Отражательный интерферометр с инвертированным распределением интенсивностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирская Государственная Геодезическая Академия, г.Новосибирск.

ДОКЛАД

на тему: «Отражательный интерферометр с инвертированным распределением интенсивностей»

Абель Олег Яковлевич

научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Носков Михаил Федорович

Одним из направлений применения высокочувствительных интерференционных измерений является детектирование и измерение сверхмалых подвижек земной коры и тектонических плит, вызванное гравитационными волнами при возможных взрывах сверхновых звезд в Нашей Галактике (проекты ТАМА-300 в Японии, LIGO в США, VIRGO в Италии и др.).

Чувствительность классического интерферометра Майкельсона оказалось недостаточной, поэтому схема интерферометра была изменена.

В обычном интерферометре Фабри-Перо в проходящем свете наблюдаются узкие максимумы на темном фоне, в свете отраженном, в котором и возможно измерение смещений одного зеркала относительно другого, наблюдается так называемая дополнительная картина - узкие темные минимумы на сплошном светлом фоне.

Такая картина увеличивает постоянную засветки фотодетектора, иными словами, повышает уровень дробовых шумов, поэтому предпринимаются попытки снизить уровень шумов чисто оптическими методами, а именно - инверсией многолучевой интерференционной картины.

Под руководством Ю.В. Троицкого в Новосибирском Академгородке разработаны так называемые интерферометры с согласованным передним зеркалом. Переднее зеркало выполняют асимметричным - коэффициент отражения со стороны источника света стремится к нулю, а со стороны второго зеркала стремится к единице.

Такая асимметрия достигается благодаря сочетанию многослойного диэлектрического покрытия с поглощающей пленкой. Вследствие целого ряда причин, подробно проанализированных в (1,2), крутизна интерференционных полос в несколько раз ниже, чем в классическом ИФП.

Авторами настоящей работы сделана попытка получить инвертированную картину более простым способом - устранить нулевую составляющую методом пространственной фильтрации (3,4,5).

Рассмотрим разработанный метод более подробно.

ИФП представляет собой две плоскопараллельные пластины, которые наклонены друг относительно друга под некоторым небольшим углом. При освещении ИФП плоским пучком возникает две интерференционные картины - в проходящем и отраженном свете, причем эти картины являются дополнительными, т. е. максимумам картины в отраженном свете соответствует минимум в свете проходящем, и наоборот. В проходящем свете интерференционная картина представляет собой узкие светлые полосы, разделенные широкими темными промежутками, в отраженном свете наблюдается дополнительная картина - на сплошном светлом фоне видны узкие темные полосы.

В проходящем свете несколько спектральных линий, соответствующих различным длинам волн, дают раздельные системы полос.

В отраженном свете система широких светлых полос, соответствующих различным длинам волн, накладываются друг на друга, и либо резко падает контраст картины, либо она вообще пропадает. Поэтому при анализе немонохроматического излучения ИФП может быть использован только в проходящем свете.

В ряде случаев второе зеркало интерферометра является глухим, т. е. имеет коэффициент отражения почти 1, и спектральные измерения с таким интерферометром невозможны.

В настоящей работе предложено расширение функциональных возможностей способа наблюдения интерференционной картины в отраженном свете при помощи ИФП, включающее разложение отраженного от ИФП светового пучка в пространственный спектр при помощи наклона одного из зеркал ИФП относительно другого зеркала на малый угол б, фокусировку отраженного светового пучка объективом и подавление нулевого пространственного порядка при помощи поглощающей диафрагмы, причем угол наклона б выбирают из условия:

б ? 1,22л / D,

где л - наибольшая длина волны зондирующего излучения;

D - световой диаметр зеркал ИФП.

Отраженные от ИФП лучи образуют последовательность колебаний:

чувствительность интерферометр интенсивность колебание

где б - амплитуда падающего колебания;

с и ф - коэффициенты отражения и соответственно пропускания;

с' и ф' - амплитудные коэффициенты отражения и пропускания зеркальных слоев;

S_j - j-е световое колебание, отраженное от поверхности пластины.

Если каким-то образом исключить из прогрессии её нулевой член , то оставшаяся часть образует бесконечно убывающую геометрическую прогрессию, сумма членов которой равна:

Заменив в последнем выражении комплексные величины на действительные и умножив на комплексно-сопряженную величину, найдем распределение интенсивностей в отраженном свете:

.

Последнее выражение имеет точно такой же вид, что и распределение интенсивностей в прошедшем свете. Это означает, что исключение светового пучка нулевого порядка, например, при помощи фокусирующего объектива и поглощающей диафрагмы, позволяет инвертировать распределение освещенностей интерференционной картины.

Осуществление заявленного способа поясняется с помощью устройства, представленного на рисунке 1.

Рисунок 1. Оптическая схема ИФП

Устройство содержит объективы 1 и 2, при помощи которых получают коллимированный пучок излучения, зеркала интерферометра 3 и 4, зеркало 5 с отверстием, при помощи которого происходит фильтрация нулевого отраженного пучка, причем объективы расположены конфокально, и с их общим фокусом совпадает отверстие в зеркале.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа осуществлена при помощи гелий-неонового лазера ЛГ-79, микрообъектива с фокусом 15 мм и объектива со световым диаметром 50 мм и фокусным расстоянием 400 мм из комплекта оптической скамьи ОСК-2 и двух плоско-параллельных пластинок со световым диаметром 50 мм и коэффициентом отражения 60 % и 98 %. Интерферограммы, полученные в отраженном свете с не исключённой (а) и исключенной (б) нулевой компонентой, представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Исходная и инвертированная интерферограммы

Литература

1. Троицкий, Ю.В. Упрощение расчета высокодобротных многолучевых отражающих интерферометров. [Текст] / Ю.В.Троицкий //Оптический журнал. - 2002. - т.69, № 6. - С.47 -52.

2. Троицкий, Ю.В. Отражательный интерферометр с трансмиссионной характеристикой как элемент интерференционных детекторов гравитационных волн [Текст] / Ю.В.Троицкий //Оптика и спектроскопия. - 2005. - т.98, № 1. -С.135 - 141.

3. Заявка № 2005136174 Российская Федерация, МПК G 02 B 5/30. Способ наблюдения многолучевой интерференционной картины в отраженном свете при помощи интерферометра Фабри - Перо [Текст] / Носков М.Ф. (РФ) ; заявитель СГГА ; пат. поверенный Тырышкина Е.П.; заявл. 21.11.2005. Положительное решение о выдаче патента РФ № 2005136174/28. Патент на изобретение № 2302612 от 10.07.2007 г.

4. Носков, М.Ф. Двухлучевой интерферометр повышенной чувствительности для регистрации сверхмалых подвижек тектонических плит. [Текст] / М.М. Кузнецов, М.Ф. Носков // Известия вузов. Горный журнал. - 2007, № 4, - С. 58-61.

5. Носков, М.Ф. Повышение отношения сигнал/шум при создании высокочувствительных интерференционных детекторов гравитационных волн. [Текст] / М.Ф. Носков // Фундаментальные исследования. - 2007. - № 7. - С. 78.

Размещено на Allbest.ru