RU2018792C1

RU2018792C1 - Method and device for aligning fabric-perot interferometer

Info

Publication number: RU2018792C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Новоселов
Original assignee: Научно-исследовательский институт "Зенит"
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: method of aligning interferometer involves sequentially scanning an interferometer in at least two positions by monochromatic collimated light beam of a diameter of no more than 0.2 of an interferometer aperture diameter in a plane extending through an interferometer axis, with an incidence angle being maintained constant, regulating parallelism of the plates of interferometer in the direction of scanning from intensity drop in end points. EFFECT: enhanced accuracy. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в интерферометрии, спектроскопии, лазерной технике, оптическом производстве. The invention relates to optics and can be used in interferometry, spectroscopy, laser technology, optical production.

Для юстировки интерферометров Фабри-Перо (ИФП), состоящих из двух светоделительных пластин, применяется способ, основанный на визуальном контроле интерференционных колец равного наклона. Юстировка, т.е. установка параллельности отражающих поверхностей пластин ИФП, считается удовлетворительной, если обеспечивается постоянство диаметров колец при перемещении глаза наблюдателя в перпендикулярных к оптической оси направлениях. To align the Fabry-Perot interferometers (IFP), consisting of two beam-splitting plates, a method based on the visual control of interference rings of equal inclination is used. Adjustment i.e. setting the parallelism of the reflective surfaces of the IFP plates is considered satisfactory if the diameters of the rings are constant when the observer's eyes are moved in directions perpendicular to the optical axis.

Известен способ юстировки ИФП с помощью колец равного наклона, получаемых с использованием лазерного (точечного) источника света, в котором непараллельность пластин ИФП определяется по величине смещения центра колец от оптической оси системы регистрации. A known method of adjusting the IFP using rings of equal slope obtained using a laser (point) light source, in which the non-parallelism of the IFP plates is determined by the displacement of the center of the rings from the optical axis of the registration system.

Минимальное изменение базы в пределах апертуры интерферометра, которое может быть обнаружено первым способом, составляет λ/(20...30), чувствительность второго способа оценивается в несколько угл.сек. Такая точность является недостаточной во многих случаях. Кроме того, визуальные наблюдения интерференционной картины утомительны и не исключают грубых ошибок из-за субьективности оценок оператора. The minimum base change within the aperture of the interferometer, which can be detected by the first method, is λ / (20 ... 30), the sensitivity of the second method is estimated at several angular sec. Such accuracy is insufficient in many cases. In addition, visual observations of the interference pattern are tedious and do not exclude gross errors due to the subjectivity of the operator estimates.

Модификацией первого способа является способ фотографической регистрации системы интерференционных колец, получаемых с помощью фасеточной линзы, представляющей собой набор большого числа идентичных линз. Каждая линза позволяет контролировать "свой" небольшой участок поверхности интерферометра. Изменения в толщине промежутка между пластинами определяются по вариациям диаметра центрального интерференционного пятна. Этим способом контролируются отклонения, меньшие чем λ/100. В качестве недостатков этого способа, следует отметить сложность изготовления фасеточной линзы, низкую эффективность его для ИФП с малой апертурой, он требует длительного времени на получение и обработку интерферограмм, т.е. обладает низкой оперативностью. A modification of the first method is a method of photographic registration of a system of interference rings obtained using a facet lens, which is a set of a large number of identical lenses. Each lens allows you to control "your" small area of the surface of the interferometer. Changes in the thickness of the gap between the plates are determined by variations in the diameter of the central interference spot. In this way deviations less than λ / 100 are controlled. As the disadvantages of this method, it should be noted the complexity of manufacturing a facet lens, its low efficiency for an IFP with a small aperture, it requires a long time to obtain and process interferograms, i.e. possesses low efficiency.

Наиболее близким известным техническим решением является способ контроля юстировки, основанный на измерении пропускания различных участков ИФП при освещении его коллимированным (параллельным) пучком света. В этом способе используется определяемая формулой Эйри связь между светопропусканием интерферометра и расстоянием между пластинами в каждой точке апертуры ИФП. Оптическая система, реализующая данный способ, включает спектральную лампу - источник квазимонохроматического света, коллимирующую и собирающую линзы, юстируемый интерферометр, сканируемую по апертуре пучка света диафрагму и фотоприемник, расположенный в фокусе собирающей линзы. Усиленный сигнал с фотоприемника регистрируется с помощью самописца. The closest known technical solution is the adjustment control method, based on measuring the transmission of various sections of the IFP when illuminated by a collimated (parallel) light beam. This method uses the relationship defined by the Airy formula between the light transmission of the interferometer and the distance between the plates at each point of the aperture of the IFP. An optical system that implements this method includes a spectral lamp — a source of quasimonochromatic light, collimating and collecting lenses, an adjustable interferometer, a diaphragm scanned along the aperture of the light beam, and a photodetector located at the focus of the collecting lens. The amplified signal from the photodetector is recorded using a recorder.

Недостатком способа является сложность устройства, осуществляющего сканирование диафрагмы, в котором движение диафрагмы задается по направляющей в виде ласточкина хвоста с помощью привода, управляемого синхронным реверсивным двигателем, крайне низкая скорость сканирования, равная ≈ 18 мм/мин неудобное для анализа представления информации с помощью самописца, что делает процесс юстировки трудоемким и неоперативным, отягощенным субъективными погрешностями, снижающими потенциальные возможности способа. The disadvantage of this method is the complexity of the device that scans the diaphragm, in which the movement of the diaphragm is set along the guide in the form of a dovetail using a drive controlled by a synchronous reversible motor, the extremely low scanning speed of ≈ 18 mm / min is inconvenient for analyzing the presentation of information using a recorder, which makes the adjustment process time-consuming and non-operational, weighed down by subjective errors that reduce the potential of the method.

Целью изобретения является повышение оперативности и снижение трудоемкости юстировки ИФП. The aim of the invention is to increase the efficiency and reduce the complexity of adjusting the IFP.

Это достигается тем, что узкий коллимированный пучок квазимонохроматического света диаметром, составляющим не более 0,2 от диаметра апертуры юстируемого ИФП, сканируют в плоскости, проходящей через центр интерферометра, с сохранением постоянства угла падения и по перепаду интенсивности пучка в крайних точках сканирования регулируют параллельность пластин ИФП в направлении сканирования. Для задания указанного характера движения пучка используется пьезодефлектор-зеркало, управляемое пьезоэлектрическими элементами, и специальная оптическая система, состоящая из двух линз. Интенсивность прошедшего ИФП света линейно зависит от базы интерферометра, если используется наклонный участок кривой пропускания Эйри. Выбор рабочего участка осуществляется небольшим наклоном ИФП относительно оптической оси системы, при котором в оптимальном случае коэффициент пропускания в центре ИФП составляет 1/2 от максимального. Если зеркала ИФП параллельны в направлении сканирования, то интенсивность пучка будет постоянной при его сканировании, в противном случае интенсивность пучка будет промодулирована по почти гармоническому закону. Для того, чтобы убедиться в полной юстировке ИФП или добиться ее необходимо дополнительно проанализировать сигнал, снимаемый с фотоприемника, при сканировании пучка света в другом азимутальном направлении. Обычно процесс юстировки следует выполнять последовательно в нескольких, в соответствии с числом регулируемых по толщине опор - разделителей пластин ИФП направлениях, проходящих через центр ИФП и соответствующую опору - разделитель. Благодаря высокой частоте сканирования

100 Гц, которую позволяет обеспечить пьезодефлектор, сигнал с фотоприемника может быть усилен с помощью селективного синхронного усилителя, реализующего наибольшее отношение сигнал/шум по сравнению с другими возможными способами обработки сигналов, и выведен на удобный для восприятия информации регистрирующий прибор (квадратичный детектор или осциллограф).This is achieved by the fact that a narrow collimated beam of quasimonochromatic light with a diameter not exceeding 0.2 of the diameter of the aperture of the aligned IFP is scanned in a plane passing through the center of the interferometer, while maintaining a constant angle of incidence and regulating the parallelism of the plates by the difference in beam intensity at the extreme points of scanning IFP in the scanning direction. To specify the specified nature of the beam motion, a piezoelectric reflector-mirror, controlled by piezoelectric elements, and a special optical system consisting of two lenses are used. The intensity of the transmitted IFP light linearly depends on the base of the interferometer if an inclined portion of the Airy transmission curve is used. The choice of the working area is carried out by a slight inclination of the IFP relative to the optical axis of the system, in which, in the optimal case, the transmittance in the center of the IFP is 1/2 of the maximum. If the IFP mirrors are parallel in the scanning direction, then the beam intensity will be constant when it is scanned, otherwise the beam intensity will be modulated according to an almost harmonic law. In order to verify the full adjustment of the IFP or to achieve it, it is necessary to further analyze the signal taken from the photodetector when scanning the light beam in another azimuthal direction. Typically, the alignment process should be carried out sequentially in several directions, in accordance with the number of supports adjustable in thickness of the supports — separators of the IFP plates passing through the center of the IFP and the corresponding support — separator. Thanks to the high scanning frequency

100 Hz, which the piezoelectric deflector allows, the signal from the photodetector can be amplified using a selective synchronous amplifier that implements the highest signal-to-noise ratio compared to other possible signal processing methods, and a recording device (a quadratic detector or an oscilloscope) is convenient for receiving information .

Тем самым достигается высокая оперативность и максимальная возможная чувствительность (точность) юстировки. При этом процессе юстировки отсутствуют трудоемкие операции, связанные с получением и анализом информации. This ensures high efficiency and the maximum possible sensitivity (accuracy) of the adjustment. In this adjustment process, there are no laborious operations associated with obtaining and analyzing information.

Способ иллюстрирует чертеж. The method is illustrated in the drawing.

Предлагаемый способ реализован следующим образом. Слаборасходящийся пучок света от источника 1 квазимонохроматического излучения проходит диафрагму 2, задающую узкую апертуру пучка, и фокусируется сферической линзой 3 на зеркало 4, которое колеблется в одной плоскости с помощью пьезодефлектора, состоящего из двух биморфных пьезокристаллических пластин, управляемых синусоидальным напряжением (в испытаниях применен пьезодефлектор ПД-1, в котором из четырех задействованы две диагонально расположенные биморфные пьезокристаллические пластины). The proposed method is implemented as follows. A slightly diverging light beam from a quasimonochromatic radiation source 1 passes through a diaphragm 2, which defines a narrow aperture of the beam, and is focused by a spherical lens 3 onto a mirror 4, which vibrates in one plane with a piezoelectric deflector, consisting of two bimorph piezoelectric crystals controlled by a sinusoidal voltage test (in tests PD-1, in which of the four involved two diagonally located bimorph piezocrystalline plates).

Отраженный от зеркала пучок падает на сферическую линзу 5, которая расположена так, что ее оптическая ось составляет угол ≈90^о с осью падающего на зеркало 4 пучка, а ее передний фокус совпадает с задним фокусом линзы 3 и также лежит на отражающей поверхности зеркала в точке, через которую проходит ось вращения зеркала. За счет колебаний зеркала отраженный пучок сканируется вдоль диаметра линзы 5. При соблюдении указанных требований на расположение линз 3, 5 и зеркала 4 световой пучок после прохождения линзы 5 коллимируется и распространяется параллельно оптической оси в любом положении при его сканировании. Это обеспечивает постоянство угла падения светового пучка на юстируемый интерферометр 6 (в испытаниях использован ИФП типа ИТ-28).The reflected beam from the mirror is incident on spherical lens 5 which is disposed so that its optical axis makes an angle with the axis ^of ≈90 incident on the mirror of the beam 4, while its front focal point coincides with the rear focus lens 3 and also lies on the reflecting surface of the mirror at point through which the axis of rotation of the mirror passes. Due to oscillations of the mirror, the reflected beam is scanned along the diameter of the lens 5. Subject to the indicated requirements for the location of lenses 3, 5 and mirror 4, the light beam after passing through the lens 5 is collimated and propagates parallel to the optical axis in any position when it is scanned. This ensures the constancy of the angle of incidence of the light beam on the interferometer 6 being adjusted (in the tests, an IF-IT-28 type was used).

Оптимальный угол падения выбирается небольшим наклоном ИФП, при котором интенсивность прошедшего через ИФП пучка равна приблизительно половине от максимальной. Если интерферометр разъюстирован, то интенсивность прошедшего пучка будет промодулирована во времени. Излучение регистрируется фотоприемником 8 (фотодиод ФД-7К) с помощью собирающей линзы 7. Сигнал с фотоприемника поступает на синхронный усилитель 9 и индицирующий прибор 10, которым может служить осциллограф или миллиамперметр, например измерительный усилитель У2-8, который выполняет функции устройств 9 и 10. Механизм крепления интерферометра 6 позволяет вращать его вокруг собственной оптической оси и фиксировать в требуемом положении. Процедура юстировки проста. Вращая ИФП вокруг своей оси, ориентируют его так, чтобы плоскость сканирования проходила по диаметру, пересекающему опору-разделитель, которому соответствует наибольший угол разъюстировки. По сигналу с фотоприемника регулируют толщину этой опоры и добиваются максимальной степени параллельности зеркал в этом направлении. Затем ориентируют ИФП на вторую опору, в направлении которой остаточный клин является наибольшим и также устраняют его юстировкой. Обычно для полной юстировки интерферометра требуется несколько (3...5) таких операций. The optimal angle of incidence is selected by a small slope of the IFP, at which the intensity of the beam transmitted through the IFP is approximately half the maximum. If the interferometer is misaligned, then the intensity of the transmitted beam will be modulated in time. The radiation is recorded by a photodetector 8 (photodiode FD-7K) using a collecting lens 7. The signal from the photodetector is fed to a synchronous amplifier 9 and an indicating device 10, which can be an oscilloscope or milliammeter, for example, a measuring amplifier U2-8, which performs the functions of devices 9 and 10 The mounting mechanism of the interferometer 6 allows you to rotate it around its own optical axis and lock in the desired position. The adjustment procedure is simple. Rotating the IFP around its axis, they orient it so that the scanning plane passes along the diameter crossing the support divider, which corresponds to the largest misalignment angle. By the signal from the photodetector, the thickness of this support is controlled and the maximum degree of parallelism of the mirrors in this direction is achieved. Then, the IFP is oriented to the second support, in the direction of which the residual wedge is the largest and also eliminate its alignment. Usually, for complete alignment of the interferometer, several (3 ... 5) such operations are required.

Предлагаемый способ по сравнению с существующими дает следующие преимущества: простота реализации способа и самой процедуры юстировки, высокие практическая точность и оперативность, низкая трудоемкость, некритичность способа к значению базы юстируемого интерферометра, удобная для оператора форма представления информации. The proposed method, in comparison with the existing ones, provides the following advantages: ease of implementation of the method and the adjustment procedure itself, high practical accuracy and efficiency, low laboriousness, uncriticality of the method to the value of the base of the adjusted interferometer, and a form of information presentation convenient for the operator.

Claims

1. A method for adjusting a Fabry-Perot interferometer, including directing a quasi-monochromatic collimated light beam to the interferometer and recording the intensity of the interferometer, characterized in that, in order to increase efficiency, reduce the complexity of the alignment, they direct a light beam with a diameter of not more than 0.2 of the diameter of the interferometer aperture, scan it in a plane passing along the diameter of the aperture of the interferometer in the direction of one of the support separators of the plates while maintaining a constant angle of incidence of the beam and The difference in beam intensity at extreme diametrically opposite points of scanning is controlled by the parallelism of the plates in the scanning direction, and the scanning is carried out sequentially in at least two positions of the interferometer, differing in the angle of rotation relative to its optical axis, corresponding to the number of support separators of the plates and the direction of the initial misalignment of the Fabry-Perot interferometer .

2. A device for adjusting a Fabry-Perot interferometer containing an optically coupled source of quasi-monochromatic collimated radiation, a diaphragm, a collecting lens and a radiation intensity registration system, characterized in that the diaphragm is configured to reduce the beam aperture and is located at the source output, and between the diaphragm and the collecting a lens disposed to one another at an angle of 90 ^o focusing and defocusing the lenses in the common focus of which are arranged the reflection surface and the rotation axis of the scanning present mirrors.