СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных оптических приборах для селекции спектральных линий.

Известен способ спектральной селекции оптического излучения, заключающийся в том, что многократно пропускают поток оптического излучения через диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей k отражателей с плоской отражающей поверхностью, при этом оптическая система обеспечивает k+1 проход излучения через диспергирующий элемент [1].

Недостатком способа является пропорциональная зависимость числа проходов излучения через диспергирующий элемент от числа отражателей k. Попытка увеличить спектральное разрешение требует наращивания числа отражателей, что, в свою очередь, приводит к значительному усложнению конструкции и уменьшению светосилы устройства, реализующего данный способ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (изобретению) является способ, заключающийся в том, что более, чем k+1 раз направляют поток электромагнитного излучения на диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей k отражателей с криволинейной отражающей поверхностью, при этом диспергирующий элемент установлен или между отражателями или на место одного из отражателей, причем в последнем случае диспергирующий элемент используют как отражатель [2].

Недостатком способа прототипа является искривление изображения спектральных линий. Причем искривление изображений спектральных линий растет с увеличением числа воздействия на поток излучения диспергирующего элемента.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить искривление изображения спектральных линий.

Это достигается тем, что в способе спектральной селекции электромагнитного излучения, заключающемся в том, что более, чем k+1 раз направляют поток оптического излучения по крайней мере на один диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей k отражателей с криволинейной отражающей поверхностью, при этом диспергирующий элемент установлен или между отражателями или на место одного из отражателей, причем в последнем случае диспергирующий элемент используют как отражатель, более, чем k+1 раз пропускают поток излучения по крайней мере через один компенсирующий элемент, выравнивающий кривизну изображения спектральной линии и обладающий меньшей угловой дисперсией, чем диспергирующий элемент.

Сущность способа заключается в следующем. Пусть при i-м воздействии на поток излучения m-ый диспергирующий элемент обладает угловой дисперсией Dдi,m

, а при j-м воздействии на поток излучения p-ый компенсирующий элемент обладает угловой дисперсией Dкj,m. И пусть при i-м воздействии на поток излучения m-го диспергирующего элемента изображение спектральной линии искривляется на величину Cдi,m, а при j-м воздействии на поток излучения p-го компенсирующего элемента на величину Cкj,p, где Cдi,m,Cкj,p - относительная кривизна изображения спектральной линии, равная отношению фокусного расстояния объектива к радиусу кривизны изображения спектральной линии. Тогда, после I-кратного воздействия на поток излучения M-го числа диспергирующих элементов и J-кратного воздействия P-го числа компенсирующих элементов, суммарная угловая дисперсия D_Σ и суммарная относительная кривизна изображения спектральной линии C_Σ, будут составлять:

где
Гдi,m - результирующее угловое увеличение (в плоскости дисперсии) на выходе устройства параллельного пучка лучей, выходящего из m-го диспергирующего элемента после его i-го воздействия на поток излучения;
Гкi,m - результирующее угловое увеличение (в плоскости дисперсии) на выходе устройства параллельного пучка лучей, выходящего из p-го компенсирующего элемента после его j-го воздействия на поток излучения.

При этом знак в формулах (1), (2) зависит от конкретной схемы устройства, реализующего данный способ.

В свою очередь в устройстве, реализующем способ-прототип, суммарная угловая дисперсия DпротΣ

и относительная кривизна изображения спектральной линии CпротΣ, имеют значение:

Таким образом, при выполнении условий

применение в устройстве P-го числа компенсирующих элементов позволяет уменьшить кривизну изображения спектральной линии без существенного уменьшения угловой дисперсии на величину
На чертежах представлены возможные варианты конструкции устройств, реализующие предлагаемый способ спектральной селекции оптического излучения.

На фиг. 1 в изометрической проекции показан вариант конструкции устройства с диспергирующим и компенсирующим элементом, выполненными в виде трехгранных призм, установленных между отражателями многоходовой оптической системы. На фиг. 2 в изометрической проекции показан вариант конструкции устройства с дифракционной решеткой, установленной на месте одного из отражателей многоходовой оптической системы.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - входное отверстие; 2 - выходное отверстие; 3 - диспергирующая призма; 4 - компенсирующая призма; 5, 6, 7 - цилиндрические зеркала; 8 - дифракционная решетка.

На фиг. 1, 2 пунктирными линиями показаны световые зоны - области пересечения пучка лучей с отражающими поверхностями. Римские цифры соответствуют числу прохода луча между противолежащими отражающими поверхностями.

Устройства содержат входное 1 и выходное 2 отверстия, компенсирующую 4 призму, цилиндрические зеркала 6, 7 с радиусом кривизны цилиндрических поверхностей, равном R. Кроме того, устройство, показанное на фиг. 1, содержит диспергирующую призму 3 и цилиндрическое зеркало 5 с радиусом кривизны R. Оси вращения цилиндрических поверхностей зеркал 5, 6, 7 параллельны плоскости дисперсии призм. Оси вращения цилиндрических поверхностей зеркал 6, 7 параллельны между собой и находятся друг от друга на расстоянии, равном половине шага между соседними областями пересечения луча с отражающей поверхностью зеркала 5. Расстояние (по ходу оптического луча) между зеркалом 5 и зеркалами 6, 7 равняется

где L_д - длина средней линии основания диспергирующей призмы;
L_к - длина средней линии основания компенсирующей призмы;
n_д - показатель преломления диспергирующей призмы;
n_к - показатель преломления компенсирующей призмы.

В варианте конструкции устройства, показанного на фиг. 2, имеется цилиндрическая дифракационная решетка 8 с радиусом кривизны R и со штрихами, нанесенными параллельно плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической поверхности решетки. Дифракционная решетка 8 установлена под автоколлимационным углом θ к падающему излучению. Оси вращения цилиндрических поверхностей зеркал 6, 7 и дифракционной решетки 8 параллельны плоскости дисперсии. Оси цилиндрических поверхностей зеркал 6, 7 параллельны между собой и находятся друг от друга на расстоянии, равном половине шага между соседними областями пересечения луча с отражающей поверхностью дифракационной решетки 8. Расстояние (по ходу оптического луча) между дифракционной решеткой 8 и зеркалами 6, 7 равняется

При реализации способа с помощью устройства, представленного на фиг. 1, спектральная селекция осуществляется следующим образом. Поступающий на вход устройства через входное отверстие 1 полихроматический поток излучения последовательно проходит через диспергирующую призму 3, компенсирующую призму 4 и засвечивает световую зону I на зеркале 6. Зеркалом 6 излучение направляется на зеркало 5 в световую зону II, при этом излучение повторно проходит через компенсирующую 4 и диспергирующую 3 призмы. Отразившись от зеркала 5, после прохождения призм 3, 4 поток излучения заполняет световую зону III на зеркале 7. Зеркалом 7 излучение направляется на зеркало 5 в световую зону IV и так далее, до тех пор, пока после определенного числа проходов, регулируемых положением осей зеркал 6, 7 (на чертежах для примера показано 8 проходов), излучение не выйдет за пределы устройства через выходное отверстие 2. В результате многократного прохождения через диспергирующую призму 3 излучение пространственно разложится по длинам волн. При установке призм в минимум отклонения суммарные угловая дисперсия D_Σ и радиус кривизны R_Σ изображения спектральной линии с длиной волны λ_o можно оценить по следующим выражениям:


где
N - число проходов излучения через призмы;
f - фокусное расстояние выходного объектива;
C_Σ - суммарная относительная кривизна изображения спектральной линии;
C_д - относительная кривизна спектральной линии после однократного прохождения излучения через диспергирующую призму;
C_к - относительная кривизна спектральной линии после однократного прохождения излучения через компенсирующую призму;
n_д - показатель преломления диспергирующей призмы;
n_к - показатель преломления компенсирующей призмы;
α_д - угол при вершине диспергирующей призмы;
α_к - угол при вершине компенсирующей призмы.

Пусть, например, устройство настроено на длину волны λ_o= 3,0 мкм, диспергирующая призма изготовлена из материала LiF с показателем преломления n_д = 1,3666 и углом при вершине α_к= 70^°, а компенсирующая призма изготовлена из материала KCL с показателем преломления n_к = 1,4736 и углом при вершине α_к = 60^°. Тогда при фокусном расстоянии выходного объектива f = 300 мм и числе проходов излучения через призмы N = 8, угловая дисперсия и радиус кривизны изображения спектральной линии будут составлять: D_Σ = 0,15 мкм, R_Σ = 12600 мм. Без компенсирующей призмы угловая дисперсия и радиус кривизны изображения спектральной линии имели бы значение: D_Σ = 0,16 мкм, R_Σ = 32 мм.

При реализации способа с помощью устройства, представленного на фиг. 2, спектральная селекция осуществляется следующим образом. Излучение, поступающее на вход устройства, направляется зеркалом 6 через компенсирующую призму 4 на дифракционную решетку 8 в световую зону II. После отражения от решетки 8 излучение вновь проходит через компенсирующую призму 4 и засвечивает световую зону III на зеркале 7. Отразившись от зеркала 7, поток излучения проходит через компенсирующую призму 4, отражается от дифракционной решетки 8 (зона IV), снова проходит через призму 4 и поступает на зеркало 6 в световую зону V и так далее, до тех пор, пока после определенного числа проходов излучения между противолежащими отражающими поверхностями излучение не выйдет за пределы устройства через выходное отверстие 2. В процессе прохождения излучения через устройство излучение с длиной волны λ_o будет падать на дифракционную решетку 8 под одним и тем же автоколлимационным углом θ, а излучение с длиной волны λ, отличной от λ_o с угловым приращением в каждой серии проходов. При установке компенсирующей призмы в минимум отклонения суммарный радиус кривизны R_Σ изображения спектральной линии с длиной волны λ_o можно приблизительно оценить по следующим выражениям:

где
N - число отражений излучения от дифракционной решетки;
f - фокусное расстояние выходного объектива;
C_Σ/ - суммарная относительная кривизна изображения спектральной линии;
C_p - относительная кривизна спектральной линии после однократного отражения излучения от дифракционной решетки;
C_к - относительная кривизна спектральной линии после однократного прохождения излучения через компенсирующую призму;
n_к - показатель преломления компенсирующей призмы;
α_к - угол при вершине компенсирующей призмы;
θ - автоколлимационный угол;
Пусть, например, устройство настроено на длину волны λ_o= 3,0 мкм и содержит дифракционную решетку с периодом d = 1/300 мм, установленную под автоколлимационным углом , компенсирующую призму, изготовленную из материала KCL с показателем преломления n_к = 1,4736 и углом при вершине α_к= 34^°. Тогда радиус кривизны изображения спектральной линии при фокусном расстоянии выходного объектива f = 300 мм и числе проходов излучения через призмы N = 8 будет составлять: R_Σ = 3348 мм. Без компенсирующей призмы радиус кривизны изображения спектральной линии имел бы значение: R_Σ = 37 мм. Вклад компенсирующей призмы в суммарную угловую дисперсию незначителен, так как дисперсия дифракционных решеток в 10 - 100 раз превышает дисперсию призм.

Компенсирующий элемент может быть также выполнен аналогично эшелону Майкельсона и представлять собой стопу пластин, сложенных на оптический контакт. Пластины изготавливаются из оптического материала и имеют толщину, намного больше длины волны излучения.

Таким образом, многократное воздействие на поток излучения компенсирующего элемента позволяет уменьшить искривление спектральной линии, практически не снижая угловой дисперсии.

Использование: область оптического приборостроения в различных оптических приборах, в которых для селекции излучения требуемой длины волны используется многократное воздействие на поток излучения диспергирующего элемента. Сущность изобретения: многократно направляют поток излучения посредством многоходовой отражательной системы, содержащей отражатели с криволинейной отражающей поверхностью, по крайней мере на один диспергирующий элемент и по крайней мере на один компенсирующий элемент, выравнивающий кривизну изображения спектральной линии и обладающий меньшей угловой дисперсией, чем диспергирующий элемент. 2 ил.

Способ спектральной селекции оптического излучения, заключающийся в том, что более, чем K + 1 раз направляют поток оптического излучения по крайней мере на один диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей K отражателей с криволинейной отражающей поверхностью, при этом диспергирующий элемент установлен между отражателями или на место одного из отражателей, причем в последнем случае диспергирующий элемент используют как отражатель, отличающийся тем, что более, чем K + 1 раз пропускают поток излучения по крайней мере через один компенсирующий элемент, обладающий меньшей угловой дисперсией, чем диспергирующий элемент.