частоты перестраиваемого лазера по резонансу пропускания интерферометра пьезокорректор 5 модулирует частоту этого резонанса, что позволяет сформировать сигнал управления, который подстраивает частоту стабилизируемого лазера к вершине резонанса пропускания интерферометра. Имеются и иные приложения по использованию интерферометра.
Важным условием использования интерферометра является обеспечение высокой стабильности его эксплуатационных, в частности точностных, характеристик. Их улучшение достигается тем, что корпус, подложки и зеркала выполнены из материала с низким коэффициентом температурного расширения, подложки соединены с зеркалами и корпусом методом оптического контакта, пьезоэлектрический корректор установлен снаружи одной из подложек и выполнен с центральным сквозным отверстием, предназначенным для ввода-вывода лазерного излучения. Корпус интерферометра помещается в герметичную камеру с оптическими окнами, которая обеспечивает термическую и акустическую изоляцию интерферометра. По отношению к прототипу исключается открытость корпуса, исключаются какие-либо средства соединения элементов корпуса, и все его элементы, сделаны из материалов, обладающих низким коэффициентом температурного расширения и позволяющих обеспечить их соединение методом оптического контакта. Все это обеспечивает достижение требуемого технического результата.
1. Термостабилизированный сканирующий конфокальный интерферометр, содержащий корпус, выполненный в виде узла крепления двух оптических подложек, установленных перпендикулярно оптической оси корпуса, пьезоэлектрический корректор и двухзеркальный резонатор, каждое зеркало которого установлено на оптической оси корпуса и закреплено внутри него на соответствующей оптической подложке, отличающийся тем, что, корпус, оптические подложки и зеркала выполнены из оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения, оптические подложки соединены с зеркалами и корпусом путем оптического контакта, пьезоэлектрический корректор установлен на внешней стороне одной из оптических подложек и выполнен с центральным сквозным отверстием на оптической оси корпуса для ввода-вывода лазерного излучения, а корпус установлен на термоэлектрическом модуле внутри герметичной камеры с оптическими окнами для ввода-вывода излучения, выполненными на оптической оси корпуса.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве оптически прозрачного материала с низким коэффициентом температурного расширения используют ситалл.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пьезоэлектрический корректор выполнен в виде биморфной мембраны, установленной на металлическом основании.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зеркала двухзеркального резонатора выполнены с радиусом кривизны 20-50 мм.
