close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11978

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 02F 1/00
G 01B 9/02
G 01B 11/00
ВИБРОУСТОЙЧИВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
(21) Номер заявки: a 20071364
(22) 2007.11.13
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Конойко Алексей Иванович;
Жданович Сергей Николаевич (BY)
BY 11978 C1 2009.06.30
BY (11) 11978
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) SU 1779913 A1, 1992.
BY 5738 C1, 2003.
SU 1469343 A1, 1989.
GB 1101616 A, 1968.
(57)
Виброустойчивый интерферометр, содержащий оптически связанные анализатор поляризации излучения и светоделитель, выходы которого оптически связаны с первым и
вторым отражателями, а также два фазовых элемента, отличающийся тем, что содержит
вращатель поляризации, оптически связанный с первым выходом анализатора поляризации, вход и второй выход которого являются соответственно входом и выходом интерферометра, и содержащий последовательно оптически связанные указанные фазовые
элементы, выполненные в виде фазовых элементов λ/4 и развернутые относительно друг
друга на угол 45°, и оптически активный элемент, ось которого параллельна направлению
распространения пучка излучения, причем светоделитель выполнен в виде двух плоскопараллельных кристаллических пластинок, развернутых относительно друг друга на угол
90°, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, параллельны осям анизотропии первого из фазовых элементов, развернутых относительно главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°.
BY 11978 C1 2009.06.30
Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение, например, при создании систем измерения длин и перемещений, используемых как в оптическом приборостроении, так и в различных отраслях науки и техники.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интерферометр Майкельсона [1], содержащий коллиматорный объектив, светоделитель, первый и второй выход которого оптически связаны с отражателями, а третий выход
оптически связан с объективом, в задней фокальной плоскости которого формируется интерференционное поле, являющееся выходом интерферометра. В этом интерферометре
при наличии вибраций происходит изменение величины оптических путей интерферирующих световых пучков, что приводит к паразитному дрожанию интерференционной
картины.
Указанное устройство не позволяет достигнуть высокого качества получаемых интерференционных картин без виброзащищенных оснований из-за наличия отражающих свет
поверхностей, которое приводит к неконтролируемому изменению разности хода между
интерферирующими пучками и, как следствие, падению контраста регистрируемой интерференционной картины, что ухудшает качество измерений.
Технической задачей изобретения является повышение качества измерений за счет соответствующего формирования зондирующего светового пучка.
Поставленная техническая задача решается тем, что виброустойчивый интерферометр,
содержащий оптически связанные анализатор поляризации излучения и светоделитель,
выходы которого оптически связаны с первым и вторым отражателями, а также два фазовых элемента, дополнительно содержит вращатель поляризации, оптически связанный с
первым выходом анализатора поляризации, вход и второй выход которого являются соответственно входом и выходом интерферометра, и содержащий последовательно оптически
связанные указанные фазовые элементы, выполненные в виде фазовых элементов λ/4 и
развернутые относительно друг друга на угол 45°, и оптически активный элемент, ось которого параллельна направлению распространения пучка излучения, причем светоделитель выполнен в виде двух плоскопараллельных кристаллических пластинок, развернутых
относительно друг друга на угол 90°, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, параллельны осям анизотропии первого из фазовых элементов, развернутых относительно
главной оси анализатора поляризации излучения под углом 45°.
Совокупность указанных признаков позволяет получать высокое качество получаемых
интерферограмм за счет решения вопроса требуемой трансляции интерферирующих световых потоков.
Сущность изобретения поясняется на фигуре, где:
1 - анализатор поляризации излучения;
2 - вращатель поляризации;
3 - первый фазовый элемент λ/4;
4 - второй фазовый элемент λ/4;
5 - оптически активный элемент;
6 - светоделитель;
7 - первый отражатель;
8 - второй отражатель.
Устройство содержит последовательно оптически связанные анализатор поляризации
излучения 1, вход и второй выход которого являются соответственно входом и выходом
виброустойчивого интерферометра, вращатель поляризации 2, состоящий из последовательно оптически связанных первого 3, второго 4 фазовых элементов λ/4, развернутых относительно друг друга на угол 45°, а оси анизотропии первого фазового элемента λ/4 3
развернуты к главной плоскости анализатора поляризации излучения 1 под углом 45°, и
оптически активного элемента 5, оптическая ось которого параллельна направлению распространения светового пучка, светоделителя 6, выполненного в виде поляризационного
2
BY 11978 C1 2009.06.30
расщепителя из двух плоскопараллельных кристаллических пластинок, развернутых относительно друг друга на угол 90°, а плоскости, в которых лежат их оптические оси, параллельны осям анизотропии первого фазового элемента λ/4 3, выходы которого оптически
связаны с первым 7 и вторым 8 отражателями.
Анализатор поляризации излучения 1 выполнен в виде призмы Глана с двумя выходными поверхностями.
Первый 3 и второй 4 фазовые элементы λ/4 6 выполнены в виде плоскопараллельных
пластинок из кристаллического кварца с оптической осью, параллельной входной и выходной граням, оси анизотропии которых сориентированы относительно друг друга под
углом 45°.
Оптически активный элемент 5 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из
кристаллического кварца с оптической осью, перпендикулярной входной и выходной граням.
Светоделитель 6 выполнен в виде поляризационного расщепителя из двух плоскопараллельных кристаллических пластинок из исландского шпата с оптической осью, ориентированной под углом к входной и выходной граням, развернутых друг относительно
друга на угол 90°, причем на его выходной поверхности нанесено зеркальное покрытие,
являющееся первым отражателем 7 для одного из интерферирующих световых пучков.
Второй отражатель 8 выполнен в виде плоскопараллельной пластины из стекла К-8 с
зеркальным покрытием.
Виброустойчивый интерферометр работает следующим образом.
В исходном состоянии плоскополяризованный в горизонтальной плоскости входной
световой пучок, пройдя анализатор поляризации излучения 1, поступает на входную грань
первого фазового элемента λ/4 3 вращателя поляризации 2. Его оси анизотропии показателя преломления х3, y3 повернуты в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, относительно плоскости поляризации входного светового пучка на
угол 45°. После двулучепреломления на входной грани первого фазового элемента λ/4 3
плоскополяризованная световая волна преобразуется в две ортогонально поляризованные
составляющие вида:

π
E x 3 = E 0 cos 4  sin [ω0 t − (k 0 r + ϕ)] ;
 
(1)

π


 E y3 = E 0 sin   sin[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] .

4
где х3, у3 - главные оси индикатрисы показателей преломления первого фазового элемента; E0 - максимальная амплитуда электрического вектора световой волны; ω0 - круговая
частота падающей световой волны; k0 - волновое число падающей световой волны; t время существования волны; r - расстояние, пройденное световой волной; ϕ - постоянная
фазовая задержка. При прохождении световой волны через первый фазовый элемент 3
между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Ех3 и Еy3
наводится разность фаз, равная π/2. Ортогонально поляризованные компоненты на выходе
фазового элемента будут иметь вид:

π
E'x 3 = E 0 cos 4  sin[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] ;
 
(2)

 E'y3 = E 0 sin  π  cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] .

4
При преломлении последних на входной грани второго фазового элемента λ/4 4, оси
индикатрисы показателя преломления которого ОХ4 и OY4 развернуты относительно осей
первого фазового элемента λ/4 3 на угол 45°, будем иметь две ортогонально поляризованные пары компонент электрического вектора Еx4 и Еу4 вида:
3
BY 11978 C1 2009.06.30

 π

π
E x 4 = E 0 sin  sin φ cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] + cos  cos φ sin[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] ;

4
 4

(3)



π
π




 E y 4 = E 0 sin  cos φ cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] − cos  sin φ sin[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] .

4
 4

Из выражения (3) видно, что при угле φ = π/4 ортогональные компоненты электрического вектора световой волны, поляризованные вдоль осей ОХ4 и OY4, равны между собой
по абсолютной величине, так как в этом случае имеет вид


2
 π 
E 0 sin ω0 t − (k 0 r + ϕ) +   ;
 Ex4 =
2

 4 

(4)

E y 4 = − 2 E 0 sin ω0 t − (k 0 r + ϕ) −  π  .



2
 4 

При прохождении световой волны через второй фазовый элемент λ/4 4 между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Еx4 и Ey4 наводится разность фаз, равная π/2. Ортогонально поляризованные компоненты на выходе второго
фазового элемента λ/4 4 с учетом (4) будут иметь вид:

2
E 0 cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] ;
E'x 4 =
2
(5)

 E'y 4 = 2 E 0 cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] .

2
Суперпозиция ортогональных компонент (5) и дает результирующую плоскополяризованную световую волну, угол наклона плоскости поляризации которой к горизонтали
можно получить из отношения амплитуд ортогонально поляризованных компонент на выходе второго фазового элемента λ/4 4 (5):
E y4
π
= tg  = 1.
(6)
Ex4
4
Таким образом, результирующая плоскополяризованная световая волна имеет плоскость поляризации, повернутую относительно плоскости поляризации световой волны,
падающей на вращатель поляризации 2, на угол 45° (по часовой стрелке). Далее световой
пучок проходит оптически активный элемент 5, который поворачивает плоскость поляризации в обратном направлении, против часовой стрелки, на угол -45°. В игоге на выходе
вращателя поляризации 2, в прямом ходе, плоскость поляризации светового пучка параллельна плоскости поляризации входного светового пучка.
Далее световой пучок поступает на светоделитель 6, где происходит его расщепление
на два ортогонально поляризованных световых пучка равной интенсивности. Один световой пучок испытывает отражение от первого отражателя 7, а второй - от второго отражателя 8. После чего они идут в обратном направлении. В обратном ходе они объединяются
на выходе светоделителя 6 и интерферируют между собой, что приводит к изменению поляризации излучения, поступающего в обратном ходе на вращатель поляризации 2. Это
является следствием того, что интерферирующие световые пучки приобретают в прямом и
2π∆
обратном ходе оптическую разность фаз ψ, равную
, где ∆ - начальная оптическая
λ
разность хода, приобретаемая расщепленными ортогонально поляризованными световыми
пучками. Далее световой пучок поступает на оптически активный элемент 5, который поворачивает его поляризацию против часовой стрелки на угол -45° в обратном ходе. После
чего он направляется на второй фазовый элемент λ/4 4. В результате двулучепреломления
в нем в обратном направлении будут распространяться две ортогонально поляризованные
волны, которые будут иметь следующий вид:
4
BY 11978 C1 2009.06.30

2
E 0 cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] ;
 E x 4ox =
2
(7)

E y 4ox = 2 E 0 cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ + ψ )] .

2
При прохождении через второй фазовый элемент λ/4 4 в обратном ходе между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Еx4oх и Еy4oх наводится
разность фаз, равная π/2. Ортогонально поляризованные компоненты на выходе второго
фазового элемента λ/4 4 в обратном ходе с учетом (7) будут иметь вид:

2
E'x 4ox =
E 0 cos[ω0 t − (k 0 r + ϕ)] ;

2
(8)

E' y 4ox = 2 E 0 cos ω0 t −  k 0 r + ϕ + ψ + π  .

2
2 


Далее световой пучок поступает на первый фазовый элемент λ/4 3. При преломлении в
обратном ходе на входной грани первого фазового элемента λ/4 3, оси индикатрисы показателя преломления которого ОХ3 и OY3 развернуты относительно осей второго фазового
элемента λ/4 4 на угол 45°, будем иметь две ортогонально поляризованные пары компонент электрического вектора Ех3ox и Еу3ox вида:

ψ π 
π ψ 

 E x 3ox = E 0 cos +  cos ω0 t −  k 0 r + ϕ + + ;
2 4 

4 2 

(9)

E y3ox = −E 0 sin π + ψ  ⋅ sin ω0 t −  k 0 r + ϕ + ψ + π .


2 4 
4 2


При прохождении световой волны через первый фазовый элемент λ/4 3 между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Ех3ох и Еу3ох наводится
разность фаз, равная π/2. Ортогонально поляризованные компоненты в обратном ходе на
выходе первого фазового элемента λ/4 3 с учетом (4) будут иметь вид:

ψ π 
π ψ 

 E'x 3ox = E 0 cos +  cos ω0 t −  k 0 r + ϕ + +  ;
2 4 

4 2 

(10)



π
ψ
ψ
π




E' y3ox = − E 0 sin +  cos ω0 t −  k 0 r + ϕ + +  .


2 4 
4 2 

Суперпозиция ортогональных компонент (10) и дает результирующую плоскополяризованную световую волну, угол наклона плоскости поляризации которой к осям индикатрисы показателей преломления первого фазового элемента λ/4 3 можно получить из
отношения амплитуд ортогонально поляризованных компонент на выходе первого фазового элемента λ/4 3 (10):
E' y3ox
π ψ
= − tg +  .
(11)
E'x 3ox
4 2
Величину проекции вектора напряженности электрического поля световой волны на
вертикальную плоскость можно определить из следующего соотношения:
  ψ 

ψ π 

E вых = E 0 cos  cos ω0 t −  k 0 r + ϕ + +  ,
2 4 

  2 

которая направляется анализатором поляризации излучения 1 на выход устройства. Зависимость величины интенсивности излучения от наведенной разности фаз между ортогональными световыми пучками на выходе интерферометра будет иметь следующий вид:
ψ
Iвых = I0 cos 2   .
(12)
2
5
BY 11978 C1 2009.06.30
Вследствие того что в предлагаемом интерферометре световые пучки проходят через
одни и те же оптические элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, то разность их оптических путей остается постоянной независимо от возникающих смещений элементов. Таким образом,
приведенная схема трансляции световых потоков позволяет исключить влияние дестабилизирующих воздействий (например механических вибраций).
При смещении второго отражателя 8 происходит изменение начальной оптической
разности хода δ∆, приобретаемой расщепленными ортогонально поляризованными световыми пучками на выходе расщепителя 6, а следовательно, и их разности фаз δψ, что вызовет
на выходе, согласно выражению (12), изменение интенсивности выходного излучения.
Источники информации:
1. SU 1779913 A1, 1992.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
144 Кб
Теги
by11978, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа