МНОГОЛУЧЕВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Изобретение относится к оптике, к устройствам оптических спектральных приборов, в частности к устройствам интерферометров.

В качестве аналога выбрано устройство классического многолучевого интерферометра - двухзеркального интерферометра Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.], в котором два плоских полупрозрачных зеркала расположены параллельно друг другу на некотором расстоянии. Интерферометр с воздушным промежутком между зеркалами часто используют в качестве анализатора спектров поглощения газообразных веществ - их вводят в пространство между зеркалами, что приводит к изменению спектра пропускания интерферометра и позволяет идентифицировать химические соединения.

Недостатком его применения в качестве спектроанализатора является сложность механических устройств, поддерживающих и юстирующих положение зеркал, отсутствие механической стабильности, что затрудняет его использование не в лабораторных условиях, а также необходимость при проведении анализа в значительных количествах анализируемых веществ - необходимо заполнить весь внутренний объем интерферометра.

В качестве прототипа выбран эталон Фабри-Перо, представляющий собой плоскую прозрачную пластинку с зеркальными полупрозрачными покрытиями на противостоящих ее сторонах [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.].

Недостатком прототипа является его невосприимчивость к воздействию внешних факторов при попытках применения в качестве сенсора, например сенсора состава окружающей среды.

Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является создание механически и оптически стабильного многолучевого интерферометра, обладающего чувствительностью к составу окружающей среды. Для решения задачи предлагается ввести в конструкцию многолучевого интерферометра, содержащего два полупрозрачных зеркала, третье зеркало с полным внутренним отражением, причем общей подложкой зеркал является преломляющая призма, с двумя одинаковыми преломляющими углами, образованными гранью с полным внутренним отражением и гранями с зеркальным полупрозрачным покрытием, что приведет к влиянию состава прилегающих к интерферометру слоев среды на ход световых лучей внутри интерферометра, на спектр пропускания интерферометра.

Изобретение поясняется с помощью фигур 1 и 2, на которых изображены варианты конструкций многолучевых интерферометров.

На фигуре 1 схематически показано устройство многолучевого интерферометра в виде прозрачной прямоугольной равнобедренной призмы; основанием призмы является прямоугольный равнобедренный треугольник. Здесь 1 - прямоугольная трехгранная равнобедренная прозрачная призма, 2 - катетные грани, 3 - полупрозрачные зеркала, 4 - гипотенузная грань, 5 - входящие лучи, 6 - прошедшие лучи, a - размер катетной грани призмы.

На фигуре 2 схематически показано устройство многолучевого интерферометра в виде прозрачной равнобедренной четырехгранной призмы с углами между нижней и боковыми гранями, не равными 45°; основанием призмы является трапеция. Здесь 8 - призма, 9, 10, 11, и 12 - верхняя, нижняя, входная боковая и выходная боковая грани призмы, соответственно.

Рассмотрим оптические процессы, происходящие в представленных устройствах. На фиг.1 излучение 5 падает на полупрозрачное зеркало 3 входной грани 2, прошедшая часть излучения (показано стрелками) отражается от гипотенузной грани 4; угол падения излучения на гипотенузную грань должен быть приблизительно π/4, это обусловлено геометрией призмы. Для полного внутреннего отражения излучения от гипотенузной грани необходимо следующее значение показателя преломления n призмы:

Здесь n₀ - показатель преломления среды, окружающей призму.

Отраженное от гипотенузной грани излучение попадает на полупрозрачное зеркало 3 на выходной грани 7, частично отражается назад, повторяя свою траекторию, и так далее; излучение внутри призмы многократно отражается от зеркал и гипотенузной грани. Вышедшее из выходной грани излучение 6 образуется множеством интерферирующих между собой лучей. Максимум интенсивности интерферирующих лучей достигается, когда длина nL оптического пути между зеркалами на катетных гранях равна целому числу полуволн излучения:

Из геометрии призмы следует, что L=a/cosβ, где β - угол преломления луча на входной грани призмы. Учитывая закон преломления n₀sinα=nsinβ, где α - угол падения луча на входную грань из окружающей среды, и считая среду воздухом, получим:

справедливое при малых α. Для длины волны излучения, соответствующей максимуму интерференции, можно найти, используя (2) и (3), формулу:

Из последней формулы видна возможность перестройки интерферометра по длинам волн, как и в прототипе, путем изменения угла падения.

Рассмотрим оптические процессы в устройстве на фиг.2. Ход лучей в этом устройстве повторяет ход лучей в первом устройстве, отличием является то, что угол падения излучения на нижнюю грань призмы, на которой отражение происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения, может быть больше, чем в прямоугольной призме, то есть можно использовать в качестве материала призмы вещество с меньшим показателем преломления.

Рассмотрим процессы в устройстве при адсорбции на грани с полным внутренним отражением молекулярного слоя некоторого вещества внешней среды. Электромагнитная волна оптического излучения, падающая на поверхность грани изнутри призмы, туннелирует в окружающую среду на расстояние порядка длины волны и проходит снаружи призмы вдоль поверхности грани некоторое расстояние прежде, чем вернется в призму; проходя вдоль поверхности, волна взаимодействует с материалом адсорбированного слоя и может ослабляться, ее ослабление является индикатором наличия адсорбированного слоя. Этот эффект используется в известных рефрактометрических призменных и оптоволоконных датчиках, работающих с использованием методов НПВО (нарушенного полного внутреннего отражения). В таких датчиках каждый луч оптического излучения испытывает только однократное отражение от данного локального участка поверхности полного внутреннего отражения, поэтому эффективность взаимодействия излучения с адсорбированным слоем невысока.

При использовании предложенного многолучевого интерференционного устройства каждый луч светового потока отражается от поверхности с полным внутренним отражением многократно. В теории резонаторов Фабри-Перо число отражений от зеркал характеризуется «эффективным числом отражений» N_ЭФФ, равным примерно 30-100. В такое же число раз возрастает чувствительность анализаторов адсорбционного слоя с использованием взамен рефрактометрических датчиков предложенного многолучевого интерферометра.

При реализации способа могут использоваться обычные для оптики материалы и конструкции.

Таким образом, показана реализуемость устройства и достижимость поставленных целей.

Многолучевой интерферометр найдет применение в оптике при создании интерференционных приборов различного назначения - для спектроскопии, при обработке оптической информации, в качестве сенсорных устройств различных датчиков и анализаторов.

Технический результат изобретения состоит в разработке механически стабильного компактного многолучевого интерферометра, спектр пропускания которого определяется составом окружающей интерферометр среды.