JP3901737B2 - 分散に対して補正するための干渉計および方法および／またはこのタイプの干渉計のスペクトル分解能を増加させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、分散に対して補正するための方法以外に、請求項１の形式のコンセプトに従って記述されているタイプの干渉計および、請求項１２および請求項１３に説明されているようなこのタイプの干渉計のスペクトル分解能を増加させるための方法に関する。
電磁放射に対する干渉計の背後にある測定の原理は、２つのコヒーレントな部分電磁波Ψ₁およびΨ₂の間の干渉に基づいており、Ψ₁およびΨ₂は互いに定義された位相関係、すなわち、同じ波長λを有し、そしてその上に固定の位相差Δψ（時間的に一定である）が重畳されている。その重畳された波の強度I_detが検出される。I_detはａ＋ｃｏｓ（Δψ）に比例している。但し、ａは定数である。ｘ軸に沿っての電界ベクトルなどの同一の偏光成分だけが常に互いに干渉する。
２ビームの干渉計において、放射源からの放射が、相対的な位相差が０である２つのビーム・コンポーネントに分割され、各ビーム・コンポーネントが１つの干渉計アームに対して供給される。干渉計アームは異なる光学的径路の長さを有し得て、部分波がその干渉計を通過した後に０に等しくない位相差を部分波に重畳する可能性がある。２ビームの干渉計において、２つの干渉計アームの間のΔｌｎの光学的径路長の差がある場合、その部分波間の位相差は、Δψ＝２π（Δｌｎ／λ）である。ｌは実際の径路長であり、ｎはその媒体の屈折率である。この干渉計の位相Δψは波長λおよびΔｌｎに依存し、したがって、１つの量が分かっている場合、他の量を正確に測定するために使うことができる。
干渉計は、たとえば、ゲージ・ブロックなどの物体の長さを測定するため、屈折率を測定するため、または分光器を使用する際に使われる。
長さの測定、すなわち、光学的径路長の差Δｌｎにおける変動の測定は波長の変動によって乱される。というのは、波長の変動によってΔｌｎが同じままである場合においても、干渉計の出力信号I_detにおける変動が発生するからである。この欠点を救済するためにＹ．トロイツキ（Troitski）のApplied Optics ３４ ４４７１７（１９９５）の中の論文は干渉計のミラーに対して蒸気をあてることによって出力信号の波長依存性をほぼ補償する分散のない干渉計を提案している。その方法の欠点は、蒸気をミラーに吹き付けることによって高価になり、柔軟性がなくなることである。基本波長λ₀の固定範囲で、干渉計の出力信号が放射源の波長λにほぼ無関係になる波長の範囲は蒸気の適用後の調整によって基本波長λ₀に対して設定されており、たとえば、放射源を変えた後の実際の状態に対して調整することができない。さらなる欠点はその動作領域が狭いことであり、それは分散の補正が基本波長λ₀の回りの比較的広い帯域Δλに対しては使えないことを意味する。
分光学的な研究のために使われる干渉計の１つの欠点は、その出力信号が波長だけでなく、たとえば、測定装置における振動によって生じる干渉計アームの径路長差における変動に対する感度が大きいことである。これは分光学的測定の結果の誤差が大きくなることにつながる。
本発明の目的は調整可能な基本波長λ₀の回りの広い波長範囲Δλにおいて出力信号の波長依存性を補償し、同時に干渉計アームの長さにおける変動に対する高い感度を維持している電磁放射のための干渉計を提供することである。また、その目的は同等程度のアーム長の従来の２ビームの干渉計に比べてスペクトル分解能が高く、それによって干渉計アームの長さにおける変動に対して出力信号を安定化させる干渉計を提供することである。
この目的は少なくとも２つの干渉計アームおよび１つのビーム・スプリッタから構成されている。電磁放射に対する干渉計によって達成され、電磁放射源からの光はビーム・スプリッタによって２つのビーム・コンポーネントに分光され、２つの干渉計アームのそれぞれに対して供給され、ふたたびビーム・コンポーネントがその干渉計アームを通過した後に、同じビーム・スプリッタまたは別のビーム・スプリッタがそのビーム・コンポーネントに位相差Δψ＝２π（Δｌｎ／λ）を重畳させ、これはその干渉計アームの内部の光学的径路長差Δｌｎによって変わり、その重畳される波の強度が以下の構成要素を特徴とする検出器によって測定される。
ａ）少なくとも１つの偏光子が光学的径路の中に提供され、それは干渉計アームに入って来る部分電磁波の定義された偏光状態P_1/2 ⁰を確立する光学的径路の中に設けられ、ここで、偏光状態は波長とは無関係であり、２つのビーム・コンポーネントに対して異なっている可能性がある。
ｂ）少なくとも１つの光学的要素が、少なくとも１つの干渉計アームの中に設けられ、その光学的要素は波長λの関数として部分電磁波の偏光状態P_1/2 ⁰を変化させる。すなわち、各スペクトル成分λ_iは偏光P_1/2（λ_i）によって符号化され、部分電磁波が偏光状態P₁（λ）またはP₂（λ）となるようにする。ポアンカレの球上で示される領域P₁（λ）およびP₂（λ）は互いに少なくとも部分的に異なっている。
ｃ）干渉計の出力に配置される分析器が調整可能な偏光状態P_detを送信し、それによって各スペクトル成分λ_iに対してプロジェクションP_det（P_1/2（λ））を形成し、スペクトル成分の部分波間の追加の波長依存性の位相差γ（λ）を生じさせる。但し、γはP_1/2（λ）およびP_detの関数である。
本発明の目的を達成する際の別の重要のファクターは基本波長λ₀の回りの範囲内で出力強度の分散または波長依存性、すなわち、λ₀の回りのスペクトル波長変動時の干渉計の出力信号の安定化および、それに従ってアームの長さの差Δｌにおける変動に対して干渉計の感度の増加が以下のステップによって補償されることを特徴とする、このタイプの干渉計の使用方法である。
ａ）干渉計アームに入って来る部分電磁波の定義された波長独立の出力偏光P_1/2 ⁰（ここで、P₁ ⁰≠P₂ ⁰が可能である）の生成。
ｂ）波長依存性の偏光P₁（λ）またはP₂（λ）を持つ部分電磁波の個々のスペクトル成分の符号化。
ｃ）定義された偏光P_detの検出。
ｄ）偏光量P_1/2 ⁰、P_1/2（λ）、およびP_detを相互に調整し、λ₀の領域内での波長λに対して以下の式が当てはまるようにする。

または

ここで、ｄは定数であり、Ω（P_detP₁（λ）、P₂（λ））は、偏光量をポアンカレの単位球で表すときの点P_det、P₁（λ）、およびP₂（λ）による固定のλに対して定義されている球上の三角形の面積である。
本発明の目的を達成する際の別の重要なファクターは、干渉計のスペクトル分解能が基本波長λ₀の回りの範囲内で以下のステップによって増加されることを特徴とする、このタイプの干渉計を使う方法である。
ａ）干渉計アームに入って来る部分電磁波の定義された波長独立の出力偏光P_1/2 ⁰（ここで、P₁ ⁰≠P₂ ⁰が可能である）の生成。
ｂ）波長依存性の偏光P₁（λ）またはP₂（λ）を持つ部分電磁波の個々のスペクトル成分の符号化。
ｃ）定義された偏光P_detの検出。
ｄ）偏光量P_1/2 ⁰、P_1/2（λ）、およびP_detを互いにに調整し、Δψ（λ₀）≪−１／２Ω（P_det、P₁（λ₀）、P₂（λ₀））がλ₀に当てはまり、ここで、Ω（P_det、P₁（λ₀）、P₂（λ₀））が偏光量をポアンカレの単位球上で表すときに点P_det、P₁（λ₀）、およびP₂（λ₀）によって定義される球上の三角形の面積であるような調整のステップである。
この干渉計の他の有利な実施例が請求項２〜請求項１０の中で特徴付けられている。
本発明による干渉計および本発明の干渉計によって実行できる方法は以下のコンセプトに基づいている。
この干渉計の出力信号を決定する２つの部分波間の干渉計の中で誘起される位相差Δψは、波長λおよびアーム長の差Δｌｎの関数であり、以下のように表される。
Δψ（λ、Δｌｎ）＝２π（Δｌｎ／λ）
波長の関数として、すなわち、波長λが基本波長λ₀から僅かに偏位した場合、径路長が一定のままであれば、位相差を以下のように展開することができる。

しかし、長さを測定するとき、光学的径路長の差Δｌｎだけに依存し、λまたは（λ−λ₀）には依存しない位相差が望ましい。特に、その位相差は一定の径路長差について一定のままであることが必要である。その位相差に対して追加の波長依存性の項γ（λ）を加えようとする場合、ここで、γ（λ）のフォーマットは以下の通りであり、

２つのビーム・コンポーネント間の総合の位相差Δψ（λ）＋γ（λ）は第１近似において波長に無関係である。したがって、検出された信号は放射源の波長λが基本波長λ₀から偏位したときに変動しない。したがって、出力信号は光学的径路に完全に依存したままになる。γ（λ）は波長と共に増加する屈折率により特徴付けられる不規則な分散項を表す。
追加の位相γ（λ）は以下のように導入される。先ず最初に、干渉計アームに入って来る部分波Ψ₁およびΨ₂の波長独立の偏光状態P_1/2 ⁰が確立される。これは放射源の背後に置かれている偏光子によって、あるいは干渉計アームの入口に置かれた偏光ビーム・スプリッタによって、あるいはその両方の組み合わせによって実現することができる。また、レーザなどの、定義された偏光状態の光を発生する放射源を使うことも可能である。この場合、他の偏光要素は不要である。重要なことは偏光P_1/2 ⁰が波長に無関係であることである。
伝送される光の偏光状態をその波長の関数として変化させる偏光要素が、その干渉計の２つのアームのうちの少なくとも１つの中に配置される。したがって、それらはその干渉計アームによって変わる偏光P₁（λ）またはP₂（λ）によって、波長λの各スペクトル成分を符号化する。これらの偏光符号化の光学的要素は水晶プレートなどの二重屈折、光学的にアクティブな、あるいは楕円的二重屈折プレートである。また、偏光の符号化のために２つの追加の２ビーム干渉計を使うこともできる。
偏光量P₁（λ）およびP₂（λ）は基本波長λ₀の範囲内の或る波長λに対して同一であってはならない。偏光量をポアンカレの球上で正規化されたストークス（Stokes）のベクトルとして表す場合、これは領域P₁（λ）およびP₂（λ）が少なくとも部分的に重ならないことを意味する。以下の４成分のベクトルがストークスのベクトルとして定義される。
Ｐ＝（Ｉ，Ｍ，Ｃ，Ｓ）
ここで、Ｉ、Ｍ、Ｃ、Ｓは以下のように表される。

但し、Ｉは電界ベクトル「Ｅ」の「ｅ」の方向において進行している電磁波の総合強度であり；Ｍは偏光の楕円性の程度を表し；ＣおよびＳはそれぞれ＋４５°〜−４５°のプログレッション、すなわち、右回転から左回転への偏光された光のプログレッションを示す。偏光された光では以下の式が成立する。
I²＝M²＋C²＋S²
すなわち、すべてのストークスのベクトルは半径Ｉの同じ球、すなわち、ポアンカレの球上にある。強度が正規化された場合、この球の半径は１である。強度は、その点が偏光量を表すためだけの場合は考慮される必要はない。たとえば、ストークスのベクトルＰ＝（１，０，０，１）は完全に左回転の偏光された光を表し、一方、Ｐ＝（１，０，１，０）は直線的に４５°に偏光された光を記述する。
二重屈折、光学的アクティビティまたは楕円的二重屈折の波長依存性のために、各種のスペクトル成分は干渉計のアームを通過した後、共通の出力偏光P_1/2 ⁰から各種の波長依存偏光状態P₁（λ）およびP₂（λ）へ変換される。P₁（λ）とP₂（λ）との領域が完全に重なるのを防止するために、偏光符号化の光学的要素が干渉計のアームの中で異なる方向に配向される。
偏光子が検出器から見て光源の方に配置されるか、あるいは各干渉計のアームの中に別の偏光子があるので、特定の検出偏光Ｐ_detだけが検出される。したがって、各スペクトル成分λ_iに対して、部分波のプロジェクションP_det（P₁（λ_i）およびP_det（P₂（λ_i））が形成され、そして干渉させられる。これはスペクトル成分の部分波の間の追加の波長依存の位相差γ（λ_i）を発生する。この追加の波長依存性の位相差γ（λ）は以下の式で表される。
γ（λ）＝−１／２Ω（P_det、P₁（λ）、P₂（λ））
ここで、Ω（P_det、P₁（λ）、P₂（λ））はポアンカレの単位球上での偏光の表現における点P_det、P₁（λ）およびP₂（λ）によって定義されている球上の三角形の面積である。したがって、γ（λ）は偏光量P_det、P₁（λ）およびP₂（λ）の関数である。γ（P_det、P₁（λ）、P₂（λ））はパンカラトナム（Pancharatnam）の位相と呼ばれる。
分散を補償するために、量P_det、P₁（λ）およびP₂（λ）は基本波長λ₀の領域内の波長λが以下の式で表されるように選定される。

入力偏光（量）、偏光符号化要素を変えることによって、たとえば、それらの角度位置、厚さ、傾き、または検出偏光を変えることによって動作領域をこの方法で設定することができる。
次に、非常に大きな遅延を有する光学的要素を干渉計のアームの中に配置した場合、その伝送特性の波長依存性は同程度に大きなγ（λ）の値によって決定され、干渉計の位相Δψによっては決定されなくなる。結果として、干渉計はこの領域の中での径路長の差における変動に対して比較的感度が悪くなる。というのは、長さの感度はΔψだけによって決定されるからである。したがって、この特性を有する干渉計は精密な分光に適している。
本発明の１つの実施例が以下の図面で示される。
図１は本発明による干渉計の概略図を示す。
図２は偏光量P_det、P₁（λ）およびP₂（λ）を示しているポアンカレの球を示す。
図３ａ〜ｃ、図４および図５は、異なるパラメータ・セットに対する波長または径路長の差の関数としての干渉計の伝送特性の例を示す。
図１は電磁放射に対する本発明による干渉計１を示しており、この中で電磁放射源２からの光がビーム・スプリッタ３によって２つのビーム・コンポーネントに分割され、その２つのビーム・コンポーネントが別々の干渉計アーム６、７に対して供給されている。放射源は、たとえば、レーザまたは少なくとも部分的にコヒーレントな光の別の光源である。ビーム・コンポーネントは干渉計のアームの端にあるミラーによって同じ光学径路に対して反射されて戻され、それ自身の上にそれぞれ重畳される。干渉計のアームを通過した後、それらはふたたび同じビーム・スプリッタ３によってそれ自身の上に重畳される。この重畳された波の強度が検出器１０によって測定される。
この光学径路の中に設けられている光学的要素による他のアクションがない状態で、干渉計のアームの内部の光学的径路差Δｌｎおよび波長λによって変わる位相差Δψ＝２π（Δｌｎ／λ）は、干渉計アームをビーム・コンポーネントが通過した後、その部分波上に重畳されることになる。位相差および放射コヒーレントの程度に依存して、これは検出器において測定される強度を完全に消去してしまう可能性がある。
干渉計のアームに対して供給される部分波は偏光子８によって偏光される。それは干渉計のアームに入る部分電磁波の定義された入力偏光Ｐ_1/2 ⁰を確立する。この場合、P₁ ⁰＝P₂ ⁰が適用される。というのは、ビーム・スプリッタ３は偏光とは無関係にビームをスプリットするからである。
波長の関数として部分波の偏光を変化させる光学的要素１１、１２が２つの各干渉計アームの中に配置されている。したがって、スペクトル成分λ_iが偏光P_1/2（λ_i）で符号化され、部分電磁波が偏光状態P₁（λ）およびP₂（λ）となる。ポアンカレの球上で表現されている領域P₁（λ）およびP₂（λ）は少なくとも部分的に異なっており、それは異なる光学的要素１１、１２または、セッティングの異なるそのような装置を使うことによって実現される。
調整可能な偏向状態P_detを伝送するアナライザ９が検出器から見て光源の方に、干渉計の出力において配置されている。このアナライザ９は各スペクトル成分λ_iに対するプロジェクションP_det（P₁（λ_i））またはP_det（P₂（λ_i））を形成し、これらのプロジェクションはこのアナライザから見て光源から遠ざかる方で互いに干渉する。アナライザはスペクトル成分の部分波の間の追加の波長依存性の位相差γ（λ）を発生する。但し、γはP_1/2（λ）およびP_detの関数である。代わりの方法はアナライザから見て光源の方に部分波の干渉を有し、偏光P（λ_i）の波を発生し、この方法でプロジェクションP_det（P（λ_i））を形成する。その結果は測定される出力の強度に関して同じである。
検出の偏光は入力の偏光と同様に任意の楕円偏光であってよい。直線偏光の量は特に実行し易い。
図２は偏光量P_1/2 ⁰、P_det、P₁（λ）およびP₂（λ）を表すためのポアンカレの球１３を示している。ポアンカレの球は座標系の原点に置かれ、量Ｍ、Ｃ、およびＳが上記のように定義されていて軸に沿ってプロットされている。この表現の中で、すべての真の偏光状態は、半径が１の、すなわち、M²＋C²＋S²＝１が常に当てはまるポアンカレの球の表面上の点である。下記の説明の中で、上記のストークスのベクトルの中の第１の成分（強度）を無視する。というのは、その強度は１に正規化されたからである。座標（０，０，１）にあるその球の北極は左回転の偏光された光に完全に対応し；赤道の点は電界ベクトルの振動レベルが異なっている線形に偏光された光に対応する。上の半球の中の領域は任意の左回転の楕円偏光量に対応し、下の半球の中の領域は右回転の楕円偏光量に対応する。
干渉計のアームに入って来る部分波の入力偏光P_1/2 ⁰は干渉計の入力において偏光子を使って発生される。この表現において、P_1/2 ⁰はポアンカレの球の赤道上にあり、同様にＭ軸上にあり、したがって、すべての波長に対して座標が（１，０，０）である。したがって、P_1/2 ⁰はｘ軸に沿って直線的に偏光された波長独立の光である。
干渉計のアームの中に配置される偏光を変化させる光学的要素は、両方のビーム・コンポーネントの入力偏光を波長の関数として互いに独立に変化させる。第１のビーム・コンポーネントのスペクトル成分λの偏光量（左回転の偏光量）が領域P₁（λ）の中の上部の半球上にプロットされている。この球の赤道面に対してミラー対称で、第２のビーム・コンポーネントのスペクトル成分λの偏光量（右回転の偏光量）が領域P₂（λ）の中の下側の半球上にプロットされている。これらの領域は点線で示されている。赤道に関しての対称性は、たとえば、干渉計の各アームの中に光学軸に沿ってカットされた水晶のプレートを置き、そのプレートの向きを互いに直角にして置くことによって実現することができる。
この例においては、基本波長λ₀およびその他の波長λ_iに対する偏光が変えられ、点P_1/2（λ_0/1）が１つの大円上に置かれるようにされ、但し、Ｃ＝０であり、P_1/2（λ₀）またはP_1/2（λ₁）のＭ成分は常に同じままであり、そして対応しているＳ成分の間の違いはそれらの符号だけである。
また、この表現は干渉計の出力におけるアナライザによって送信される検出偏光P_detも示している。この例においては、P_detは赤道上の点によって表される任意の線形偏光であり、アナライザとして単純な偏光子を使って非常に簡単に実行することができる。
ビーム・コンポーネントが干渉計のアームを通過した後、アナライザはそれぞれの射影しているコンポーネントP_det（P_1/2（λ））だけを伝送し、そしてこれらのコンポーネントは互いに干渉し合ってその検出される信号に寄与することができる。たとえば、波長λ₀の単独のスペクトル成分に対して、これは２つのビーム・コンポーネント間の位相差γ（λ₀）を生じさせ、それは点P₁（λ₀）、P₂（λ₀）およびP_detの間に延びている球上の三角形の面積Ω（λ₀）に比例している。これによってγ（λ₀）＝−１／２Ω（λ₀）となる。
この図は２つの異なるスペクトル成分λ₀およびλ₁に対する三角形の領域Ω（λ₀）およびΩ（λ₁）を示している。Ω（λ₀）は実線によって区別され、Ω（λ₁）は点線によって区別されている。
光学的コンポーネントを選択することによって、P_1/2 ⁰、P_det、P₁（λ）、およびP₂（λ）を互いに調整し、追加の位相γ（λ）が干渉計の分散、すなわち、出力信号の波長依存性を補償するように、あるいは干渉計のアームの長さにおけるその依存性さえも補償するようにすることができる。
分散を補償するために、P_detと同様にP₁（λ）およびP₂（λ）の領域が、基本波長λ₀に対して、追加の位相Δγ（λ）＝−１／２（Ω（λ₀）−Ω（λ₁））が、波長がλ₀からλ₁へ変化するときすなわち、Δλ＝λ₀−λ₁、波長の変動により誘起された干渉計の位相差を丁度補償するように選択される。この調整はP₁（λ）およびP₂（λ）および／またはP_detを選択することによって行うことができる。P₁（λ）およびP₂（λ）は入力の偏光P_1/2 ⁰および／または光学的要素の位置／向きを選択することによって影響される可能性がある。
好ましい配列は、偏光量P₁（λ）およびP₂（λ）のパラメータをP₁（λ₀）、P₂（λ₀）、P_1/2 ⁰で特定される大きな円上にポアンカレ球面上の点P_1/2 ⁰（入力偏光）と対称に配置し、アナライザにポアンカレ球面の赤道上の偏光量P_detを伝送させることにより提供される。この場合、アナライザから見て光源と反対の場所での強度Ｉ（λ）は以下の式で表される。

この場合、２ΘはP_1/2 ⁰およびP_detによって定義される距離角度を表し、そしてφ（λ）はポアンカレの球上でのP_1/2 ⁰およびP₁（λ）によって定義される距離角度を表す。δは、たとえば、干渉計のアームの長さの差によって生じる、そもそもの最初からの２つの干渉しているビーム成分の間に存在する位相差である。
偏光量P₁（λ）およびP₂（λ）は光学径路の中で互いに反対に向けられて４５°の角度に配置されている、等しい厚さｄの２つの水晶プレートによって分散される。これによって以下の式が得られる。

この場合、Δｎ（λ）は波長λにおける水晶プレートの二重屈折である。上記の強度の式の中でこの関係を使うことによって、スペクトル干渉計の特性Ｉ（λ）が得られる。
これに続く図３ａ〜ｃ、図４および図５は、本発明による干渉計の代表的な伝送特性の例を示している。そのデータはシミュレートされている。図３ｃを除いて、使用されている電磁放射の波長は常にｘ軸上でμｍの単位でプロットされており、干渉計の伝送、すなわち、干渉計の出力において検出される強度Ｉ（λ）は、波長または径路差Δ（ｌ，ｎ）またはｌの関数として、ｙ軸上において任意の単位で示されている。
干渉計のアームの中の径路長差Δｌｎが与えられて、従来の２ビームの干渉計の伝送特性はλ_max＝Δｌｎ／ｍにおいて伝送が最大となり、λ_min＝２Δｌｎ／（２ｍ＋ｌ）において伝送が最小となる。但し、ｍは整数である。
この変形版は本発明による干渉計の光学径路の中に、示されている例の中で光学的コンポーネント、２つの同じ厚さｄの水晶プレートを置くことによって修正される。
図３ａにおいては、出力信号Ｉ（λ）の波長依存性が５００〜８００ｎｍの付近の範囲の波長に対して補償されている。この範囲においては、伝送特性の曲線は平坦部に達する。すなわち、出力信号は波長の変動に対して安定であり、したがって、光学的的径路長差における変動に対して特に感度が高くなっている。
この分散のない干渉計を実現するために使われたパラメータ・セットは、２Θ＝２．８、２ｄ＝１５０μｍ、ｌ＝１００μｍである。但し、ｌは２つの干渉計アームの初期径路の差である。すなわち、２つのビーム・コンポーネント間の光学的波長における差である。ｌは上記の初期位相差δに以下のように関連付けられる。
Ｉ＝δ・λ／（２π・ｎ）
図３ｂは２Θ＝２．５２、２ｄ＝２００μｍ、およびｌ＝６，０００μｍを使っている分散補償の別の例を示している。この伝送特性はλ＝６００ｎｍの付近の範囲において平坦部を実現している。
図３ｃはパラメータ２Θ＝０および２ｄ＝５４０μｍを使っている、μｍでの単位での初期径路差ｌの関数としての干渉計の伝送特性を示している。強度Ｉ（ｌ）が３つの波長λ＝０．４８／０．４７／０．４９μｍに対してプロットされている。伝送される強度の振幅は波長に強く依存しているが、変数ｌの関数としての示されている強度の変動は３つの曲線に対してほぼ同じである。特に、図３ｃに示されている強度の最大値および最小値の位置は使用される波長とは実際的に無関係であり、径路長の差ｌだけに依存する。したがって、上記のパラメータを使うことによっても分散のない干渉計が提供される。このように干渉計の出力信号は波長の変動によっては影響されず、アームの長さの差ｌをより正確に、そして誤差なしで求めるために使うことができる。
図３ｃの中で使われているパラメータは図４の中に示されている伝送特性に対しても使われている。すなわち、２Θ＝０および２ｄ＝５４０μｍである。しかし、図３ｃと対照的に、強度Ｉはこの場合には波長の関数としてプロットされている。３つの曲線は異なる径路差ｌ＝０／０、１／０、２μｍに対応している。この干渉計の２つのビーム・コンポーネントの径路差は異なっているが、波長の関数としての最大および最小の強度の値の位置は波長にはほぼ無関係である。
図５においては、図３ａ〜ｃとは違って、伝送波長の依存性に対する補償はなく、むしろこの依存性が干渉計の光学的径路の中に光学的要素を提供することによって増やされている。この干渉計は伝送の最大値が広く、最小が狭い周期的な伝送範囲を有している。したがって、伝送特性曲線は非操作型の干渉計の場合より波長によって伝送特性が大きく変わる領域を有している。したがって、これらの領域においては、波長における僅かな変動Δλを検出することができる。というのは、それらの領域においては出力信号の変動が大きくなるからである。したがって、この干渉計のスペクトル分解能が、ある波長範囲において高くなり、それによって光学的要素を選択することによって波長の範囲を調整することができる。ここでは、パラメータ２Θ＝２．３、２ｄ＝６，０００μｍ、およびｌ＝１００μｍが使われた。

Claims (12)

1. 少なくとも２つの干渉計アーム（６、７）および１つのビーム・スプリッタ（３）から構成されている電磁放射のための干渉計（１）であって、電磁放射源（２）からの光がビーム・スプリッタ（３）によって２つのビーム・コンポーネントに分割されて２つの干渉計アーム（６、７）のそれぞれに対して供給され；前記ビーム・コンポーネントが前記干渉計アームを通過した後、干渉計アームの内部での光学的径路差Δｌｎおよび波長λに依存する位相差Δψ＝２ｎ（Δ（ｌ・ｎ）／λ）が、同じか、あるいは別のビーム・スプリッタ（３）によって前記ビーム・コンポーネント上に重畳され；前記重畳された波の強度が検出器（１０）によって測定され、
   ａ）前記干渉計は前記干渉計アームに入って来る部分電磁波の定義された偏光状態P _1/2 ⁰ を確立する前記光学的径路の中の少なくとも１つの偏光子（８）を有し、又は、前記ビーム・スプリッタ（３）が偏光ビーム・スプリッタであり、ビームを分割することに加えて、偏光子（８）の機能を実行し、又は、前記干渉計が前記偏光子（８）を有するとともに前記ビーム・スプリッタ（３）が偏光ビーム・スプリッタであり、前記偏光子（８）と前記偏光ビーム・スプリッタとが組み合わさって前記干渉計アームに入ってくる前記部分電磁波の定義された偏光状態P _1/2 ⁰ を確立し、前記偏光状態は、波長とは無関係であり、該２つのビーム・コンポーネントに対して異なるようにすることができ、前記干渉計はさらに、
   ｂ）少なくとも１つの干渉計アーム（６、７）の中に、少なくとも１つの光学的要素（１１、１２）を有し、前記光学的要素は波長λの関数として前記部分電磁波の偏光状態P_1/2 ⁰を変化させ、すなわち、各スペクトル成分λ_iが偏光P_1/2（λ_i）で符号化され、前記部分電磁波が偏光状態P₁（λ）またはP₂（λ）となるようにし、それによってポアンカレ（Poincare）の球上で示される該領域Ｐ₁（λ）およびP₂（λ）が、少なくとも相互に部分的に異なり、
   ｃ）前記干渉計の出力に配置されているアナライザ（９）であって、調整可能な偏光状態P_detを送信し、それによって各スペクトル成分λ_iに対してプロジェクションP_det（P_1/2（λ））を形成し、前記スペクトル成分の該部分波間の追加の波長依存性の位相差γ（λ）を発生し、γはP_1/2（λ）とP_detとの関数であるアナライザを有する干渉計。
2. 請求項１に記載の干渉計において、光学的要素（１１、１２）が干渉計アーム（６、７）の両方に設けられていることを特徴とする干渉計。
3. 請求項１〜請求項２のうち一の請求項に記載の干渉計において、該偏光符号化の光学的要素（１１、１２）が二重屈折の、光学的にアクティブな、あるいは楕円的二重屈折のプレート、たとえば、水晶プレートであることを特徴とする干渉計。
4. 請求項３に記載の干渉計において、前記偏光符号化光学的要素（１１、１２）が前記干渉計アームの中で異なる方向に配向されており、偏光された光を、二重屈折、光学的アクティビティまたは楕円的二重屈折の波長依存性の結果として、異なる波長依存性の偏光状態P₁（λ）またはP₂（λ）に変換するようになっていることを特徴とする干渉計。
5. 請求項２に記載の干渉計において、前記偏光符号化の光学的要素（１１、１２）はそれぞれ追加の２ビーム干渉計であることを特徴とする干渉計。
6. 請求項２に記載の干渉計において、前記偏光符号化光学的要素（１１、１２）は使用される波長の範囲内で透明である非等方性のプラスチックまたはガラスのプレートであることを特徴とする干渉計。
7. 請求項１〜請求項６のうちの１つに記載の干渉計において、P_1/2 ⁰、P_1/2（λ）およびP_detが該偏光子（８）、該アナライザ（９）の相対的な位置、および前記偏光可変の光学的要素（１１、１２）の選定および配列によって選択され、該追加の位相差γ（λ）が固定の光学的径路差Δ（ｌ・ｎ）を有する該干渉計の位相Δψ＝２π（Δ（ｌ・ｎ）／λ）を補償するようにし、それによって前記干渉計の出力強度を基本波長λ₀の回りのΔλの波長範囲において該波長にほぼ無関係に、すなわち、該光源におけるスペクトルの変動に感じないようにしていることを特徴とする干渉計。
8. 請求項１〜請求項６のうちの１つに記載の干渉計において、P_1/2 ⁰、P_1/2（λ）およびＰ_detが前記偏光子（８）、前記アナライザ（９）の相対位置、および前記偏光可変の光学的要素（１１、１２）の選定および配列によって選択され、該追加の位相差γ（λ）が該干渉計の位相Δψ＝２π（Δ（ｌ・ｎ）／λ）を遥かに超えるようにし、それによって該干渉計の位相全体をΔψ＋γ（λ）に修正し、前記干渉計の出力信号の波長依存性が基本波長λ₀の回りのΔλの波長範囲内で増加されるようにすることを特徴とする干渉計。
9. 請求項７または請求項８に記載の干渉計において、該偏光子の位置、すなわち、偏光状態P_1/2 ⁰を変えることによって、および／または前記アナライザの位置、すなわち、検出偏光P_detを変えることによって、および／または干渉計アームの１つまたは両方における該遅延プレートを調整し、傾かせ、および／または厚さを変化させおよび／または方向を変化させることによって、すなわち、P_1/2（λ）を変化させることにより、該装置の該スペクトル的な動作領域λ₀、Δλを変えることができるようになっていることを特徴とする干渉計。
10. 前記請求項のうちの１つに記載の干渉計において、前記干渉計の出力に配置されている前記アナライザ（９）が回転可能な偏光ビーム・スプリッタであることを特徴とする干渉計。
11. 請求項１〜請求項１０のうちの１つに記載の干渉計を使う方法であって、基本波長λ₀の回りの前記範囲内での出力強度の分散または波長依存性、すなわち、λ₀の回りのスペクトル波長の変動時における該干渉計出力信号の安定化および、アームの長さの差Δｌにおける変動に対する前記干渉計の感度の増加が以下のステップによって補償され、そのステップが、
    ａ）前記干渉計アームに入って来る該部分電磁波の、P₁ ⁰≠P₂ ⁰が可能である、定義された波長無依存の出力の偏光Ｐ_1/2 ⁰を発生するステップと、
    ｂ）波長依存の偏光P₁（λ）またはP₂（λ）を持つ該部分電磁波の該個々のスペクトル成分を符号化するステップと、
    ｃ）定義された偏光P_detを検出するステップと、
    ｄ）λ₀の前記範囲内での波長λに対して、以下の関係、すなわち、
    

    

    または、
    

    

    に当てはまるように該偏光量P_1/2 ⁰、P_1/2（λ）、およびP_detを互いに調整し、ここで、ｄは定数であり、Ω（P_det、P₁（λ）、P₂（λ））は、該ポアンカレの単位球において偏光量を表しているとき、点P_det、P₁（λ）、およびP₂（λ）によって固定のλに対して定義されている該球面上の三角形の面積であるような偏光量の調整のステップとを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１〜請求項１０のうちの１つに記載の干渉計を使う方法であって、基本波長λ₀の回りの前記範囲内で以下のステップにより該干渉計のスペクトル解像度を増加させる方法であって、そのステップが、
    ａ）前記干渉計アームに入って来る該部分電磁波の、P₁ ⁰≠P₂ ⁰が可能である、定義された波長無依存の出力の偏光P_1/2 ⁰を発生するステップと、
    ｂ）波長依存の偏光P₁（λ）またはP₂（λ）を持つ該部分電磁波の該個々のスペクトル成分を符号化するステップと、
    ｃ）定義された偏光P_detを検出するステップと、
    ｄ）該偏光量P_1/2 ⁰、P_1/2（λ）およびP_detを互いに調整して、Δψ（λ₀）≪１/２Ω（P_det，P₁（λ₀），P₂（λ₀））の関係がλ₀に当てはまるようにし、ここで、Ω（P_det，P₁（λ₀），P₂（λ₀））は、該ポアンカレの単位球で該偏光量を表しているときに、点P_det、P₁（λ₀）およびP₂（λ₀）によって定義される該球上の三角形の面積であるように調整するステップとを含むことを特徴とする方法。

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