Interferómetros etalon acoplados.

Procedimiento de mejora de un interferómetro Fabry-Perot que tiene un plano (503) de la imagen y un detector óptico

(306, 408, 512) dispuesto a lo largo de un eje óptico (310, 505), comprendiendo el procedimiento las etapas de:

a) proporcionar un etalon (304, 406, 510) que tiene dos espejos paralelos parcialmente reflectantes;

b) introducir (502) luz (302) para ser particularizada en un primer punto (502') fuera del eje en el plano (503) de la imagen, y hacer pasar dicha luz (302) a través de un objetivo de colimación y al etalon (304, 406, 510), de tal modo que una parte de la luz (302) se transmite al detector (306, 408, 512) y una parte de la luz (302) se refleja a un segundo punto (308, 502'`) fuera del eje en el plano (503) de la imagen, diferente al primer punto (502') fuera del eje; y

c) detectar por lo menos una parte de la luz (302) reflejada al segundo punto (308, 502'`) fuera del eje en el plano (503) de la imagen.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2000/000610.

Solicitante: Michigan Aerospace Corporation.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1777 Highland Drive Suite B Ann Arbor, Michigan 48108-2285 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: HAYS,PAUL B.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES... > Instrumentos según se especifica en los subgrupos... > G01B9/02 (Interferómetros)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO,... > Espectrometría; Espectrofotometría; Monocromadores;... > G01J3/26 (utilizando una reflexión múltiple, p. ej. interferómetro de Fabry-Perot, filtro con interferencias variables)

PDF original: ES-2527064_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Interferómetros etalon acoplados Sector técnico de la invención

Esta invención se refiere, en general, a interferómetros y, en particular, a procedimientos y aparatos para mejorar la eficiencia de la luz representada en imagen mediante un etalon (o calibre patrón) de Fabry-Perot paralelo.

Antecedentes de la invención

El interferómetro Fabry-Perot es un dispositivo de alto rendimiento cuando se utiliza para selección de longitudes de onda como un filtro simple, pero presenta claros inconvenientes cuando se utiliza como espectrómetro. Como filtro, el dispositivo puede transmitir la mayor parte de la luz recibida. Normalmente, más del 5 por ciento de la luz entrante colimada puede ser transmitida al siguiente elemento óptico.

Sin embargo, cuando se crea un espectro utilizando la selección angular de longitudes de onda del dispositivo, una gran cantidad de la luz entrante se pierde por reflexión. Esto se debe al hecho de que la selección de longitudes de onda se obtiene reflejando hacia atrás, fuera del sistema, la luz de otras partes del espectro.

En un espectro amplio, la cantidad de luz transmitida al detector está proporcionada por la expresión

t=LlE 1 +R

que es la misma que en un conjunto de dos espejos incoherentes de reflectividad R en serie. Esto constituye un problema importante cuando la cantidad de luz disponible está limitada por una fuente discontinua. Por ejemplo, cuando R=.9, que es un valor típico para alta resolución, la energía transmitida es solamente el 5,3 por ciento de la energía disponible. El resto de la luz se refleja saliendo fuera del sistema.

La patente U.S.A. número 5.666.195, de Shultz y otros, titulada "EFFICIENT FIBER COUPLING OF LIGHT TO INTERFEROMETRIC INSTRUMENTATION" (acoplamiento eficiente de fibras ópticas para instrumentación interferométrica), admite que se puede utilizar el reciclaje de la luz en ciertos casos. Más particularmente, la patente 5.666.195 da a conocer un procedimiento para el redireccionamiento de la luz a efectos de mejorar la eficiencia de la transmisión de los interferómetros de cuña, situando fibras ópticas para dirigir la luz reflejada a posiciones que permiten una transmisión iterada de la luz desperdiciada en otro caso.

La descripción de la patente 5.666.195 se limita estrictamente a etalones de cuña separada, o etalones de Fizeau, en los que los espejos internos del dispositivo no son paralelos entre sí. Tal como se describe en la patente 5.666.195, "en el caso del etalon de espejos paralelos... la luz incidente es divergente, de manera que la luz reflejada sigue divergiendo y no se puede volver a utilizar. Sin embargo, el etalon de cuña... se ilumina con luz colimada, de tal modo que la luz reflejada permanece colimada pero sin embargo tampoco se utiliza".

Por lo tanto, aunque Shultz y otros admiten que la luz no utilizada se puede reciclar en un interferómetro de cuña separada, no admiten que la luz reflejada puede ser reutilizada en un etalon Fabry-Perot, que es un interferómetro del tipo que tiene superficies reflectantes paralelas, tal como se muestra en la figura 1A de la patente 5.666.195. Por lo tanto, se siguen necesitando aparatos y procedimientos con los que se pueda mejorar la eficiencia de interferómetros no separados por una cuña sacando partido de la luz reflejada que, de lo contrario, se desperdiciaría.

Características de la invención

Esta invención se basa en procedimientos y aparatos para mejorar la eficiencia y la aplicabilidad de interferómetros Fabry-Perot, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas 1 y 14. En dichos dispositivos, la luz introducida en un primer punto fuera del eje del plano de la imagen es transmitida parcialmente a través del interferómetro hasta el detector, y es reflejada parcialmente a un segundo punto fuera del eje en el plano de la imagen. En sentido amplio, la invención reutiliza la luz reflejada al segundo punto fuera del eje, en lugar de desecharla.

Según una realización preferente, la luz reflejada es guiada a un tercer punto fuera del eje en el plano de la imagen para su retransmisión hacia atrás a través del interferómetro, hasta un punto diferente sobre el detector. Para aumentar adicionalmente la sensibilidad se utilizan una serie de fibras ópticas, cada una de las cuales tiene un extremo para recibir luz en un punto fuera del eje, del plano de la imagen, y otro extremo para redirigir la luz hacia atrás a través del etalon desde un punto diferente, fuera del eje, del plano de la imagen.

Según una realización alternativa, la luz reflejada se guía a un segundo detector, que puede formar parte de un segundo ¡nterferómetro. Como una alternativa adicional, se puede utilizar un espejo u otro elemento reflectante para redirigir la luz hacia atrás, al mismo punto sobre el detector. En cada caso, la coherencia angular de la luz es aleatorlzada preferentemente, antes de la detección posterior. Se utiliza, preferentemente, una fibra óptica multlmodo para transportar la luz redirigida, que actúa convenientemente para aleatorlzar la coherencia angular de la luz mientras está siendo reencaminada.

Breve descripción de los dibulos

La figura 1 (un dispositivo no cubierto por las reivindicaciones) es un dibujo que muestra cómo se refleja la luz desde un etalon Fabry-Perot en el lado opuesto del eje óptico, tal como en el caso de un espejo convencional;

la figura 2 muestra la luz entrante procedente de una fuente monocromática, el espectro angular transmitido y el espectro angular reflejado, donde, en cada caso, se representa el brillo en función del ángulo sólido;

la figura 3 muestra una primera realización de la Invención, en la que la luz reflejada mediante un ¡nterferómetro Fabry-Perot es encaminada a un detector secundario;

la figura 4 es una realización alternativa de la Invención, en la que la luz reflejada por un etalon de alta resolución se acopla a un etalon de baja resolución;

la figura 5 es un dibujo que muestra cómo se pueden utilizar fibras ópticas para reciclar luz en un etalon Fabry-Perot;

la figura 6 es un grupo de gráficos que muestran una progresión de la luz reciclada por la fibra, según la invención;

la figura 7A es un dibujo que muestra cómo se pueden utilizar fibras de reciclado junto con un espejo, para proporcionar una función de reciclado hacia atrás;

la figura 7B es un dibujo que muestra cómo se pueden utilizar una serie de sistemas de ¡nterferómetro con un espejo retrorreflectante; y

la figura 8 (un dispositivo no cubierto por las reivindicaciones) muestra cómo se pueden agrupar entre si etalones de resoluciones diferentes para formar un ¡nterferómetro de múltiples etalones utilizando fibras ópticas u otros conductos de transporte de luz.

Descripción detallada de la invención

Esta invención se basa en procedimientos y aparatos para mejorar la eficiencia y la utilidad de los ¡nterferómetros Fabry-Perot. En sentido amplio, y en términos generales, la invención admite, por lo menos, dos técnicas que mejoran las configuraciones existentes. De acuerdo con un primer enfoque, la luz rechazada se refleja a un ¡nterferómetro independiente, detector u otro aparato que funciona para observar un espectro deseado, como complemento al espectro transmitido. De acuerdo con un enfoque alternativo, la luz reflejada se hace volver hacia atrás al mismo etalon y a través de éste, en una zona diferente de ángulo sólido, para aumentar la señal en el detector principal.

Estas dos técnicas no son iguales en sus posibilidades para aumentar la señal al detector. En teoría, la primera opción puede aumentar la señal en un factor de dos, pero a menudo no consigue dicha mejora dado que normalmente existe una considerable... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de mejora de un interferómetro Fabry-Perot que tiene un plano (53) de la imagen y un detector óptico (36, 48, 512) dispuesto a lo largo de un eje óptico (31, 55), comprendiendo el procedimiento las etapas de:

a) proporcionar un etalon (34, 46, 51) que tiene dos espejos paralelos parcialmente reflectantes;

b) Introducir (52) luz (32) para ser particularizada en un primer punto (52) fuera del eje en el plano (53) de la imagen, y hacer pasar dicha luz (32) a través de un objetivo de colimación y al etalon (34, 46, 51), de tal modo que una parte de la luz (32) se transmite al detector (36, 48, 512) y una parte de la luz (32) se refleja a un segundo punto (38, 52") fuera del eje en el plano (53) de la imagen, diferente al primer punto (52) fuera del eje;

y

c) detectar por lo menos una parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52") fuera del eje en el plano (53) de la imagen.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la etapa de detectar por lo menos una parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52") fuera del eje incluye además la etapa de:

guiar (54, 56) la luz (32) a un tercer punto (54) fuera del eje en el plano (53) de la imagen para su retransmisión hacia atrás a través del etalon (34, 46, 51), al detector (36, 48, 512).

3. Procedimiento, según la reivindicación 2, que Incluye además la etapa de:

aleatorizar la coherencia angular de la luz (32) antes de alcanzar el tercer punto (54) fuera del eje.

4. Procedimiento, según la reivindicación 3, que Incluye además la etapa de:

dirigir la luz (32) a través de una fibra óptica (54, 56) para aleatorizar la coherencia angular de la luz (32).

5. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la etapa de detectar por lo menos una parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52") fuera del eje Incluye además la etapa de:

reflejar (72) la luz (32) hacia atrás a través del etalon (34, 46, 51), al detector (36, 48, 512, 32, 41).

6. Procedimiento, según la reivindicación 5, que Incluye además la etapa de: aleatorizar la coherencia angular de la luz (32) antes de alcanzar el detector (512).

7. Procedimiento, según la reivindicación 6, que Incluye además la etapa de:

dirigir la luz (32) a través de una fibra óptica (54, 56) para aleatorizar la coherencia angular de la luz (32).

8. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la etapa de detectar por lo menos una parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52") fuera del eje incluye además la etapa de:

encaminar la luz (32) a un segundo detector (32, 41).

9. Procedimiento, según la reivindicación 8, que Incluye además la etapa de:

aleatorizar la coherencia angular de la luz (32) antes de alcanzar el segundo detector (32, 41).

1. Procedimiento, según la reivindicación 9, que Incluye además la etapa de:

dirigir la luz (32) a través de una fibra óptica (72) para aleatorizar la coherencia angular de la luz (32).

11. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la etapa de detectar por lo menos una parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52") fuera del eje en el plano (53) de la imagen, comprende las etapas de:

d) encaminar la luz reflejada (32) hacia atrás a través del interferómetro (34, 46, 51), de tal modo que una parte de la luz (32) se transmite al detector (36, 48, 512) y una parte de la luz (32) se refleja a otro punto (52", 54") fuera del eje en el plano (53) de la Imagen; y

e) repetir la etapa d) hasta que se consiga un nivel deseado de mejora de la eficiencia.

12. Procedimiento, según la reivindicación 11, que incluye además la etapa de:

aleatorizar la coherencia angular de la luz (32) antes de encaminar la luz reflejada (32) hacia atrás a través del ¡nterferómetro.

13. Procedimiento, según la reivindicación 12, que incluye además la etapa de dirigir la luz (32) a través de una fibra óptica (54, 56) para aleatorizar la coherencia angular de la luz (32).

14. Interferómetro, que comprende:

un etalon Fabry-Perot (34, 46, 51) dispuesto a lo largo de un eje óptico (31, 55) entre un plano (53) de la imagen y un detector (36, 48, 512), incluyendo el etalon (34, 46, 51) dos espejos paralelos parcialmente reflectantes (11);

un objetivo de colimación entre el plano (53) de la imagen y el etalon Fabry-Perot (34, 46, 51);

una fuente de luz (32) que sigue una primera trayectoria óptica desde un primer punto (52) fuera del eje en el plano (53) de la imagen, tal que una primera parte de la luz (32) circula a través del etalon (34, 46, 51) e incide sobre una primera área del detector (36, 48, 512), y una segunda parte de la luz (32) se refleja a un segundo punto (38, 52", 54") fuera del eje en el plano (53) de la imagen, diferente al primer punto (52) fuera del eje; y

medios (36, 312, 322, 324, 32, 42, 48, 41, 54, 56, 512, 72) para detectar, por lo menos, una parte de la segunda parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52", 54") fuera del eje en el plano (53) de la imagen.

15. Interferómetro, según la reivindicación 14, en el que los medios (54, 56, 512, 72) para detectar la luz (32) reflejada por el etalon (34, 46, 51) en un segundo punto (38, 52") fuera del eje del plano (53) de la imagen incluyen además:

una fibra óptica (54, 56) con un extremo soportado en el segundo punto (38, 52") fuera del eje del plano (53) de la imagen, y el otro extremo soportado en un tercer punto (54) fuera del eje del plano (53) de la imagen, siendo operativa la fibra óptica (54, 56) para redirigir la luz reflejada (32) hacia atrás a través del etalon (34, 46, 51) hasta el detector (512).

16. Interferómetro, según la reivindicación 15, en el que la fibra óptica (54, 56) es una fibra multimodo.

17. Interferómetro, según la reivindicación 15, que incluye una serie de fibras ópticas (54, 56), que tienen cada una un extremo para recibir luz (32) en un punto (52", 54") fuera del eje del plano (53) de la imagen, y otro extremo para redirigir la luz (32) hacia atrás a través del etalon (34, 46, 51) desde un punto fuera del eje diferente (54, 56) del plano (53) de la imagen.

18. Interferómetro, según la reivindicación 14, en el que los medios (54, 56, 512, 72) para detectar la luz (32) reflejada por el etalon (34, 46, 51) en un segundo punto (38, 592") fuera del eje del plano (53) de la imagen incluyen además:

una fibra óptica (72) que tiene un extremo soportado en el segundo punto (38, 52") fuera del eje del plano (53) de la imagen y entregando el otro extremo la luz (32) a un segundo detector.

19. Interferómetro, según la reivindicación 14, en el que los medios (54, 56, 512, 72) para detectar la luz (32) reflejada por el etalon (34, 46, 51) en un segundo punto (52") fuera del eje del plano (53) de la imagen incluyen además:

una fibra óptica (72) que tiene un extremo soportado en el segundo punto (52") fuera del eje del plano (53) de la imagen; y

un espejo soportado en el otro extremo de la fibra (72), siendo operativos el espejo y la fibra (72) para redirigir la luz reflejada (32) hacia atrás a través del etalon (51) hasta el detector (512).

2. Interferómetro, según la reivindicación 14, en el que los medios (36, 312, 322, 324, 32, 42, 48, 41, 54, 56, 512, 72) adaptados para detectar por lo menos dicha parte de la segunda parte de la luz (32) reflejada al segundo punto (38, 52", 54") fuera del eje del plano (53) de la imagen comprenden:

un elemento óptico (312, 322, 324, 54, 56, 72) operativo para guiar la luz reflejada (32) a lo largo de una segunda trayectoria óptica hasta una segunda área del detector (36, 32, 48, 512).

21. Interferómetro, según la reivindicación 2, en el que la primera y la segunda áreas forman parte del mismo detector (36, 48, 512).

22. Interferómetro, según la reivindicación 2, en el que el elemento óptico es una fibra óptica (54, 56, 12) operativa para guiar la luz reflejada (32) a un tercer punto (54, 56) fuera del eje del plano (53) de la imagen para la retransmisión hacia atrás a través del etalon (34, 46, 51).

23. Interferómetro, según la reivindicación 22, en el que la fibra óptica (54, 56, 72) es operativa para aleatorizar la coherencia angular.

24. Interferómetro, según la reivindicación 22, en el que el primer (52) y el tercer (54, 56) puntos fuera del eje son adyacentes entre sí en el plano (53) de la imagen.

25. Interferómetro, según la reivindicación 22, que incluye además un espejo para reflejar la luz (32) en el tercer punto fuera del eje hacia atrás a través del etalon (34, 46, 51) y sobre la primera área del detector (36, 48, 512).

26. Interferómetro, según la reivindicación 25, que incluye además una fibra óptica para transportar la luz (32) hacia, y desde el espejo.

27. Interferómetro, según la reivindicación 2, que incluye además una fibra óptica (52) para transportar la luz (32) a lo largo de la primera trayectoria óptica.

28. Interferómetro, según la reivindicación 2, que incluye además un segundo etalon (42) dispuesto en la segunda trayectoria óptica.

29. Interferómetro, según la reivindicación 2, que incluye además una fibra óptica (54, 56) para transportar la luz (32) a lo largo de la segunda trayectoria óptica.

3. Interferómetro, según la reivindicación 2, en el que:

la segunda área forma parte de un segundo detector (32, 41); y

se utiliza una fibra óptica (72) para transportar la luz reflejada (32) al segundo detector.