專利名稱：干涉儀及其補(bǔ)償色散和/或增大光譜分辨率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及依照權(quán)利要求1特征概念所述的這種干涉儀和權(quán)利要求12和13所述的這種干涉儀的補(bǔ)償色散的方法和/或增大光譜分辨率的方法。
電磁輻射干涉儀里面的測(cè)量原理是基于兩個(gè)相干部分電磁波ψ1、ψ2之間的干涉，這兩個(gè)波相互間具有限定的相位關(guān)系，即相同的波長(zhǎng)λ，不隨時(shí)間變化的固定相位差Δφ重疊在這兩個(gè)波上。對(duì)重疊波的強(qiáng)度Idet進(jìn)行檢測(cè)。Idet正比于a+cos(Δφ)，這里a是常數(shù)。只有相同的偏振分量，如沿x軸的電場(chǎng)矢量總是相互干涉。
在雙光束干涉儀中，來(lái)自輻射源的輻射被分為兩個(gè)相對(duì)相位差為零的光束分量，每個(gè)光束分量提供給一個(gè)干涉儀臂。干涉儀臂可以具有不同的光程長(zhǎng)度，在這兩個(gè)部分波通過干涉儀后將不為零的相位差重疊在它們之上。在兩個(gè)干涉儀臂之間存在光程長(zhǎng)度差Δln的雙光束干涉儀中，兩個(gè)部分波之間的相位差為Δφ=2πΔlnλ.]]>l是實(shí)際光程長(zhǎng)度，n是媒介的折射率。這個(gè)干涉儀的相位Δφ與波長(zhǎng)λ和Δln有關(guān)，因此，如果一個(gè)量是已知的，那么可以用于精確測(cè)量另一個(gè)量。
例如，利用干涉儀來(lái)測(cè)量諸如規(guī)塊一類物體的長(zhǎng)度、測(cè)量折射率、或者應(yīng)用于光譜儀中。
長(zhǎng)度測(cè)量，即光程長(zhǎng)度差Δln偏差的測(cè)量會(huì)受到波長(zhǎng)波動(dòng)的影響而變差，因?yàn)榧词功n保持相同，波長(zhǎng)的偏差也會(huì)產(chǎn)生干涉儀輸出信號(hào)Idet的偏差。為了補(bǔ)救這一缺點(diǎn)，Y.Troitski在Applied Optics 34 44717(1995)中提出了一種通過將蒸氣施加在干涉儀反射鏡上大致可補(bǔ)償輸出信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)依賴性的無(wú)色散干涉儀。該方法的缺點(diǎn)是將蒸氣施加到反射鏡上使之代價(jià)高昂和不靈活。在施加蒸氣后通過調(diào)節(jié)將干涉儀的工作區(qū)(即基本波長(zhǎng)λ0附近的范圍，其中輸出信號(hào)基本上與輻射源的波長(zhǎng)λ無(wú)關(guān))設(shè)定為基本波長(zhǎng)λ0，在改變輻射源后，不再能夠?qū)?shí)際條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一個(gè)缺點(diǎn)是工作區(qū)窄，這意味著對(duì)于在基本波長(zhǎng)λ0附近的較寬的波段Δλ不能采用色散補(bǔ)償。
光譜研究用的干涉儀的一個(gè)缺點(diǎn)是輸出信號(hào)不僅對(duì)于波長(zhǎng)而且對(duì)于例如由測(cè)量裝置振動(dòng)引起的干涉儀臂的光程長(zhǎng)度差的偏差都具有高靈敏度。這導(dǎo)致光譜測(cè)量結(jié)果易出誤差。
本發(fā)明的目的是提供一種在維持對(duì)干涉儀臂長(zhǎng)偏差高靈敏度的同時(shí)補(bǔ)償在可調(diào)基本波長(zhǎng)λ0附近波長(zhǎng)范圍Δλ內(nèi)輸出信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)依賴性的電磁輻射干涉儀。本發(fā)明的目的還有提供一種光譜分辨率高于具有同等臂長(zhǎng)的傳統(tǒng)雙光束干涉儀，由此穩(wěn)定輸出信號(hào)對(duì)干涉儀臂長(zhǎng)偏差的電磁輻射干涉儀。
這一目的可通過由至少兩個(gè)干涉儀臂和一個(gè)分束器組成的電磁輻射干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里，來(lái)自電磁輻射源的光束被分束器分束成兩個(gè)光束分量并提供給兩個(gè)干涉儀臂中每個(gè)臂；在它們通過干涉儀臂后，與干涉儀臂中光程差Δln和波長(zhǎng)λ有關(guān)的相位差Δφ=2nΔ(l·n)λ]]>被同一或另一分束器疊加在光束分量上；用檢測(cè)器測(cè)量疊加波的強(qiáng)度，其特征如下a)在光路中設(shè)置至少一個(gè)偏振片，它確立進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的限定偏振狀態(tài)P1/20，這里偏振狀態(tài)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，并對(duì)兩個(gè)光束分量可以不同。
b)在至少一個(gè)干涉儀臂中設(shè)置至少一個(gè)光學(xué)元件，光學(xué)元件改變部分電磁波的偏振狀態(tài)P1/20，它是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，即用偏振P1/2(λi)對(duì)每個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼，使得部分電磁波取偏振狀態(tài)P1(λ)或P2(λ)。在Poincare偏振球上示出的區(qū)域P1(λ)和P2(λ)相互至少是部分不同的。
c)位于干涉儀輸出端的分析儀透射可調(diào)偏振狀態(tài)Pdet，由此形成每個(gè)光譜分量λi的投影Pdet(P1/2(λ))并產(chǎn)生光譜分量的部分波之間的與波長(zhǎng)有關(guān)的附加相位差γ(λ)，這里γ是P1/2(λ)和Pdet的函數(shù)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的另一個(gè)重要因素是利用這種干涉儀的方法，其特征在于通過以下步驟來(lái)補(bǔ)償在基本波長(zhǎng)λ0附近的范圍內(nèi)輸出強(qiáng)度對(duì)色散或波長(zhǎng)的依賴性，即在λ0附近光譜波長(zhǎng)波動(dòng)期間穩(wěn)定干涉儀輸出信號(hào)并因此增大干涉儀對(duì)臂長(zhǎng)差Δl偏差的靈敏度a)產(chǎn)生進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的限定輸出偏振P1/20，這里，可以P10≠P20。
b)用與波長(zhǎng)有關(guān)的偏振P1(λ)或P2(λ)對(duì)部分電磁波的各個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼。
c)對(duì)限定偏振Pdet的檢測(cè)。
d)相互調(diào)節(jié)偏振量P1/20、P1/2(λ)和Pdet，以致下式應(yīng)用于在λ0區(qū)域內(nèi)的波長(zhǎng)λ上γ(λ)=-12Ω(Pdet,P1(λ),P2(λ))≈d+2πΔlnλ20(λ-λ0)]]>或dΩdλ(λ0)≈-4πΔlnλ20]]>式中d是常數(shù)，Ω(Pdet,P1(λ),P2(λ))當(dāng)代表Poincare單位球上的偏振量時(shí)是指由點(diǎn)Pdet,P1(λ),P2(λ)為固定λ而限定的球面三角的面積。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的另一個(gè)重要因素是利用這種干涉儀的方法，其特征在于通過以下步驟在基本波長(zhǎng)λ0附近的范圍內(nèi)增大干涉儀的光譜分辨率a)產(chǎn)生進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的限定輸出偏振P1/20，這里，可以P10≠P20。
b)用與波長(zhǎng)有關(guān)的偏振P1(λ)或P2(λ)對(duì)部分電磁波的各個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼。
c)對(duì)限定偏振Pdet的檢測(cè)。
d)相互調(diào)節(jié)偏振量P1/20、P1/2(λ)和Pdet，以致Δφ<<12Ω(Pdet,P1(λ0),P2(λ0))]]>應(yīng)用于λ0上，這里，Ω(Pdet,P1(λ0),P2(λ0))當(dāng)代表Poincare單位球上的偏振量時(shí)是指由點(diǎn)Pdet,P1(λ0),P2(λ0)限定的球面三角的面積。
干涉儀的其它優(yōu)越實(shí)施例由從屬權(quán)利要求2至10所表征。
根據(jù)本發(fā)明的干涉儀和在根據(jù)本發(fā)明的干涉儀中能夠進(jìn)行的方法基于以下概念確定干涉儀輸出信號(hào)的干涉儀中兩部分波之間的相位差Δφ是波長(zhǎng)λ和臂長(zhǎng)差Δln的函數(shù)Δφ(λ,Δln)=2πΔlnλ0]]>由于是波長(zhǎng)的函數(shù)，即如果波長(zhǎng)λ略偏離基本波長(zhǎng)λ0，而光程長(zhǎng)維持不變，那么，由下式可導(dǎo)出相位差Δφ(λ)≈2πΔlnλ0-2πΔlnλ20(λ-λ0)=c-2πΔlnλ20(λ-λ0);]]>c=常數(shù)然而，在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，要求相位差僅取決于光程長(zhǎng)度差Δln，而不取決于λ或(λ-λ0)。具體說，相位差應(yīng)當(dāng)與光程差一樣維持不變。如果我們將與波長(zhǎng)有關(guān)的附加項(xiàng)γ(λ)加到相位差上，這里γ(λ)具有形式γ(λ)≈d+2πΔlnλ20(λ-λ0);]]>d=常數(shù)那么，兩個(gè)光束分量之間的總相位差Δφ(λ)+γ(λ)在第一級(jí)近似下與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)輻射源的波長(zhǎng)λ偏離基本波長(zhǎng)λ0時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)并不變化。因此，輸出信號(hào)保持完全依賴于光程。γ(λ)代表由折射率表征的隨波長(zhǎng)增大的異常色散項(xiàng)。
按照如下引入附加項(xiàng)γ(λ)首先，確立進(jìn)入干涉儀臂中的部分波ψ1和ψ2的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的限定偏振狀態(tài)P1/20。這可以通過位于輻射源之后的偏振片或通過進(jìn)入干涉儀臂的入口處的偏振分束器或二者的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以采用產(chǎn)生限定偏振狀態(tài)的光的輻射源，如激光器。在這種情況中，不需要其它偏振元件。重要的是偏振P1/20與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。
將改變透射光偏振狀態(tài)(它是其波長(zhǎng)的函數(shù))的偏振元件定位在干涉儀兩個(gè)臂中的至少一個(gè)臂中。因此，它們以依賴于干涉儀臂的偏振P1(λ)和P2(λ)對(duì)波長(zhǎng)λ的每個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼。這些偏振編碼的光學(xué)元件為雙折射、旋光性或橢圓雙折射板，如晶體板。也可以采用另外的雙光束干涉儀進(jìn)行偏振編碼。對(duì)于基本波長(zhǎng)λ0范圍內(nèi)的特定波長(zhǎng)λ，偏振兩P1(λ)和P2(λ)應(yīng)當(dāng)不等。如果我們表示偏振量為Poinzare偏振球上的歸一化斯托克斯矢量，那么，這意味著區(qū)域P1(λ)和P2(λ)不重疊，至少部分是。以下的四重矢量定義為斯托克斯矢量P=(I,M,C,S)其中I=|e-λE-|2+|e-λE-|2]]>M=|e-λE-|2-|e-λE-|2]]>C=2Re[(e-λE-)0(e-λE-)]]]>S=2Im[(e-λE-)0(e-λE-)]]]>這里，I是具有電場(chǎng)矢量[E]的在[e]方向傳播的電磁波的總強(qiáng)度；M代表偏振橢圓率的度數(shù)；C和S各表明+45°至-45°或從右旋光到左旋光的級(jí)數(shù)。偏振光得到I2=M2+C2+S2即所有斯托克斯矢量位于半徑為I的同一球(Pionzare偏振球)上。如果對(duì)強(qiáng)度歸一化，那么，這個(gè)球的半徑為1。如果點(diǎn)僅代表偏振量，則不需要考慮強(qiáng)度。例如，斯托克斯矢量P=(1,0,0,1)代表完全左旋偏振光，而P=(1,0,1,0)描述已經(jīng)在45°方向線性偏振的光。
由于雙折射、旋光性或橢圓雙折射對(duì)波長(zhǎng)依賴性，在通過于涉儀臂后，將不同光譜分量從公共輸出偏振P1/20轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌呐c波長(zhǎng)有關(guān)的偏振狀態(tài)P1(λ)和P2(λ)。為了防止區(qū)域P1(λ)和P2(λ)完全重疊，偏振編碼光學(xué)元件在干涉儀臂中以不同方向定向。
由于偏振片位于檢測(cè)器的上游，或者，另一方式，在每個(gè)干涉儀臂中分別有一個(gè)偏振片，僅對(duì)比檢測(cè)偏振Pdet進(jìn)行檢測(cè)。因此，對(duì)于每個(gè)光譜分量λi，形成部分波的投影Pdet(P1(λi)和Pdet(P2(λi))并使之干涉。這產(chǎn)生光譜分量的部分波之間的與波長(zhǎng)有關(guān)的附加相位差γ(λi)。這一與波長(zhǎng)有關(guān)的附加相位γ(λ)服從γ(λ)=-12Ω(Pdet,P1(λ),P2(λ))]]>式中Ω(Pdet,P1(λ),P2(λ))是在Poincare單位球體上的偏振表示中由點(diǎn)Pdet、P1(λ)和P2(λ)限定的球面三角的面積。因此γ(λ)是偏振量Pdet(P1(λ)和P2(λ))的函數(shù)。γ(Pdet,P1(λ),P2(λ))稱為Pancharatnam相位。
為了補(bǔ)償色散，將量Pdet(P1(λ))和Pdet(P2(λ))選擇為在基本波長(zhǎng)λ0區(qū)域中的波長(zhǎng)λ服從γ(λ)≈d+2πΔlnλ20(λ-λ0);]]>d=常數(shù)。
該工作區(qū)可通過改變輸入偏振(量)、偏振編碼元件，例如它們的角度位置、厚度、傾角或檢測(cè)偏振這種方式設(shè)定。
那么，如果我們?cè)诟缮鎯x臂中放置延遲量非常大的光學(xué)元件，透射特性對(duì)波長(zhǎng)的依賴性可由較大的等量γ(λ)值確定，而不再由干涉儀相位Δφ確定。結(jié)果，干涉儀對(duì)這一區(qū)域中的光程長(zhǎng)度差的偏差不太敏感，因?yàn)殚L(zhǎng)度靈敏度僅由Δφ確定。因此，具有這一特性的干涉儀適合于精密光譜學(xué)。
附圖示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中

圖1是示出本發(fā)明的干涉儀的示意圖。
圖2是示出表明偏振量Pdet、P1(λ)和P2(λ)的Poincare球。
圖3a-c、4和5示出不同參數(shù)組時(shí)干涉儀透射特性與波長(zhǎng)或光程差之間函數(shù)關(guān)系的例子。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的電磁輻射干涉儀1，其中來(lái)自電磁輻射源2的光束被分束器3分束成兩個(gè)光束分量并將這兩個(gè)光束分量提供給各個(gè)干涉儀臂6、7。輻射源為例如激光器或其它至少產(chǎn)生部分相干光的光源。光束分量各被位于干涉儀一端的反射鏡反射疊加在它們之上并反射回原同一光路中。在通過干涉儀臂后，它們?cè)俅伪煌粋€(gè)分束器3疊加它們之上。由檢測(cè)器10測(cè)量重疊波的強(qiáng)度。
不用設(shè)置在光路中的光學(xué)元件作任何進(jìn)一步動(dòng)作，部分波在通過干涉儀臂之后，與干涉儀臂中光程差Δln和波長(zhǎng)λ有關(guān)的相位差Δφ=2nΔ(l·n)λ]]>將會(huì)疊加在它們上。根據(jù)相位差和輻射相干度，這可以完全抵消檢測(cè)器上測(cè)得的強(qiáng)度。
偏振片8使提供給干涉儀臂的部分波偏振。它建立進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的限定輸入偏振狀態(tài)P1/20。在這種情況中，應(yīng)用P10=P20，因?yàn)榉质?分離獨(dú)立偏振的光束。
在兩個(gè)干涉儀臂的每個(gè)臂設(shè)置一個(gè)光學(xué)元件11、12，它改變是波長(zhǎng)λ函數(shù)的部分電磁波的偏振狀態(tài)。因此用偏振P1/2(λi)對(duì)每個(gè)光譜分量λi進(jìn)行編碼，使得部分電磁波取偏振狀態(tài)P1(λ)和P2(λ)。表示在Poincare偏振球上，區(qū)域P1(λ)和P2(λ)至少是部分不同的，這可以通過采用不同的光學(xué)元件11、12或者具有不同設(shè)置的這種元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在干涉儀輸出端的檢測(cè)器的上游放置一個(gè)透射可調(diào)偏振狀態(tài)Pdet的分析儀9。這個(gè)分析儀9形成每個(gè)光譜分量λi的投影Pdet(P1(λi))或Pdet(P2(λi))與來(lái)自分析儀下游的這些投影的相互干涉。分析儀產(chǎn)生光譜分量的部分波之間的與波長(zhǎng)有關(guān)的附加相位差γ(λ)，這里γ是P1/2(λ)和Pdet的函數(shù)。另一種方法是從分析儀的上游獲得部分波干涉，以這種方式產(chǎn)生具有偏振P(λi)的波以及形成投影Pdet(P(λi))。從測(cè)得的輸出強(qiáng)度考慮結(jié)果是相同的。
檢測(cè)偏振象可以是輸入偏振一樣，可以是任何橢圓偏振。線性偏振量尤其易于實(shí)現(xiàn)。
圖2示出代表偏振量P1/20、Pdet、P1(λ)和P2(λ)的Poincare球。Poincare球位于坐標(biāo)系的原點(diǎn)，沿各個(gè)軸繪出以上定義的量M、C和S。采用這種表示，所有的純偏振狀態(tài)是半徑為1的Poincare球的表面上點(diǎn)，即總是應(yīng)用M2+C2+S2=1。在以下的描述中，我們總是舍棄以上定義的斯脫克斯矢量中的第一分量(強(qiáng)度)，因?yàn)閺?qiáng)度被歸一化為1。在球體的北極，坐標(biāo)(0,0,1)完全代表左旋偏振光；赤道上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)矢量具有不同振動(dòng)幅度的線偏振光。上半球中的區(qū)域?qū)?yīng)于左旋橢圓偏振量，下半球中的區(qū)域?qū)?yīng)于右旋橢圓偏振量。
利用偏振片在干涉儀輸入端產(chǎn)生進(jìn)入干涉儀臂中的部分波的輸入偏振P1/20。在這種表示中，P1/20位于Poincare球的赤道上以及M軸上，因此，對(duì)于所有波長(zhǎng)具有坐標(biāo)(1,0,0)。因此，P1/20是沿x軸線性偏振的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的光。
位于干涉儀臂中的改變偏振的光學(xué)元件改變是波長(zhǎng)函數(shù)的兩個(gè)相互獨(dú)立的光束分量的輸入偏振。第一光束分量(左旋偏振量)的光譜波長(zhǎng)λ的偏振量繪在上半球的區(qū)域P1(λ)中。具有相對(duì)球體赤道平面的鏡面對(duì)稱性，第二光束分量(右旋偏振量)的光譜波長(zhǎng)λ的偏振量繪在下半球的區(qū)域P2(λ)中。這些區(qū)域以虛線表示。例如，通過將沿光軸切割的石英板以相互正交的取向置于干涉儀的每個(gè)臂中可實(shí)現(xiàn)相對(duì)赤道的對(duì)稱性。
在這個(gè)例子中，改變基本波長(zhǎng)λ0和另一波長(zhǎng)λi的偏振，使得點(diǎn)P1/2(λ0/1)位于大圓上，這里C=0。P1/2(λ0)或P1/2(λ1)的M分量總是保持相同，僅僅相應(yīng)S分量之間的差是它們的符號(hào)。
這種表示還表現(xiàn)了由位于干涉儀輸出端的分析儀所透射的檢測(cè)偏振Pdet。在這個(gè)例子中，Pdet是由赤道上的點(diǎn)所表示的任何線性偏振，它也可以利用簡(jiǎn)單偏振片作為分析儀來(lái)輕易地實(shí)現(xiàn)。
光束分量通過干涉儀臂后，分析儀僅透射它們投影分量Pdet(P1/2(λ))，這些分量可以相互干涉并對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生作用。對(duì)于單個(gè)光譜分量，我們可以用例如波長(zhǎng)λ0示出，這產(chǎn)生兩個(gè)光束分量之間的相位差γ(λ0)，它正比于在點(diǎn)P1(λ0)、P2(λ0)和Pdet之間延展的球面三角區(qū)Ω(λ0)。這服從γ(λ0)=-12Ω(λ0).]]>附圖示出兩個(gè)不同光譜分量λ0和λ1的三角區(qū)Ω(λ0)和Ω(λ1)。Ω(λ0)是由實(shí)線界定的，Ω(λ1)是由虛線界定的。
可以通過光學(xué)元件的選擇相互調(diào)節(jié)P1/20、Pdet、P1(λ)和P2(λ)，使得附加相位γ(λ)補(bǔ)償干涉儀色散或輸出信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)的依賴性，或者甚至其對(duì)干涉儀臂長(zhǎng)的依賴性。
為了補(bǔ)償色散，這樣選擇面積P1(λ0)和P2(λ0)以及Pdet，即，對(duì)于波長(zhǎng)λ0，當(dāng)波長(zhǎng)從λ0變?yōu)棣?，即Δλ=λ0-λ1時(shí)，附加相位的偏差Δγ(λ)=-12Ω(λ0)-Ω(λ1)]]>恰好補(bǔ)償由波長(zhǎng)偏差引起的干涉儀相位差。通過選擇P1(λ)和P2(λ)和/或Pdet可以作這樣的調(diào)節(jié)。通過選擇輸入偏振P1/20和/或光學(xué)元件的位置/取向能夠影響P1(λ)和P2(λ)。
通過將偏振量P1(λ)和P2(λ)的參數(shù)置于大圓圈P1(λ0)、P2(λ0)提供一種較佳的安排，P1/20對(duì)稱于Poincare球上點(diǎn)P1/20(輸入偏振)，分析儀透射Poincare球赤道上的偏振量Pdet。在這種情況中，從分析儀下游的強(qiáng)度I(λ)為I(λ)=I0[1+cos2Θcosφ(λ)+cosδ(cos2Θ+cosφ(λ))+sinδsin2Θ sinφ(λ)]在這種情況中，2Θ代表Poincare球上由P1/20和Pdet限定的距離角，φ(λ)代表由P1/20和P1(λ)限定的距離角；δ是從變化開始，例如由干涉儀臂長(zhǎng)度之間差引起的兩個(gè)干涉光束分量之間存在的相位差。
偏振量P1(λ)和P2(λ)是由兩個(gè)厚度d相等的取向相互相反并以45°角置于光路中的石英板分布的。這服從φ(λ)=π-2πd·Δn(λ)λ]]>在這種情況中，Δn(λ)是石英板在波長(zhǎng)λ的雙折射率。通過利用上述強(qiáng)度公式中的這一關(guān)系，我們得到干涉儀的光譜特性I(λ)。
接著，圖3a-c、4和5示出根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的典型透射特性的例子。數(shù)據(jù)是模擬的。除了圖3c外，x軸總是以μm為單位繪出所采用的電磁輻射的波長(zhǎng)。y軸以任意單位繪出了在干涉儀輸出端檢測(cè)到的強(qiáng)度I(λ)與波長(zhǎng)或光程差Δ(l·n)或l的函數(shù)關(guān)系。
干涉儀臂中具有給定光程長(zhǎng)度差Δln，傳統(tǒng)的雙光束干涉儀的透射特性為在λmax=Δlnm]]>處具有透射最大和在λmin=2Δln2m+l]]>處具有透射最小，這里m是整數(shù)。
在所示的例子中，通過將光學(xué)元件(兩個(gè)厚度d相等的石英板)置于本發(fā)明的干涉儀的光路中可改變這一偏差。
在圖3a中，在約500至800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)可補(bǔ)償輸出信號(hào)I(λ)對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。在這個(gè)范圍內(nèi)，透射曲線達(dá)到平坦?fàn)顟B(tài)，即輸出信號(hào)相對(duì)波長(zhǎng)的波動(dòng)是穩(wěn)定的，因此，對(duì)于光程差的起伏尤為敏感。用于實(shí)現(xiàn)這一無(wú)色散干涉儀的參數(shù)組為2Θ=2.8；2d=150μm；l=100μm，這里l是兩個(gè)干涉儀臂之間的初始光程差，即兩個(gè)光束分量之間的光學(xué)波長(zhǎng)差。l與上述初始相位差δ具有如下關(guān)系l=δ·λ2π·n]]>圖3b示出色散補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)例子，采用參數(shù)2Θ=2.52；2d=200μm和l=6000μm。透射特性在λ=600nm附近的范圍內(nèi)達(dá)到平坦?fàn)顟B(tài)。
圖3c示出干涉儀透射特性與初始光程差l(單位μm)的函數(shù)關(guān)系，采用2Θ=0和2d=540μm。繪出了三個(gè)不同波長(zhǎng)λ=0.48/0.47/0.49μm的強(qiáng)度I(λ)。盡管透射強(qiáng)度的幅度強(qiáng)烈地依賴于波長(zhǎng)，但是，對(duì)于所有三個(gè)波長(zhǎng)所示出的強(qiáng)度隨變量l的變化是基本相同的。具體說，在圖3c中所示的強(qiáng)度最大值和最小值的位置實(shí)際上與所采用的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，僅僅取決于光程差l。因此，利用上述參數(shù)也能提供無(wú)色散的干涉儀。因而，干涉儀的輸出信號(hào)不受波長(zhǎng)起伏的影響，能夠被用于更精確地和無(wú)誤差地確定臂長(zhǎng)度差l。
圖3c中采用的參數(shù)也被用于圖4中所示的透射特性，即2Θ=0和2d=540μm。然而，與圖3c不同，在本情況中繪出了強(qiáng)度I與波長(zhǎng)λ的函數(shù)關(guān)系。三條曲線對(duì)應(yīng)于光程差l=0/0.1/0.2μm的不同值。盡管干涉儀的兩個(gè)光束分量具有不同的光程差，但是，最大和最小強(qiáng)度的位置與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。
在圖5中，與圖3a-c不同，未對(duì)透射波長(zhǎng)依賴關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，而是通過在干涉儀光路中提供光學(xué)元件增大這一依賴關(guān)系。干涉儀具有透射最大值寬和最小值窄的周期性透射范圍。因此，透射曲線有一些透射隨波長(zhǎng)變化比未作處理的干涉儀中更大的區(qū)域。因此，在這些區(qū)域中，能夠檢測(cè)到波長(zhǎng)的微小偏差Δλ，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳敵鲂盘?hào)中產(chǎn)生較大的偏差。因而，在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)干涉儀的光譜分辨率更高，這允許通過選擇光學(xué)元件對(duì)波長(zhǎng)范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用參數(shù)2Θ=2.3；2d=6000μm；l=100μm作這一表示。
權(quán)利要求
1．一種由至少兩個(gè)干涉儀臂(6、7)和一個(gè)分束器(3)組成的電磁輻射干涉儀，這里，來(lái)自電磁輻射源(2)的光束被分束器(3)分束成兩個(gè)光束分量并提供給兩個(gè)干涉儀臂(6、7)中每個(gè)臂；在它們通過干涉儀臂后，與干涉儀臂中光程差Δln和波長(zhǎng)λ有關(guān)的相位差Δφ=2nΔ(l·n)λ]]>被同一或另一分束器(3)疊加在光束分量上；用檢測(cè)器(10)測(cè)量疊加波的強(qiáng)度，其特征如下a)設(shè)置在光路中的至少一個(gè)偏振片(8)，它確立進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的限定偏振狀態(tài)P1/20，這里偏振狀態(tài)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，并對(duì)兩個(gè)光束分量可以不同；b)在至少一個(gè)干涉儀臂(6、7)中設(shè)置的至少一個(gè)光學(xué)元件(11、12)，光學(xué)元件改變部分電磁波的偏振狀態(tài)P1/20，是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，即用偏振P1/2(λi)對(duì)每個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼，使得部分電磁波取偏振狀態(tài)P1(λ)或P2(λ)，由此，在Poincare偏振球上示出的區(qū)域P1(λ)和P2(λ)相互至少是部分不同的；c)位于干涉儀輸出端的分析儀(9)，它透射可調(diào)偏振狀態(tài)Pdet，由此形成每個(gè)光譜分量λi的投影Pdet(P1/2(λ))并產(chǎn)生光譜分量的部分波之間的與波長(zhǎng)有關(guān)的附加相位差γ(λ)，這里γ是P1/2(λ)和Pdet的函數(shù)。
2．如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其特征在于光學(xué)元件(11、12)設(shè)置在兩個(gè)干涉儀臂(6、7)中。
3．如權(quán)利要求1或2所述的干涉儀，其特征在于分束器(3)是偏振分束器，它除了對(duì)光束分束外還執(zhí)行偏振片(8)的功能。
4．如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的干涉儀，其特征在于偏振編碼光學(xué)元件(11、12)是雙折射、旋光或橢圓雙折射板，例如晶體板。
5．如權(quán)利要求4所述的干涉儀，其特征在于偏振編碼光學(xué)元件(11、12)在干涉儀中以不同方向定向，由于雙折射、旋光或橢圓雙折射與波長(zhǎng)有關(guān)的結(jié)果，它們將偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榕c波長(zhǎng)有關(guān)的不同偏振狀態(tài)P1(λ)和P2(λ)。
6．如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于偏振編碼光學(xué)元件(11、12)各為另外的雙光束干涉儀。
7．如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于偏振編碼光元件(11、12)是在所用波長(zhǎng)范圍內(nèi)透明的各向異性塑料或玻璃板。
8．如權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的干涉儀，其特征在于P1/20、P1/2(λ)和Pdet是由偏振片(8)、分析儀(9)相對(duì)位置和隨偏振變化的光學(xué)元件(11、12)的選取和對(duì)準(zhǔn)而選擇的，以致附加相位差γ(λ)補(bǔ)償具有固定光程差的Δ(l·n)的干涉儀相位Δφ=2nΔ(l·n)λ,]]>由此使干涉儀的輸出強(qiáng)度在基本波長(zhǎng)λ0附近波長(zhǎng)范圍Δλ內(nèi)接近于與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即對(duì)光源中的光譜波動(dòng)不敏感。
9．如權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的干涉儀，其特征在于P1/20、P1/2(λ)和Pdet是由偏振片(8)、分析儀(9)相對(duì)位置和隨偏振變化的光學(xué)元件(11、12)的選取和對(duì)準(zhǔn)而選擇的，以致附加相位差γ(λ)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過干涉儀相位Δφ=2nΔ(l·n)λ,]]>由此改變整個(gè)干涉儀相位Δφ+γ(λ)使在基本波長(zhǎng)λ0附近波長(zhǎng)范圍Δλ內(nèi)增大干涉儀輸出信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。
10．如權(quán)利要求8或9所述的干涉儀，其特征在于通過改變偏振片的位置，即偏振狀態(tài)P1/20、和/或通過改變分析儀的位置，即檢測(cè)偏振Pdet、和/或通過調(diào)節(jié)、傾斜、和/或改變厚度和/或改變一個(gè)或兩個(gè)干涉儀臂中延遲板的取向，即改變P1/2(λ)，能夠改變光譜工作區(qū)λ0、裝置的Δλ。
11．如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的干涉儀，其特征在于位于干涉儀輸出端的分析儀(9)是旋轉(zhuǎn)偏振分束器。
12．一種利用如權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)所述干涉儀的方法，其特征在于通過以下步驟來(lái)補(bǔ)償在基本波長(zhǎng)λ0附近的范圍內(nèi)輸出強(qiáng)度對(duì)色散或波長(zhǎng)的依賴性，即在λ0附近光譜波長(zhǎng)波動(dòng)期間干涉儀輸出信號(hào)的穩(wěn)定化和因此增大干涉儀對(duì)臂長(zhǎng)度差Δl偏差的靈敏度a)產(chǎn)生進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的限定輸出偏振P1/20，這里，可以P10≠P20；b)用與波長(zhǎng)有關(guān)的偏振P1(λ)或P2(λ)對(duì)部分電磁波的各個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼；c)對(duì)限定偏振Pdet的檢測(cè)；d)相互調(diào)節(jié)偏振量P1/20、P1/2(λ)和Pdet，以致下式應(yīng)用于在λ0范圍內(nèi)的波長(zhǎng)λ上γ(λ)=-12Ω(Pdet,P1(λ),P2(λ))≈d+2πΔlnλ20(λ-λ0)]]>或dΩdλ(λ0)=≈-4πΔlnλ20]]>式中d是常數(shù)，Ω(Pdet,P1(λ),P2(λ))當(dāng)代表Poincare單位球上的偏振量時(shí)是指由點(diǎn)Pdet,P1(λ),P2(λ)為固定λ而限定的球面三角的面積。
13．一種利用如權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)所述干涉儀的方法，其特征在于通過以下步驟在基本波長(zhǎng)λ0附近的范圍內(nèi)增大干涉儀的光譜分辨率a)產(chǎn)生進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的限定輸出偏振P1/20，這里，可以P10≠P20；b)用與波長(zhǎng)有關(guān)的偏振P1(λ)或P2(λ)對(duì)部分電磁波的各個(gè)光譜分量進(jìn)行編碼；c)對(duì)限定偏振Pdel的檢測(cè)；d)相互調(diào)節(jié)偏振量P1/20、P1/2(λ)和Pdet，以致Δφ<<12Ω(Pdet,P1(λ0),P2(λ0))]]>應(yīng)用于λ0上，這里，Ω(Pdel,P1(λ0),P2(λ0))當(dāng)代表Poincare單位球上的偏振量時(shí)是指由點(diǎn)Pdet,P1(λ0),P2(λ0)限定的球面三角的面積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個(gè)雙光束電磁輻射干涉儀(1)以及補(bǔ)償色散和增大這種干涉儀光譜分辨率的方法。采用位于光路中的偏振片(8)產(chǎn)生進(jìn)入干涉儀臂中的部分電磁波的限定偏振狀態(tài)P
文檔編號(hào)G01J9/02GK1227631SQ97197058
公開日1999年9月1日 申請(qǐng)日期1997年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月5日
發(fā)明者W·杜爾茲, E·弗林斯, B·希爾斯, H·施米茨 申請(qǐng)人:德國(guó)電信股份有限公司