Отражательный интерферометр с
инвертированным распределением интенсивностей.
Абель
Олег Яковлевич,
FSTT Ltd,
Израиль,
Кузнецов
Максим Михайлович,
ГУП НПЗ им. Ленина.
Научный руководитель – Носков Михаил Федорович,
кандидат технических наук, доцент.
Сибирская Государственная Геодезическая Академия,
г.Новосибирск.
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 плоско-параллельные 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 α,
фокусировку отраженного светового пучка объективом и подавление нулевого
пространственного порядка при помощи поглощающей диафрагмы, причем угол наклона
α выбирают из условия:
α ≥
1,22λ / D,
где λ –
наибольшая длина волны зондирующего излучения;
D – световой диаметр зеркал
ИФП.
Отраженные от
ИФП лучи образуют последовательность колебаний:
– – – – – – –
– – – – – – – – – – – – – – – – – – –
,
где α – амплитуда падающего колебания;
ρ и τ – коэффициенты отражения и
соответственно пропускания;
ρ' и τ' – амплитудные коэффициенты отражения и пропускания зеркальных слоев;
Sj – 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
а) б)
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.
Поступила в редакцию 3 сентября