ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2007 года по МПК G02B5/20 H01Q17/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам, работающим в оптическом и миллиметровом диапазонах. В частности, настоящее изобретение относится к устройствам, используемым для отражения частот миллиметрового диапазона и пропускания оптических частот.

Уровень техники

Системы большой мощности, работающие в миллиметровом диапазоне, требуют иногда размещения лазеров и/или камер на пути луча миллиметрового диапазона. Для того чтобы предотвратить повреждение оборудования, на пути этого луча необходимо поместить экран. Необходимо, чтобы этот экран почти полностью отражал частоты миллиметрового диапазона и пропускал оптические частоты.

В приложениях, связанных с обработкой материалов, миллиметровые волны могут использоваться, например, внутри реакционной камеры для производства синтетического вещества. Возможно, окажется необходимым или желательным иметь в такой камере окно для наблюдения за протекающей в ней реакцией. Необходимо, чтобы это окно пропускало оптические частоты без искажения, блокируя в то же время пропускание миллиметровых волн.

Предшествующие попытки решения этой задачи были связаны с использованием либо металлических сеток, либо поглощающих водонаполненных окон. Металлические сетки эффективны при отражении почти всего падающего на них излучения, но они очень ограниченно пропускают оптические частоты.

Хотя характеристики поглощающих водонаполненных окон превосходят характеристики металлических сеток, их использование связано с рядом проблем. Во-первых, в них могут происходить утечки после длительного использования. Вдобавок, среди пользователей существует мнение, что падающий луч миллиметрового диапазона с достаточной интенсивностью может вызвать закипание воды, что может привести к катастрофическому отказу окна. Наконец, экспериментально подтверждено, что при облучении поглощающего водонаполненного окна лучом миллиметрового диапазона большой мощности поглощенная энергия инициирует конвекционные потоки в воде, вызывающие рассеяние падающего света, вследствие чего ухудшается качество изображений, фиксируемых камерой, расположенной за указанным окном.

Таким образом, в данной области техники существует потребность в системе или способе для отражения частот миллиметрового диапазона и пропускания оптических частот без их искажения.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение, представляющее собой оптически прозрачный диэлектрический отражатель, отражающий падающий луч миллиметрового диапазона на расчетной частоте, направлено на удовлетворение вышеуказанной потребности в данной области техники. Эти свойства достигаются в результате конструирования отражателя из слоев диэлектрических материалов с разной оптической прозрачностью и подбора толщины отдельных слоев таким образом, что проходящие волны почти полностью гасятся в прямом направлении с высоким уровнем потерь на распространение и высоким (например, почти 100%) отражением.

В предпочтительном варианте изобретение содержит чередующиеся слои оптического сапфира и воздуха. В наилучшем варианте имеется семь слоев сапфира, причем внешние слои имеют номинальную толщину 70,8 мил (1 мил = 1/1000 дюйма), внутренние слои сапфира имеют номинальную толщину 30,4 мил, а слои воздуха имеют номинальную толщину 32,0 мил. Для поддержания оптимальной толщины слоев воздуха используют металлические вентилируемые прокладки.

В отличие от известных поглощающих водонаполненных окон устройство согласно изобретению отражает, а не поглощает падающий луч миллиметрового диапазона, пропуская падающее оптическое излучение. Поскольку здесь отсутствуют жидкости, возможность утечки исключается. Поскольку энергия падающих миллиметровых волн отражается, а не поглощается, существенно снижается вероятность повреждения или отказа, вызванного нагреванием. Наконец, ожидается, что качество оптических изображений, фиксируемых камерой, находящейся за оптически прозрачным отражателем волн миллиметрового диапазона, будет высоким, поскольку отсутствуют конвекционные потоки, рассеивающие падающий свет.

Краткое описание чертежей

Фиг.1а - диаграмма, показывающая ТЕ волны, падающие на границу диэлектриков;

Фиг.1b - диаграмма, показывающая ТМ волны, падающие на границу диэлектриков;

Фиг.2 - схематическое изображение оптически прозрачного отражателя миллиметрового диапазона, спроектированного в соответствии с принципами настоящего изобретения;

Фиг.3 - кривые, показывающие чувствительность коэффициента пропускания к изменениям размеров пластины и зазора;

Фиг.4 - кривые, показывающие изменение коэффициента пропускания в зависимости от угла поляризации;

Фиг.5 - поэлементное изображение опытного образца отражателя, спроектированного в соответствии с принципами настоящего изобретения;

Фиг.6 - детальное изображение кольцевой вентилируемой металлической прокладки, спроектированной в соответствии с принципами настоящего изобретения;

Фиг.7 - детальное изображение внутренней части корпуса отражателя, спроектированного в соответствии с принципами настоящего изобретения;

Фиг.8 - вид спереди на отражатель в сборе, спроектированный в соответствии с принципами настоящего изобретения;

Фиг.9 - вид сзади на отражатель в сборе, спроектированный в соответствии с принципами настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Далее со ссылками на сопроводительные чертежи описываются иллюстративные варианты и примеры применения, раскрывающие преимущественные принципы настоящего изобретения.

Хотя настоящее изобретение описано здесь со ссылками на иллюстративные варианты, предназначенные для конкретных применений, следует понимать, что изобретение не сводится к этим вариантам. Специалисты в данной области техники, имеющие возможность ознакомиться с предложенными здесь принципами, смогут предложить дополнительные модификации, применения и варианты в рамках объема изобретения, а также дополнительные области, в которых настоящее изобретение окажется весьма полезным.

Настоящее изобретение представляет собой оптически прозрачный диэлектрический отражатель, который в иллюстративном варианте может отражать почти 100% падающего луча миллиметрового диапазона на расчетной частоте. Это свойство достигается в результате конструирования отражателя из слоев диэлектрических материалов с разной оптической прозрачностью и подбора толщины отдельных слоев таким образом, что проходящие волны почти полностью гасятся в прямом направлении с высоким уровнем потерь на распространение и с близким к 100% отражением.

В отличие от известных поглощающих водонаполненных окон устройство согласно изобретению отражает, а не поглощает падающий луч миллиметрового диапазона, пропуская падающее оптическое излучение. Поскольку здесь отсутствуют жидкости, возможность утечки исключается. Поскольку энергия падающих миллиметровых волн отражается, а не поглощается, существенно снижается вероятность повреждения или отказа, вызванного нагреванием. Наконец, ожидается, что качество оптических изображений, фиксируемых камерой, находящейся за оптически прозрачным отражателем волн миллиметрового диапазона, будет высоким, поскольку отсутствуют конвекционные потоки, рассеивающие падающий свет.

Чтобы понять, каким образом может быть сконструирован отражатель, рассмотрим сначала плоскую волну, падающую под косым углом на границу раздела между двумя диэлектрическими материалами. Если учесть поляризацию плоской волны, то имеют место два различных физических сценария, которые необходимо рассмотреть. Если электрическое поле плоской волны параллельно границе раздела, как показано на фиг.1а, то падающая волна является поперечной электрической волной, или ТЕ волной. С другой стороны, если магнитное поле падающей волны параллельно границе раздела, как показано на фиг.1b, то волна является поперечной магнитной волной, или ТМ волной. Заметим, что произвольно поляризованная плоская волна может быть представлена как суперпозиция ТЕ волны и ТМ волны.

Для падающей плоской волны (ТЕ или ТМ) связь между падающей, отраженной и проходящей волнами может быть представлена в форме матрицы передачи, которая связывает падающую и отраженную волны по левую сторону от границы с этими волнами по правую сторону от границы. Матричное соотношение имеет вид:

где и - падающая и отраженная волны слева от границы соответственно, и - проходящая и отраженная волны с правой стороны границы, как показано на фиг.1.

Для случая ТЕ элементы матрицы передачи определяются следующим образом:

а для случая ТМ элементы матрицы передачи определяются следующим образом:

Где θ_R и θ_L - углы, образованные падающей и отраженной волнами относительно направления, перпендикулярного границе диэлектриков справа и слева от границы диэлектриков соответственно, η_R и η_L - характеристические импедансы соответствующих материалов.

Помимо матрицы передачи для границы раздела диэлектриков также требуется матрица передачи, описывающая распространение плоской волны через однородную диэлектрическую плиту. Соответствующая матрица передачи либо для ТЕ волны, либо для ТМ волны, распространяющейся под углом θ_R относительно оси z через материал, имеющий коэффициент преломления n, определяется следующим образом:

Здесь k₀=2π/λ₀, где λ₀ - длина падающей плоской волны в свободном пространстве, d - толщина плиты материала.

Угол θ_R может быть связан с θ_L по закону преломления Снеллиуса, то есть

Преимущество представления в виде матрицы передачи состоит в том, что коэффициенты отражения и пропускания для составных структур, собранных из множества диэлектрических слоев, можно легко вычислить путем простого последовательного перемножения матриц передачи для отдельных слоев. В общем случае коэффициенты отражения и пропускания m-слойной структуры, сконструированной из диэлектрических плит из различных материалов, каждая из которых имеет разную толщину, можно вычислить следующим образом.

Начинают с самой левой границы, где падающая плоская волна встречается с первой границей раздела диэлектриков. На этой границе раздела θ_L=θ_inc, где θ_inc - угол, образованный падающей плоской волной с осью z. При заданном значении θ_L можно вычислить угол θ_R, под которым плоские волны распространяются влево и вправо в материале справа от границы. Затем можно вычислить матрицы передачи для первой границы и для распространения через первый диэлектрический слой.

Путем повторного применения закона Снеллиуса можно вычислить значение θ_R в каждом последующем слое при заданном значении θ_L в предыдущем слое. Таким путем можно вычислить матрицы передачи для каждого элемента составной структуры. Затем получат матрицу передачи составной структуры в виде матричного произведения отдельных матриц передачи. Если матрицу передачи первой границы раздела диэлектриков обозначить как Т_1a, матрицу первой пластины как P₁, а матрицу второй границы раздела диэлектриков как T_1b, то тогда матрица передачи составной одноуровневой структуры определяется в виде:

Рассмотрим структуру, составленную из m слоев из определенного диэлектрического материала каждый, причем каждый слой отделен от следующего зазором, который может быть заполнен воздухом либо каким-нибудь другим диэлектрическим материалом. Если имеется m слоев, то будет m-1 зазоров. Если матрицы передачи отдельных слоев обозначить как T₁, Т₂, ..., Т_m, а матрицы передачи зазоров как G₁, G₂, ..., G_m-1, то тогда матрицу передачи составной структуры вычисляют следующим образом:

где матрица передачи k-го диэлектрического слоя определяется в виде:

Если предположить, что плоская волна падает только слева, то соотношение между падающей волной и волнами, отраженными и пропущенными составной структурой, определяется в виде:

Можно легко показать, что коэффициенты R и Т отражения и пропускания мощности для составной структуры определяются через элементы матрицы передачи следующим образом:

В данном случае необходимо разработать многослойную структуру, которая будет отражать почти все падающее излучение на определенной частоте миллиметрового диапазона, разрешая прохождение света. То есть целью является минимизация коэффициента Т пропускания составной структуры.

Для минимизации затрат и упрощения окончательной структуры желательно минимизировать общее количество слоев. Количество слоев зависит от требуемой степени затухания проходящих волн и диэлектрической проницаемости используемых материалов. Для минимизации количества слоев различие в диэлектрической проницаемости между соседними слоями должно быть как можно большим, для того чтобы обеспечить максимальное значение коэффициента отражения на каждой границе раздела диэлектриков. Максимально возможное различие в значениях диэлектрической проницаемости обеспечивается путем разделения следующих друг за другом диэлектрических слоев воздушными зазорами.

Выбор диэлектрического материала ограничен требованиями, состоящими в том, что он должен быть оптически прозрачным и иметь малое значение тангенса угла потерь на частотах миллиметрового диапазона. Одним из возможных вариантов выбора является оптический сапфир (монокристаллический Al₂O₃), так как он имеет относительно высокую диэлектрическую проницаемость, равную 9,41 для материала с нулевым срезом (в котором оптическая ось перпендикулярна поверхности материала), и малый тангенс угла потерь, составляющий 8×10^-4 на частоте 95 ГГц. Вдобавок он очень тверд и стоек к распространенным кислотам и щелочам, что позволяет успешно использовать этот материал в жестких внешних условиях.

Вышеописанные матрицы передачи были использованы для разработки отражателя для его применения с плоскими волнами, падающими под углом 13,5°. В окончательном варианте разработки требуется обеспечить затухание проходящих ТЕ и ТМ волн примерно на 60 дБ. Было определено, что этому требованию удовлетворяет вариант с семью слоями сапфира, разделенными воздушными зазорами.

На фиг.2 схематично изображен оптически прозрачный отражатель 100 миллиметрового диапазона, спроектированный в соответствии с принципами настоящего изобретения. В иллюстративном варианте отражатель 100 содержит семь пластин сапфира (10, 12, 14, 16, 18, 20, 22), разделенных воздушными зазорами (30, 32, 34, 36, 38, 40). Размеры слоев сапфира и разделяющих их воздушных зазоров следующие:

L₁=L₇=70,8±0,4 мил,

L₂=L₃=L₄=L₅=L₆=30,4±0,3 мил,

d₁=d₂=d₃=d₄=d₅=d₆=32,0±0,5 мил

где L_i - ширина i-й пластины сапфира, а d_j - ширина j-го воздушного зазора.

Так как только внешние пластины непосредственно подвергаются воздействию окружающей среды, они сделаны более толстыми, чем внутренние пластины (пластины со 2 по 6), для обеспечения их более высокой механической прочности. Допуски ±0,4 мил на слои L₁ и L₇ и ±0,3 мил на слои c L₂ по L₆ не сказываются на рабочих характеристиках устройства. То есть отражатель будет продолжать работать лишь с небольшим ухудшением своих рабочих характеристик, если допуски сделать менее жесткими, так как рабочие характеристики отражателя не очень чувствительны к размерам пластин сапфира или размерам зазоров, как показано на фиг.2.

На фиг.3 представлен график, показывающий чувствительность коэффициента пропускания к изменениям размеров пластины и зазора. На чертеже показан коэффициент пропускания для пяти случаев для падающих ТЕ и ТМ волн, где размеры каждой пластины и каждого зазора изменялись случайным образом от случая к случаю. Максимально допустимое отклонение от номинального расчетного значения составляет 0,5 мил для каждой пластины и 1 мил для каждого зазора. В каждом случае и для каждого размера отклонение представляет собой равномерно распределенное случайное число, абсолютное значение которого меньше или равно максимально допустимому отклонению. Очевидно, что указанные допуски, которые можно легко обеспечить на практике, мало влияют на рабочие характеристики отражателя.

Как упоминалось ранее, произвольная поляризованная падающая волна может быть представлена в виде суперпозиции ТЕ волны и ТМ волны, падающих под одним и тем же углом. Если угол падения составляет θ_inc и проекция электрического поля на плоскость xy (см. фиг.1) составляет угол φ_pol относительно оси x, то коэффициент пропускания может быть выражен через коэффициенты пропускания составляющих ТЕ и ТМ волн в виде

Заметим, что φ_pol=0°, если падающая волна является ТМ волной, и φ_pol=90°, если падающая волна является ТЕ волной.

На фиг.4 представлен график, демонстрирующий изменение коэффициента пропускания в зависимости от угла поляризации. Из графика видно, что при изменении угла поляризации влияние ТЕ и ТМ волн носит то конструктивный, то деструктивный характер. Коэффициент пропускания достигает максимального значения, составляющего -58,78 дБ, при φ_pol=35° и 215°, и минимального значения, составляющего -108,25 дБ, при φ_pol=125,0° и 305,0°.

На фиг.5 представлено поэлементное изображение опытного образца рефлектора 200, спроектированного согласно принципам настоящего изобретения. Два узла отражателя одинаковой конструкции размещены внутри герметизированного корпуса 60 с передней крышкой 61. Кольцевые уплотнители 56 между внешними пластинами 50 из сапфира и алюминиевым корпусом 60, а также между алюминиевым корпусом 60 и передней крышкой 61 защищают от проникновения загрязнений снаружи. Вентилируемые металлические прокладки 54 поддерживают оптимальный зазор между соседними пластинами (50, 52). Т-образный зарядный клапан 72 и датчик давления 70 прикреплены к заправочному отверстию 84 для газа (показано на фиг.7) в корпусе 60 отражателя, а отсечной выпускной клапан 74 прикреплен к выпускному отверстию 86 (показанному на фиг.7) в корпусе 60 отражателя.

На фиг.6 детально представлена кольцевая вентилируемая металлическая прокладка 54. Газоотводы 62 позволяют удалять газовые загрязнения с помощью обезвоженного азота, которым узел отражателей заполняется во время процесса герметизации. В частности, это касается водяного пара, который, если не принять мер по его устранению из отражателя, может конденсироваться на поверхности пластин сапфира, что помешает наблюдению через отражатель.

На фиг.7 представлен внутренний вид корпуса 60 отражателя, где показано заправочное отверстие 84 для газа и выпускное отверстие 86. Дефлекторы 90 отражают поток газа, предотвращая его прохождение по пути наименьшего сопротивления (от заправочного отверстия 84 к выпускному отверстию 86) и направляя его через поверхности окна, что обеспечивает удаление загрязнений из внутренней части отражателя во время процесса заполнения газом.

На фиг.8 представлен вид спереди отражателя 200 в сборе, где показаны первый и второй отражатели (80, 82) внутри герметизированного корпуса 60 с передней крышкой 61. На фиг.9 показан вид сзади рефлектора 200 в сборе. На обоих чертежах показано, что Т-образный заправочный клапан 72 и датчик 70 давления прикреплены к заправочному отверстию 84 для газа (показанному на фиг.7), а отсечной выпускной клапан 74 прикреплен к выпускному отверстию для вывода газа (показанному на фиг.7).

После того, как отражатель 200 будет наполнен обезвоженным азотом до абсолютного давления 1 фунт на квадратный дюйм, клапаны, прикрепленные к каждому отверстию, закрываются. Датчик 70 давления, прикрепленный к заправочному отверстию 84 для газа, позволяет контролировать давление газа в процессе эксплуатации. Если абсолютное давление падает ниже 0,25 фунт на квадратный дюйм, то подача газа должна быть возобновлена и давление восстановлено до его номинального значения.

Таким образом, настоящее изобретение описано со ссылками на конкретный вариант его осуществления, предназначенный для конкретного применения. Специалисты в данной области техники, на основе принципов настоящего изобретения, смогут предложить дополнительные модификации, применения и варианты в рамках объема изобретения.

Таким образом, предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает каждый в отдельности и все указанные применения, модификации и варианты осуществления, лежащие в рамках объема настоящего изобретения.

Система миллиметрового диапазона содержит устройство для отражения падающего луча миллиметрового диапазона и для пропускания оптических частот. Устройство содержит: первый слой диэлектрического материала, выполненный с возможностью приема и частичного пропускания падающего луча миллиметрового диапазона, и один или несколько дополнительных слоев из диэлектрических материалов, выровненных относительно первого слоя. Дополнительный слой частично пропускает волну, принятую через предыдущий слой, при этом толщина каждого слоя такова, что передаваемые волны по существу гасятся в прямом направлении, в результате чего обеспечивается высокий уровень потерь на распространение и высокое отражение, вследствие чего устройство отражает падающий луч миллиметрового диапазона, оставаясь оптически прозрачным. Устройство может содержать чередующиеся слои оптического сапфира и воздуха. Обеспечивается отражение частот миллиметрового диапазона и пропускание оптических частот без их искажения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система миллиметрового диапазона, содержащая устройство для отражения падающего луча миллиметрового диапазона и для пропускания оптических частот, причем упомянутое устройство содержит первый слой диэлектрического материала, выполненный с возможностью приема и частичного пропускания падающего луча миллиметрового диапазона, и один или несколько дополнительных слоев из диэлектрических материалов, выровненных относительно первого слоя, причем каждый дополнительный слой частично пропускает волну, принятую через предыдущий слой, при этом толщина каждого слоя такова, что передаваемые волны, по существу, гасятся в прямом направлении, в результате чего обеспечивается высокий уровень потерь на распространение и высокое отражение, вследствие чего устройство отражает падающий луч миллиметрового диапазона, оставаясь оптически прозрачным.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что слои выполнены поочередно из первого и второго диэлектрических материалов.3. Система по п.2, отличающаяся тем, что первым диэлектрическим материалом является оптический сапфир.4. Система по п.3, отличающаяся тем, что вторым диэлектрическим материалом является воздух.5. Система по п.2, отличающаяся тем, что количество слоев первого диэлектрического материала равно семи с шестью слоями второго диэлектрического материала между ними.6. Система по п.5, отличающаяся тем, что внешние слои первого диэлектрического материала имеют номинальную толщину 70,8 мил, внутренние слои первого диэлектрического материала имеют номинальную толщину 30,4 мил, а слои второго диэлектрического материала имеют номинальную толщину 32,0 мил.7. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое устройство содержит прокладки, обеспечивающие выдерживание корректной толщины слоев второго диэлектрического материала.8. Система по п.7, отличающаяся тем, что прокладки включают в себя газоотводы для удаления газовых загрязнений.9. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое устройство включает в себя герметизированный корпус.10. Система по п.9, отличающаяся тем, что герметизированный корпус заполнен обезвоженным азотом.11. Система по п.9, отличающаяся тем, что герметизированный корпус включает в себя заправочное отверстие для ввода газа.12. Система по п.11, отличающаяся тем, что герметизированный корпус включает в себя выпускное отверстие для вывода газа.13. Система по п.12, отличающаяся тем, что герметизированный корпус включает в себя дефлекторы для направления потока газа.14. Способ отражения падающего луча миллиметрового диапазона для системы по п.1, заключающийся в том, что обеспечивают прием падающего луча миллиметрового диапазона первым слоем диэлектрического материала, который частично пропускает волну миллиметрового диапазона, и распространение прошедшей волны через один или несколько дополнительных слоев диэлектрических материалов, выровненных относительно первого слоя, и частично пропускают через каждый дополнительный слой волну, принятую через предыдущий слой, в результате чего пропущенные через них волны, по существу, гасятся в прямом направлении, обеспечивая в результате высокий уровень потерь на распространение и высокое отражение, в результате чего устройство отражает падающий луч миллиметрового диапазона, оставаясь оптически прозрачным.