多级环形多光波干涉仪

多级环形多光波干涉仪

(一)本发明的名称：“多级环形多光波干涉仪”。

(二)本发明属于光学干涉技术领域。

(三)对本发明的理解、检索、审查最相关的现有技术，是近十多年出 现的非线性电子技术。回顾非线性振荡的研究史(参见Kennedy M.P.， CHua L.O.，IEEE Trans.Circuits and Systems，33(1986)974)，我们可 以知道，虽然早在1927年前荷兰无线电工程师Vander Pol等在三极管振荡 电路中就已看到“不规则”的现象，但由于当时技术不够发达，没有对这种分 叉一混沌现象给以重视。重要的倍周期分叉现象也直到1978年才由美国物 理学家Feigenbaum发现(参见M.J.Feigenbaum，J.Stat。Phys.，19，25 (1978)；21，669(1979))。1979年3位苏联学者提出了修正的Vander P0l 振荡器，发现了复杂输出(参见Zongh G.O.，Ayrom F.，Int，J.Circuit Theory Apple.，13(1985)93；程极泰，《自然杂志》，12(1989)； Matsumoto.T.et al.，IEEE Trans。Circuits and Systems，32(1985) 797).1981年P.S.Linsay对含变容二极管的RLC振荡电路(附图1)进行 实验研究(Tang Y.S.et al.，IEEE Trans，Circuits and Systems，30 (1983)，620)。此二极管的电容随电压变化的规律是C＝C₀(1＋βV)^γ，其 中C₀、β和γ是常数。当讯号发生器的输出电频较低时，RLC回路响应是 线性的，有一确定共振频率ν。将发生器调到此频率上，以讯号电压V为控 制参量。当V增到阈值V₁，时，突然有二分频ν/2……，当V增到阈值V_n 时，突然有Zⁿ分频ν/2ⁿ，这些阈值V_n按Feigenbaum普适常数δ收敛。 实验结果与理论预计值比较列于表1。1984年L.O.Chua设想3阶非线性自 治电路(Chua L.O.，ct al.，Int.J.Circuit Theory Appl.，14(1986)315)， 此电路可与Lorenz混沌模型相比。1986年黄安山在Chua电路中发现“周期 一混沌一周期加(减)1律”，继而又在该电路中到了混沌消失时的边界 (黄安山，《电子学报》，18，2(1990)121)。实际上，在其他3阶自治电 路，例如仿CHua电路、双回路3阶自治电路中，都存在着相同现象，特别 是在仿CHua电路中遵循着一条完美的规律：从平衡点开始Hopf分叉由倍 周期进入混沌，然后从周期2开始经倍周期进入混沌，再后从周期3开始… …(参见Chua.L.O，Madan r.N.，IEEE.Circuits Devices Magazine，1 (1988)3)。

对本发明的理解、检索、审查有参考作用的另外两项现有技术，是受激 光辐射(激光)技术和受激光散射技术。现有激光技术可分为束缚电子激光 技术和自由电子激光技术。对于束缚电子激光技术，已有不少技术资料，并 已为有关领域普通技术人员熟知。自由电子激光器(FEL)是最近十多年正 大力研制的新型激光器件。(参见兰马：“自由电子激光器(FEL)”，《国防 科技大学学报》，2(1985))1971年斯坦福大学的Madey写了一篇题为“周 期磁场中的受激轫致辐射”(J，M.J.Madey，J.Appl.phys.，42(1991)5， 1906)。1977年Madey等又实同波长为3.4微米的自由电子激光振荡 (D.A.GDeacon，et al，Phys.Rev.Lett，，38(1977)16，892)。大约从 1976年起，FEL作为新型激光器件问世了。这方面的技术资料包括： V.L.Granatstein，et al.，iEEE Trans.，MTT-22(1974)，1000； J.M.Wachtel，J.Appl.phys.，50(1979)1，49；R.P.leavitt，et al.， Appl.phys.lett.，35(1979)5，363；H.Dekket，Phys.Lett.，59(1976) 5，369，在受激光散射技术方面，有如下资料：M.Cardona，ed.，Raman scattering in solids，Springer-Verlag.Berlin1975；N.Bloembergen， American Journal of Physics，Vol.35，P，989，1967；H.Rabin and C.L.Tang，ed.，Quantum Electronics，A Treatise，Vol.1，Academic Press，New York，1975。

(四)发明“多级环形多光波干涉仪”的目的，是将受激光辐射(激光) 技术与受激光散射技术结合起来，以产生具有非平衡多级簇射的入射光，并 制造一种新型光学元件以使非线性演化光发生多级干涉。

现有各种光学干涉仪，不论分波面干涉仪、分振幅干涉仪，还是双光波 干涉仪、多光波干涉仪，或迈克尔逊干涉仪、Fourier变换分光计，虽然它 们在制作工艺、制作材料、清晰度等方面各有不同，但它们有一个共同的局 限，这就是，它们主要只是对简单的、一般不具有复杂演变性的光源或光波 获得具有一组特定条纹的相干光。即使对于白光，现有光学干涉仪也只能在 光强分布零级附近的几级显示出彩条纹，而在高级次处，虽然每一单光 地干涉作用仍存在，但由于重叠严重，现有光学干涉仪已无能为力。

本发明人认为，不论为现代物理学研究的进一步发展，还是为了促进制 造业、精密测量技术，都需要提出新的光学干涉技术原理，设计新的光学干 涉元件。本发明人设想，一方面利用非线性电路系统，将受激光辐射技术与 受激光散射技术结合起来，产生新的光源(即电致分波面)，另方面制造一 种适用于新光源的光学元件，使一非平衡演变光自身发生多级相互干涉，从 而获得新的干涉条纹。

(五)现从科学基础、技术原理和基本构成三方面介绍本发明的内容。

1.科学基础

本发明不仅适用于具有特定频率、特定波长和特定入射角的光，而且适 用于具有多级分频、多级波长和多级入射角的非平衡演变光。非平衡演变光 的例子有大气中的电磁级联簇射，高能多光子过程。此外，以非线性电路为 基础，利用受激光辐射(激光)效应和受激光散射效应，我们也可以产生非 平衡演变光。

关于非平衡演变光，这里有如下重要结论。

由第(三)部分所述非线性振荡电路实验结果，我们可以断定：i)随 着分叉级数n的增加，非线性振荡以Z(n)倍周期而递增；ii)在第n级分 叉上，非线性振荡由z(n)个分叉波迭加而成。这里，Z(n)取整数值。 关于这一点可参见本发明人李宗诚在《1994年全国自动化控制理论学术年 会论文集》发表的论文“自组织控制系统分析方法：分叉一混沌信号与N级 分频谱变换”，还可参见发明人李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《数据 采集与处理》上发表的论文“关于非平衡信号的采样间隔和频率”。

在将非线性电路引入探测器或加速器的条件下，由非线性振荡电路实验 结果，我们可以看到：电子具有N级分叉液动性；第几级分叉波的频率应 为ν/z(n)，波长应为z(n)λ。特别地，当n→∞，电子具有混沌液动 性；当n＝0，电子具有deBroglie波动性。

根据电子光学所确认的如下事实：A在电场和磁场中控制电子运动轨 迹的规律(最小作用量原理)与折射率有变化的化学媒质中控制光线的规律 (费马原理)之间的相似性；B)L.V.德布罗意于20世纪20年代揭示了电子 的波动性及其与光波的相似性；进而，考虑到电磁级联簇射及其它高能多光 子过程，我们可以看到，在将非线性电路引入发射器的条件下，光子将具有 倍周期演变性，而且以分叉一混沌波为基本演变形式。关于这一点，可参见 本发明人李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《光谱学与光谱分析》上发 表的论文“N级分叉一混沌光子模型及其演化波谱研究”。本发明人给出如下 两个重要结论：

①根据Feigenbaum分叉间距等比关系(见M.J.Feigenbaum J.stat.Phys.，19，25(1978)；21，669(1979))

                Δ_n/Δ_n＋1→δ＝4.669201609…… 则N级分叉光子的速度应为 <math> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>n</mi> <mo>}</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&delta;</mi> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>3</mn> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>4</mn> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <mo>&hellip;</mo> <mo>&hellip;</mo> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&eta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> <mi>c</mi> </mrow> </mrow> </math> <math> <mrow> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mo>[</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow> </math> 式中，η₀为未分叉时段[t₀，t₁]在一特定演变时段[t₀，t]中所占的比重，且0≤ η₀＜1；η₁为一级分叉时段[t₁，t₂]在一特定演变时段[t₀，t]中所占的比重，且0≤ η₁＜1。

②N级分叉波的频率和波长应为 <math> <mrow> <msub> <mi>&nu;</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>n</mi> <mo>}</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>&nu;</mi> <mo>[</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&bull;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow> </math> <math> <mrow> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>n</mi> <mo>}</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>[</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <mi>Z</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow> </math>

2.技术原理

一个非平衡演变光本身可看作一个级联簇射，而且在每个演变级上，此 光应由多个成员波组成。虽然在演变末级上各成员波单独可造成大致均匀的 光强分布，但在靠近演变初级的前n级上各成员波未必能这样，这就是说， 前n级上的各成员波会产生明显的衍射，而衍射也会造成明暗相间的条纹。 对于这种复杂的情景，我们要考虑以某种方式将非平衡演变光的各级成员波 分隔在空间的各个足以使同级成员波相互发生干涉的区域里。于是，当非平 衡光的各种演变级上的若干成员波在空间的各个相应区域相遇而发生干涉 时，应该是指在各个区域中可以不考虑每个成员波的衍射，虽然，在整个空 间或各个区域之间存在着成员波的衍射。

为使非平衡演化波场的光强分布在一段时间间隔Δt内稳定，我们可将 通常的相干条件扩展为如下条件：①各演变级上的各成员波的分频ν/z (n)(因而波长z(n)λ)相同，虽然演变级之间的成员波的分频(因而波 长)并不相同；②各演变级上的任两成员波的初位相差之差在Δt内保持不 变，虽然演变级之间的任两成员波的初位相差之差在Δt内未必保持不变；③ 各演变级上的任两成员波的振幅不得相差悬殊；④各演变级上的任两成员波 在叠加点的偏振面须大体一致。

3.基本构成

一般地，多级环形多光波干涉仪应主要由演化光发射器、多极环形铝膜 板和光屏三部分组成，如附图2所示。

演化光发射器是以非线性电路为基础，由工作物质、激励系统和演化光 学共振腔组成的，如附图3所示。这里，工作物质是指用来实现粒子数反转 并产生光的多级受激簇射作用的物质体系，可称光增益媒质。激励系统以 RLC非线性振荡电路为基础，它是为使演化光工作物质实现并维持粒子数 反转而提供能量来源的机构或装置。演化光学共振腔可由具有几何形状和演 化光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。

多级环形铝膜是本发明的主要部分，如图4所示。其构成包括：①以镀 有一层铝膜的玻璃坯平面为基础板；②铝膜层上刻制有槽纹且槽纹呈不等间 距分布。这是因为环形膜主要以非平衡演变光为入射光，而非平衡演变光具 有多级分频和多级波长；③铝膜层槽纹呈多级圆环形分布，这是因为非平衡 演变光的入射可被看作锥形体的多级簇射，而这种锥形簇射遇到铝膜层时的 横截面应为圆形。

(六)本发明的优点

首先本发明利用非线性电致受激光簇射效应(包括受激光辐射效应和受 激光散射效应)，可产生具有非平衡演变性的入射光。其次，本发明在铝膜 层上刻制有呈多级圆形分布的不等间距的槽纹，因而不仅适用于具有特定频 率，特定波长和特定入射角的光，而且适用于具有多级分频、多级波长和多 级入射角的非平衡演变光。最后，利用本发明，我们可使一非平衡演变光自 身发生多级相互干涉，从而获得新型干涉条纹。

(七)实现本发明的最好方式

制作要点如下：①首先以RLC非线性电路为基础，通过氙灯制成可以发 射出具有非平衡演变性的光的装置；②其次在正方形玻璃坯平面上镀一层铝 膜；③由于新型干涉仪主要将以非平衡演变光为光源，而非平衡演变光具有 多级分频和多级波长，所以在铝膜层上应刻制不等间距的槽纹；④又由于非 平衡演变光一般是锥形的多级簇射，其横断面为圆形，所以在铝膜层刻制的 槽纹应呈多级圆环形；⑤为了使入射光发生衍射，以产生干涉，在铝膜层上 刻制的槽纹还应具有锯齿形状；⑥为了在铝膜层上刻制出具有锯齿形状、呈 多级圆环形分布的不等间距的槽纹，我们可采用激光技术以产生平行条纹， 从而得到比较理想的不等间距平行线簇，然后采用全息照相的方法，拍下这 种条纹，经处理后，制出的槽纹便是本发明所要求的新型槽纹；⑦铝膜上的 刻槽宽度依序由大至小，直至圆环的中心点，这里大致有如下尺度：

第1级刻槽的宽度    0.000005～0.0003毫米

第2级刻槽的宽度    0.0003～0.00083毫米

第3级刻槽的宽度    0.00083～0.00167毫米

第4级刻槽的宽度    0.0033～0.005毫米

第5级刻槽的宽度    0.02～1毫米

⑧在铝膜平面板对面适当的位置上可置一光屏。

表1