Многолучевой трехзеркальный интерферометр Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.787

Д.С. Михайлова, Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков СГГА, Новосибирск

МНОГОЛУЧЕВОЙ ТРЕХЗЕРКАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

В настоящем сообщении рассматриваются основы конструирования и функционирования многолучевого трёхзеркального интерферометра. Интерферометр представляет собой прямоугольную призму, гипотенузная грань которой является зеркалом полного внутреннего отражения, а катеты покрыты полупрозрачным зеркальным слоем. Показано, что многократное отражение от гипотенузной грани увеличивает чувствительность интерферометра. Такое устройство можно использовать в качестве НПВО-сенсора при исследовании состава газовых сред.

D.S. Mikhaylova, D. V Chesnokov, V.V. Chesnokov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

TRIPLE-MIRROR MULTIPLE-BEAM INTERFEROMETER

The basics of designing and functioning of triple-mirror multiple-beam interferometer are presented in this article. The interferometer consist of a rectangular prism, whose hypotenuse facet is a mirror of total internal reflection, and whose legs are semitransparent mirrors. The multiple light reflecting from hypotenuse facet are rising sensitivity of interferometer. This device may be used as a BTIR-sensor for gaseous media composition analysis.

Широко известно использование призменных элементов нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) для оптического анализа состава различных сред [1]. В таких анализаторах на гипотенузной поверхности призмы световой пучок, входящий и выходящий из призмы через её катетные грани, испытывает полное внутреннее отражение, и его электромагнитное поле туннелирует в окружающую среду на расстояние порядка длины волны света. Взаимодействие света со средой в области туннелирования приводит к его частичному поглощению или изменению фазы световых колебаний, вышедшее из призмы излучение несёт информацию о составе среды. Чувствительность таких устройств ограничена в связи с малой длиной области взаимодействия излучения со средой.

В настоящем сообщении рассматривается близкий по конструкции к рассмотренному выше призменный элемент НПВО, в котором используется многолучевая интерференция, возникающая вследствие отражений света от

зеркальных покрытий катетных граней призмы и полного внутреннего отражения от гипотенузной грани.

На рис. 1 схематически показано устройство многолучевого

трёхзеркального интерферометра в виде прозрачной прямоугольной

равнобедренной призмы; основанием призмы является прямоугольный равнобедренный треугольник. Здесь 1 - прямоугольная трёхгранная

равнобедренная прозрачная призма, 2 - катетные грани, 3 - полупрозрачные зеркала, 4 - гипотенузная грань, 5 - входящие лучи, 6 - прошедшие лучи, а -размер катетной грани призмы, 7 - выходная грань.

Рис. 1. Ход лучей в трёхзеркальном многолучевом интерферометре

Рассмотрим оптические процессы, происходящие в интерферометре. Излучение 5 падает на полупрозрачное зеркало 3 входной грани 2, прошедшая часть излучения (показано стрелками ) отражается от гипотенузной грани 4; угол падения излучения на гипотенузную грань должен быть приблизительно п /4, это обусловлено геометрией призмы. Для полного внутреннего отражения излучения от гипотенузной грани необходимо следующее значение показателя преломления п призмы :

n> . /' ^. (1)

sin {ж / 4)

Здесь n0 - показатель преломления среды, окружающей призму.

Отражённое от гипотенузной грани излучение попадает на полупрозрачное зеркало 3 на выходной грани 7, частично отражается назад, повторяя свою траекторию, и так далее; излучение внутри призмы многократно отражается от зеркал и гипотенузной грани. Вышедшее из выходной грани излучение 6 образуется множеством интерферирующих между собой лучей. Максимум интенсивности интерферирующих лучей достигается, когда длина nL

Л

оптического пути между зеркалами на катетных гранях равна целому числу — полуволн излучения [2]:

nL = m Л, m = 1,2,3.... (2)

Из геометрии призмы следует, что L = a /cos р, где р - угол преломления луча на входной грани призмы. Учитывая закон преломления n0 sin« = п sin р, где

а - угол падения луча на входную грань из окружающей среды, и считая среду воздухом, получим:

Ь к а /

(3)

справедливое при малых а . Для длины волны излучения, соответствующей максимуму интерференции, можно найти, используя (2) и (3), формулу:

2пЬ 2па

^т = к /

т т

( с,:„2 Л

(4)

Из последней формулы видна возможность перестройки интерферометра по длинам волн путём изменения угла падения.

Интерферометр позволяет проводить анализ газовых сред путём анализа адсорбированного из газа на гипотенузную поверхность мономолекулярного слоя вещества. Каждый луч светового потока отражается от поверхности с полным внутренним отражением многократно. В теории резонаторов Фабри -Перо число отражений от зеркал характеризуется «эффективным числом отражений» КЭФФ, равным примерно 30 - 100. В такое же число раз возрастает чувствительность анализаторов адсорбционного слоя с использованием взамен рефрактометрических датчиков НПВО многолучевого трёхзеркального интерферометра.

Многолучевой трёхзеркальный интерферометр найдёт применение в оптике при создании интерференционных приборов различного назначения -для спектроскопии, при обработке оптической информации, в качестве сенсорных устройств различных датчиков и анализаторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Харрик, Н. Спектроскопия внутреннего отражения / Н. Харрик. - М.: Изд. Мир, 1970. - 336 с.

2. Скоков, И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике / И.В. Скоков. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

© Д.С. Михайлова, Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков, 2011