雙動鏡幹涉儀的製作方法

2023-07-20 03:16:56 2

專利名稱：雙動鏡幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種幹涉儀，具體涉及一種應用於高解析度傅立葉變換光譜儀 的雙動鏡幹涉儀。
技術背景20世紀五六十年代麥可遜(Michelson)幹涉儀首次應用於光譜技術，它 由一個分束器、 一個固定的平面反射鏡和一個掃描平面反射鏡構成；動鏡和定 鏡正交，分束器與它們的夾角均為45度；分束器與入射光的夾角也為45度。 這種幹涉儀的性能主要取決於動鏡與靜鏡對分束器所成虛像是否嚴格保持平 行。影響麥可遜(Michelson)幹涉儀在傅立葉光譜儀中應用的最大問題就是 動鏡在掃描過程中的傾斜問題。我們知道，麥可遜(Michelson)幹涉儀動鏡 的傾角^應當小於A/(8Z))，這裡義為波長，D為動鏡的孔徑。因此驅動動鏡做直線往復運動是非常困難的，尤其是在紫外光譜工作區。一種解決辦法是使用貓眼鏡(cat， s-eye retroreflector)代替平面動鏡， 但存在橫移問題。另外一種辦法是使用動態校正伺服系統，但解析度越高，這 種校正系統的失靈概率就越高。之後，角反射體(cube-corner mirrors)被用 於紅外光譜儀中以解決動鏡傾斜問題，如果角反射體各方面的性能都是完美的， 就可以很好的解決動鏡傾斜問題，但同樣存在橫移問題。後來出現了轉鏡式幹 涉儀，但存在非線性問題。發明內容本發明的目的在於提供一種雙動鏡幹涉儀，其解決了背景技術中動鏡傾斜以及橫移的技術問題，在傅立葉光譜儀的應用中相對於麥可遜(Michelson) 幹涉儀大大地提高了精度，而且在動鏡位移相同時能夠獲得更大的光程差。本發明的技術解決方案是一種雙動鏡幹涉儀，包括45度角設置在入射光束光路上的一個分束器，該 分束器在入射光束方向上第二個面為半反射面；還包括設置在上述半反射面透 射光束光路上的平面反射鏡，所述平面反射鏡與分束器正交；還包括設置在光 束光路上的第一動鏡和第二動鏡、以及探測器和將經第一動鏡和第二動鏡反射 的光束會聚到探測器上的收集鏡。其特殊之處在於所述的第一動鏡位於所述半反射面的反射光路上，所述的第二動鏡位於所 述平面反射鏡的反射光路上；所述的第一動鏡和第二動鏡被一個剛性結構固定 在一起，作為一個單獨的運動部件，第一動鏡和第二動鏡相互平行，所述的第 一動鏡和第二動鏡與分束器以及平面反射鏡之間的夾角均為45度。上述的分束器與平面反射鏡之間的光路上還設置有同時補償各種波長光程 差的補償板。上述的分束器與第一動鏡之間的光路上設置有玻璃平行平板，該平行平板 可減小第一動鏡和第二動鏡之間的距離。上述的剛性結構應滿足其膨脹係數和雙動鏡的膨脹係數相接近，較宜。 上述的收集鏡可為會聚透鏡或會聚透鏡組。本發明的優點在於1. 動鏡移動的傾斜誤差容限較大，即雙動鏡的傾斜對所得幹涉圖的調製度 和相位影響較小，亦即此幹涉儀對動鏡傾斜不敏感。兩個平面動鏡被一剛性結 構平行地固定在一起作為一個單獨的運動部件。2. 光程差為雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)的4倍，即很小的雙動鏡位移即可獲得較大的光程差，適用於高光譜解析度的光譜儀。


圖1為本發明結構原理示意圖。圖2為本發明包含補償板示意圖。圖3為本發明包含補償板和玻璃平行平板示意圖。圖4為雙動鏡位移為5mm時，分束器分出光束I和II的光程差X和雙動鏡 傾角^之間的關係圖。圖5為雙動鏡位移為10wm時，分束器分出光束I和II的光程差x和雙動鏡傾角S之間的關係圖。
具體實施方式
雙動鏡幹涉儀包括一個分束器、 一個固定的平面反射鏡、和平行安裝在可 被線性移動的公共滑動部件上的兩個掃描平面反射鏡，即第一動鏡和第二動鏡， 第一動鏡和第二動鏡相互平行，其中心位於同一個平面上，被一個剛性結構固 定在一起，作為一個單獨的運動部件；分束器和平面反射鏡正交，它們與第一 動鏡和第二動鏡之間的夾角均為45度，另外分束器、平面反射鏡與第一動鏡 和第二動鏡的中心位於同一個平面內。入射的平行光束在分束器的半反射面上反射和透射，並被分為強度相等的 兩束光I和II，光束I射向第一動鏡，經第一動鏡反射後折回，並透過分束器，經收集鏡會聚到探測器上；光束II經平面反射鏡反射後射向第二動鏡，經 第二動鏡反射後折回到平面反射鏡，再經平面反射鏡反射後折回到分束器的半 反射面，在半反射面反射後，經收集鏡會聚到探測器上。這兩束光由於來自同 一光束，因而是相干光束，可以產生幹涉。光束I和II之間的光程差是由雙動鏡(第一動鏡和第二動鏡)的直線往 復運動產生的，光程差是雙動鏡相對於其零相位差(即零光程差)位置位移的 函數。雙動鏡沿其法線方向做直線往復運動。隨著雙動鏡的直線運動，光程差 的大小逐漸變化，幹涉強度也隨著逐漸變化。選擇在線性度較好的區域內等時 間間隔地測量即可得到一系列幹涉強度值，然後對取樣幹涉強度值進行傅立葉 變換即可得到光譜值。假設雙動鏡的運動距離為a，若光束I的光程減少2a，則光束II的光程增加2a，所以光束I和光束II之間的光程差變化量為4a，反之亦然。因此，光程差值的改變量為雙動鏡運動距離的4倍。光程差x與雙動鏡相對於其零光程差位置位移/之間的關係為x = 4/ (1)在理想情況(即雙動鏡在運動過程中沒有傾斜的情況)下，幹涉強度為/0)^(cr)[l + cos(2願)] (2)式中CT為波數，S(CT)為光譜強度，X為光程差。因此雙動鏡幹涉儀幹涉強度與雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)之間的關係式可表示為/(x)J(cr)[l + cos(8兀o7)] (3)當雙動鏡在運動過程中的傾斜角為0時，為了便於分析，採用正方形光束孔 徑，以雙動鏡不發生傾斜時與光軸交點處的光程差 為基準，則探測器上得到 的幹涉強度為formula see original document page 7(4)式中D為入射光束孔徑，丄,為從第一動鏡到探測器的光路長度，丄2為從第二動 鏡到探測器的光路長度，VZ = 12 -A 。光程差x與雙動鏡的傾角0之間的關係圖如圖4和圖5所示。從以上分析可知，對於雙動鏡幹涉儀，當雙動鏡l-r，ri時，光束i和光束II之間的光程差的相對誤差小於0.03%，可見雙動鏡在運動過程中的傾 斜對光程差的影響較小。從方程(4)也可以得出雙動鏡的傾斜對幹涉圖的調製度和相位影響較小，因此，雙動鏡幹涉儀較好地解決了動鏡系統的傾斜問題。圖1中光束I通過分束器三次，而光束II則經過一次，分束器分出的兩 束光I和II具有不對稱性，若入射光為單色光，光束I經過玻璃板所增加的光 程可以用空氣中的行程來補償，但是入射光束為白光或其他複色光時，因為玻 璃有色散，不同波長的光有不同的折射率，因而，對不同的波長，通過玻璃板 時所增加的光程不同，這是無法用空氣中的行程來補償的。這時必須加入補償板才能同時補償各種波長的程差，參見圖2，因而在入射光為白光或其他複色光 時，補償板是不可缺少的。為了減小溫度梯度對雙動鏡系統的影響，可在分束器和第一動鏡之間加入 一個玻璃平行平板以減小第一動鏡和第二動鏡之間的距離，參見圖3。
權利要求
1. 一種雙動鏡幹涉儀，包括45度角設置在入射光束光路上的一個分束器，該分束器在入射光束方向上第二個面為半反射面；還包括設置在上述半反射面透射光束光路上的平面反射鏡，所述平面反射鏡與分束器正交；還包括設置在光束光路上的第一動鏡和第二動鏡、以及探測器和將經第一動鏡和第二動鏡反射的光束會聚到探測器上的收集鏡；其特徵在於所述的第一動鏡位於所述半反射面的反射光路上，所述的第二動鏡位於所述平面反射鏡的反射光路上；所述的第一動鏡和第二動鏡被一個剛性結構固定在一起，作為一個單獨的運動部件，第一動鏡和第二動鏡相互平行，所述的第一動鏡和第二動鏡與分束器以及平面反射鏡之間的夾角均為45度。
2. 根據權利要求1所述的雙動鏡幹涉儀，其特徵在於所述的分束器與平面反 射鏡之間的光路上還設置有同時補償各種波長光程差的補償板。
3. 根據權利要求1所述的雙動鏡幹涉儀，其特徵在於所述的分束器與第一動 鏡之間的光路上設置有玻璃平行平板，該平行平板可減小第一動鏡和第二動鏡 之間的距離。
4. 根據權利要求1 3任一所述的雙動鏡幹涉儀，其特徵在於所述的剛性結構 應滿足其膨脹係數和雙動鏡的膨脹係數相接近。
5. 根據權利要求4所述的雙動鏡幹涉儀，其特徵在於所述的收集鏡為會聚透鏡或會聚透鏡組。
全文摘要
一種雙動鏡幹涉儀由一個分束器、一個固定的平面反射鏡、和平行安裝在可被線性移動的公共滑動部件上的第一動鏡和第二動鏡；第一動鏡和第二動鏡被一個剛性結構平行地固定在一起，作為一個單獨的運動部件，分束器和平面反射鏡相互垂直，它們與第一動鏡和第二動鏡之間的夾角均為45度；光程差由平行平面雙動鏡的直線往復運動產生，光程差為雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)的4倍。這種幹涉儀結構簡單、成本低，適用於各種光譜工作區的高解析度傅立葉變換光譜儀。
文檔編號G02B17/08GK101532880SQ20081001769
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月12日 優先權日2008年3月12日
發明者周仁魁, 楊慶華, 趙葆常 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所