5.6. Оптические схемы сисамов

5.6.1 Равноплечий сисам

Многообразие схем двухлучевых интерферометров обусловило множество возможных схем построения сисамов, часть из которых описана в [26]. Сегодня нет ни одной преимущественной, устоявшейся схемы. По этой причине мы остановимся только на некоторых из них, обладающих наиболее типичными чертами и свойствами.

Модуляция излучения, проходящего через сисам, требует линейного во времени изменения разности хода между двумя пучками интерферометра. Осуществление этого путем смещения одной из решеток вдоль луча представляет собой очень сложную техническую задачу, так как при этом перемещении волновые фронты, сформированные вращающимися решетками, должны оставаться параллельными исходному своему положению с точностью до малых долей световой волны. Вместо этого изменение разности хода можно осуществить другим путем. В одно из плеч интерферометра введем толстую прозрачную плоскопараллельную пластинку. Поворачивая ее, мы можем тем самым менять оптическую длину пути одного из лучей (Рис. 5.12). Чтобы, компенсировать изменение разности хода между плечами, либо сместим решетку во втором, либо поставим еще одну пластину, как это делается в интерферометре Майкельсона. Таким образом, разность хода между плечами интерферометра останется малой. Углы поворота выбирают небольшими,

­

Рис. 5.12

так что при постоянной скорости вращения разность хода меняется практически по линейному закону. Пластинка периодически, за время, малое по сравнению с временем линейного изменения угла, возвращается в исходное состояние (рис. 5.13 а). Возможен и вариант, когда скорость поворота в одном и в другом направлении одинакова (рис. 5.13 б).

а	Б
Рис. 5.13

«Построенный» нами сисам (скорее, правда, построенный Конном) по рассмотренной простейшей схеме интерферометра Майкельсона обладает плохой механической стабильностью. При сканировании спектра трудно сохранить параллельность плоскостей и штрихов решеток друг другу, из-за вибрации и изменения температуры прибор легко разъюстируется. Один из возможных способов уменьшения влияния этих дефектов — установка двух решеток на общем столике (рис. 5.14). Однако устойчивость к вибрациям у такого прибора будет все-таки плохая.

Рис. 5.14

Наилучшими параметрами в этом смысле обладают двухлучевые интерферометры, в которых используется схема с обратно-круговым ходом лучей. В таком интерферометре оба пучка проходят по одному и тому же пути, и все изменения длины пути, возникающие на каком-либо участке интерферометра, одинаковым образом сказываются на обоих лучах. По схеме с обратно-круговым ходом построен сисам СП-101, описанный в работе [27], его схема дана на рис. 5.15. Излучение от источника, пройдя входную диафрагму 1 и отразившись от

Рис. 5.15

плоского зеркала 2, попадает на входной коллиматор 3. Собственно интерферометр образован полупрозрачным зеркалом 4, дифракционными решетками 5, 5’, а также вспомогательным зеркалом 6. Введение этого зеркала позволяет вращать обе решетки при сканировании спектра в одном направлении. С этой целью разработчиками был создан уникальный по точности узел вращения решеток. Модуляция светового потока осуществляется при повороте плоскопараллельной пластины 8 вокруг оси, лежащей в плоскости рисунка. Дополнительная пластина 7 служит для компенсации постоянной разности хода между двумя половинами интерферометра, возникающей при введении пластины 8. Выходная часть прибора — 3’, 9, 10 — построена по схеме, аналогичной входной.

С решетками 600 штр/мм, имеющими площадь заштрихованной части 110х100  мм², при работе в третьем порядке дифракции была получена разрешающая сила, близкая к теоретической ~400000. Рабочая область прибора 500-25000 см^-1 (20 — 0,4 мкм). Без дополнительной настройки возможно было сканирование области спектра ~300 см^-1. Как по ширине области сканирования, так и по стабильности интерференционной картины сисам СП-101 на два порядка превосходил прибор Конна.

Так же, как и сисам Конна, интерферометр работает при малых разностях хода между пучками, однако, интерференционная картина имеет существенные отличия. В сисаме Конна при точной настройке на заданную длину волны волновые фронты параллельны друг другу, а при наличии расстройки пересекаются, точка их пересечения находится вблизи центра зрачка (рис. 5.16 а) и линейно смещается при увеличении разности хода. Система

а	Б
Рис. 5.16

интерференционных полос, как уже было отмечено, при этом смещается как единое целое в ту или другую сторону вдоль направления дисперсии.

В обратно-круговом интерферометре, в отличие от конновского сисама, волновые фронты, при точной настройке параллельные друг другу, приобретают при небольшом отступлении от точной настройки излом в центре зрачка (рис. 5.16 б). При увеличении разности хода интерференционные полосы «рождаются» в центре и симметрично разбегаются в противоположных направлениях (либо сбегаются к центру и гаснут там). Картина интерференции симметрична (четна) относительно середины светового пучка для любой разности хода. При вычислении аппаратной функции это обстоятельство приводит к тому, что в (5.12) вместо интегрирования в пределах нам придется вычислять удвоенный интеграл в пределах . Это небольшое отличие в теоретическом описании, будучи примененным к реальной оптической системе, порождает очень важную особенность аппаратной функции.

Как видно из схемы, приведенной на рис. 5.15, между пластиной модулятора 7 и компенсатором 8 имеется зазор, т. е. непосредственно сама точка рождения полос не наблюдается, она исключена вместе с малой окрестностью конечного размера. Не прибегая к детальному анализу, рассмотрим на одном конкретном примере, к каким последствиям может привести этот эффект. Пусть идеальная интерференционная картина описывается сдвинутой по оси интенсивности на величину амплитуды колебаний косинусоидой (напомню, что в рассматриваемом интерферометре она обязательно должна быть четной) с пространственной частотой (рис. 5.17 а),

а	б
Рис. 5.17

обрежем ее функцией-прямоугольником шириной . Будем считать, что такая картина локализована на первой поверхности выходного объектива, и рассмотрим сигнал в фокусе линзы. Напоминаю, что мы наблюдаем квадрат (модуля) распределения амплитуды поля, само распределение амплитуды имеет нулевую постоянную составляющую, а пространственная его частота – в 2 раза ниже наблюдаемой, т. е. (рис. 5.17 б). Чтобы получить форму аппаратной функции достаточно проанализировать образование огибающей косинуса (рис. 5.18, а). Она является разностью прямоугольников, показанных на рис. 5.18 б и рис. 5.18 в, т. е. распределение амплитуды поля на поверхности линзы можно описать соотношением

.

()

	а
	б
	в
	г
Рис. 5.18

Аппаратная функция теперь будет разностью двух функций - широкой с малой амплитудой и узкой с большой амплитудой (рис. 5.18 г):

.

(5.17)

Внешне, изменения аппаратной функции невелики: произошло некоторое (небольшое) уменьшение амплитуды центрального максимума и увеличились отрицательные экстремумы (точнее, появился отрицательный пьедестал небольшой амплитуды). Однако одно из основных назначений сисама – это исследование спектров поглощения в ближней ИК области, т. е. работа со сплошными, почти постоянными по интенсивности спектрами тепловых источников, на фоне которых наблюдаются узкие линии поглощения. Если, модельно, представить сплошной спектр константой, то при интегрировании функции (5.1) мы получим разность двух равных по модулю величин. Сисам по обратно-круговой схеме, имеющий «черную полоску» в центре зрачка не способен зарегистрировать сплошной спектр.

Эту трудность можно преодолеть, используя тонкие особенности интерференционной картины, амплитудно-фазового спектра модуляции потока и т. п., но в показанном на рис. 5.15 варианте сисам не нашел применения для изучения спектров поглощения.