ГОЛОГРАММНЫЙ ФИЛЬТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G02B5/20 G02B5/32 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам фильтрации оптического излучения и может быть использовано в спектральных приборах и датчиках различного назначения, а также для защиты органов зрения и фотоприемных устройств от лазерного излучения.

Известны полосовые интерференционные фильтры [см., например, Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А., Хайбуллин И.Б. Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. "ФЭН", г.Казань, 2002 г., стр.2]. Интерференционный полосовой фильтр представляет собой систему слоев, толщина и коэффициент преломления которых подбираются так, чтобы обеспечить интерференционное ослабление излучения в области подавления и максимальную прозрачность в полосе пропускания.

Недостатками этих фильтров являются сложность изготовления, жесткие требования к условиям эксплуатации.

Известны комбинированные светофильтры из цветного стекла, например комбинированный светофильтр для выделения линий ртутного спектра [Каталог цветного стекла. «Машиностроение», г.Москва, 1967 г.]. Этот светофильтр состоит из двух или трех пластин цветного стекла, марка и толщина которых подбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальное пропускание в спектральном интервале с полушириной >30 нм и максимальное подавление за пределами этого интервала.

Недостатками этих фильтров являются большая ширина полосы пропускания, низкая лучевая прочность.

Наиболее близким по техническому решению является голограммный вырезающий фильтр [U.S. Patent 4, 965, 152. Holographic Notch filters / Keys et al. (23.10.90).]. Этот фильтр состоит из прозрачной подложки, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму.

Недостатком прототипа является относительно большая спектральная полуширина полосы отражения, составляющая величину порядка 7-50 нм.

Задачей изобретения является создание голограммного выделяющего фильтра с полушириной полосы пропускания порядка нескольких нанометров, с высоким коэффициентом пропускания в полосе пропускания и высоким коэффициентом ослабления в области подавления, с высокой лучевой прочностью, простого в изготовлении и эксплуатации за счет использования зависимости положения спектрального пика отражения отражательной голограммы от угла падения излучения на отражательную голограмму.

Поставленная цель достигается тем, что в голограммном фильтре, состоящем из прозрачной подложки, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму, и защитного слоя, прилегающего к прозрачной полимерной пленке, защитный слой выполнен в виде оптического клина, рабочая поверхность которого, за исключением окна для ввода излучения в тонкой части клина, покрыта отражающим слоем.

Поставленная цель достигается тем, что в голограммном фильтре, состоящем из прозрачной подложки, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму, и защитного слоя, прилегающего к прозрачной полимерной пленке, дополнительно содержится зеркало, установленное напротив отражательной голограммы с возможностью изменения угла между зеркалом и отражательной голограммой.

Голограммный фильтр с оптическим клином представлен на фиг.1.

Голограммный фильтр с зеркалом представлен на фиг.2.

Ход лучей в голограммном фильтре с оптическим клином представлен на фиг.3.

Ход лучей в голограммном фильтре с зеркалом представлен на фиг.4.

Принцип работы голограммного фильтра с оптическим клином показан на фиг.5.

Принцип работы голограммного фильтра с зеркалом показан на фиг.5.

Экспериментальная кривая пропускания голограммного фильтра с оптическим клином представлена на фиг.6.

Экспериментальная кривая пропускания голограммного фильтра с зеркалом представлена на фиг.7.

Голограммный фильтр с оптическим клином состоит из прозрачной подложки 1, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму 2, и защитного слоя 3, прилегающего к прозрачной полимерной пленке, выполненного в виде оптического клина, рабочая поверхность которого, за исключением окна в узкой части клина, служащего для ввода излучения, покрыта отражающим слоем 4.

Голограммный фильтр с зеркалом состоит из прозрачной подложки 1, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму 2, прозрачного защитного слоя 3, прилегающего к прозрачной полимерной пленке, и зеркала 4, установленного напротив отражательной голограммы с возможностью изменения угла между зеркалом и отражательной голограммой.

Голограммный фильтр с оптическим клином работает следующим образом: пучок оптического излучения со сплошным спектром 5 проходит сквозь защитный слой 3, выполненный в виде оптического клина, и падает на отражательную голограмму 2. Отраженный от отражательной голограммы пучок 6 падает на покрытую отражающим слоем часть оптического клина 4 и, отразившись, проходит через ту же отражательную голограмму 2, но под бóльшим углом, затем проходит сквозь прозрачную подложку 1 и выходит из фильтра. В результате коротковолновая составляющая 8 излучения отражается от голограммы, а длинноволновая 9 выходит из оптического элемента. При определенном значении угла в вершине оптического клина и достаточной крутизне длинноволновой границы спектрального контура отражения голограммы можно получить на выходе спектральный пик прошедшего излучения со спектральной полушириной в несколько раз меньше, чем у прототипа (фиг.4). Возможен также и обратный ход лучей, когда излучение сначала падает на прозрачную подложку 1, а рабочий пучок выходит со стороны защитного слоя 3. Паразитный спектральный пик в коротковолновой области в случае необходимости может быть подавлен отрезающим фильтром или еще одной отражательной голограммой.

Голограммный фильтр с зеркалом работает следующим образом: пучок оптического излучения со сплошным спектром 5 проходит сквозь защитный слой 3 и падает на отражательную голограмму 2. Отраженный от отражательной голограммы пучок 6 падает на зеркало, установленное напротив отражательной голограммы с возможностью изменения угла между зеркалом и отражательной голограммой 4, и, отразившись, вновь проходит через защитный слой 3 и отражательную голограмму 2, но под бóльшим углом, затем проходит сквозь прозрачную подложку 1 и выходит из фильтра. В результате коротковолновая составляющая 8 излучения отражается от голограммы, а длинноволновая 9 выходит из фильтра. При определенном значении угла между отражательной голограммой и зеркалом и достаточной крутизне длинноволновой границы спектрального контура отражения голограммы можно получить на выходе спектральный пик прошедшего излучения со спектральной полушириной в несколько раз меньше, чем у прототипа (фиг.5). Возможен также и обратный ход лучей, когда излучение сначала падает на прозрачную подложку 1, а рабочий пучок выходит со стороны защитного слоя 3. Паразитный спектральный пик в коротковолновой области в случае необходимости может быть подавлен отрезающим фильтром или еще одной отражательной голограммой.

Принцип работы голограммного фильтра с оптическим клином заключается в следующем: пучок света, со сплошным спектром проходя через отражательную голограмму, испытывает отражение в узком спектральном интервале (фиг.5,а). Положение спектрального пика отражения зависит от угла падения излучения на отражательную голограмму. С увеличением угла падения спектральный пик отражения голограммы смещается в коротковолновую область (фиг.5,б, в). В голограммном выделяющем фильтре происходит двойная фильтрация излучения. Сначала выделяется некоторая спектральная область путем отражения падающего излучения от отражательной голограммы, затем от этой области отрезается коротковолновая часть путем прохождения полученного пучка через ту же голограмму под бóльшим углом. В результате получается узкий спектральный пик, представленный на фиг.4.

Принцип работы голограммного фильтра с зеркалом заключается в следующем: пучок света, со сплошным спектром проходя через отражательную голограмму, испытывает отражение в узком спектральном интервале (фиг.5,а). Положение спектрального пика отражения зависит от угла падения излучения на отражательную голограмму. С увеличением угла падения спектральный пик отражения голограммы смещается в коротковолновую область (фиг.5,б, 5,в). В голограммном выделяющем фильтре происходит двойная фильтрация излучения. Сначала выделяется некоторая спектральная область путем отражения падающего излучения от отражательной голограммы, затем от этой области отрезается коротковолновая часть путем прохождения полученного пучка через ту же голограмму под бóльшим углом. В результате получается узкий спектральный пик, представленный на фиг.4.

Для расчета габаритов клина и рабочих характеристик голограммного фильтра с оптическим клином введем следующие обозначения: d_o - ширина падающего пучка, α - угол в вершине оптического клина, n - коэффициент преломления материала оптического клина, φ - угол падения пучка на поверхность защитного элемента, ψ - угол преломления.

Тогда минимальная толщина оптического клина, при которой не происходит наложения падающего и отраженного пучков внутри оптического клина, определяется формулой:

где угол преломления на поверхности оптического клина определяется формулой:

Толщина оптического клина при расчете оптической системы может быть увеличена из технологических соображений, т.е. возможно использование клина с произвольной толщиной х>x_min. Минимальная высота клина для данной толщины х и ширины пучка d_o:

Минимальная протяженность отражающего покрытия, которое необходимо нанести на рабочую поверхность оптического клина:

Увеличение оптической системы определяется соотношением:

При n>1 эта величина меньше единицы, т.е. происходит сужение пучка.

Отклонение луча от первоначального направления:

Δφ=arcsin(nsin(ψ+3α))-φ.

Для расчета габаритов и рабочих характеристик голограммного фильтра с зеркалом введем следующие обозначения: d_o - ширина падающего пучка, α - угол между плоскостью голограммы и зеркалом, φ - угол падения пучка на поверхность голограммы.

Тогда минимальное расстояние между отражательной голограммой и точкой пересечения верхней границы падающего пучка (согласно фиг.2) с плоскостью, в которой лежит рабочая поверхность зеркала, при которой не происходит наложения падающего и отраженного пучков внутри устройства:

Минимальная высота отражательной голограммы для данного расстояния х и ширины пучка d_o:

Минимальная протяженность зеркала:

Увеличение оптической системы:

G=1.

Отклонение луча от первоначального направления:

Δφ=3α.

Голограммный фильтр с оптическим клином может представлять собой склейку из отражательной голограммы и оптического клина, частично покрытого отражающим покрытием. Оптический клин обеспечивает изменение угла падения излучения на отражающий узкополосный фильтр при повторном прохождении и дополнительно выполняет функцию защитного стекла.

Голограммный фильтр с зеркалом может представлять собой компактное устройство, снабженное поворотными и/или линейными подвижками, позволяющими изменять угол между голограммой и зеркалом. В зависимости от назначения фильтра возможны различные варианты конструкции. Например: голограмма и зеркало размещаются на платформе, причем один из элементов имеет вращательную подвижку; голограмма закреплена неподвижно, а зеркало имеет вращательную и линейную подвижку; голограмма и зеркало размещаются на двух штангах, закрепленных одним концом на общей оси вращения, и снабжаются вращательными подвижками и т.д.

Конструкция голограммного фильтра с оптическим клином позволяет получать узкие спектральные полосы оптического излучения, полуширина которых может быть в несколько раз меньше, чем у прототипа, при относительно высоком коэффициенте пропускания в полосе пропускания и высоком коэффициенте ослабления в области подавления.

Конструкция голограммного фильтра с зеркалом позволяет получать узкие спектральные полосы оптического излучения, полуширина которых может быть в несколько раз меньше, чем у прототипа, при относительно высоком коэффициенте пропускания в полосе пропускания и высоком коэффициенте ослабления в области подавления, а также за счет изменения углов падения излучения на отражательную голограмму позволяет перестраивать рабочую длину волны и пропускание.

Конструкция голограммного фильтра с оптическим клином обеспечивает высокую лучевую прочность за счет использования материалов слабо поглощающих в заданном диапазоне длин волн. Голограммный выделяющий фильтр может использоваться как в лабораторных, так и в полевых условиях, поскольку не теряет своих свойств в широком диапазоне температур и влажности. Изготовление компонентов и сборка оптического элемента не представляют технологических трудностей для оптического производства.

Конструкция голограммного фильтра с зеркалом обеспечивает высокую лучевую прочность за счет использования материалов слабо поглощающих в заданном диапазоне длин волн. Голограммный выделяющий фильтр может использоваться преимущественно в лабораторных условиях. Изготовление компонентов и сборка устройства не представляют технологических трудностей для оптического производства.

Голограммный фильтр относится к устройствам фильтрации оптического излучения. Фильтр состоит из прозрачной подложки, покрытой прозрачной полимерной пленкой, которая содержит отражательную голограмму, и защитного слоя, который прилегает к полимерной пленке. В первом варианте защитный слой выполнен в виде оптического клина, рабочая поверхность которого, за исключением окна для ввода излучения в тонкой части клина, покрыта отражающим слоем. Во втором варианте фильтр дополнительно содержит зеркало, установленное напротив отражательной голограммы с возможностью изменения угла между зеркалом и голограммой. При двойном прохождении излучения через отражательную голограмму под разными углами падения на выходе получается узкий спектральный пик прошедшего излучения. Технический результат - получение полуширины полосы пропускания порядка нескольких нанометров, высокого коэффициента пропускания в полосе пропускания, высокого коэффициента ослабления в области подавления, высокой лучевой прочности. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Голограммный фильтр, состоящий из прозрачной подложки, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму, и защитного слоя, прилегающего к прозрачной полимерной пленке, отличающийся тем, что защитный слой выполнен в виде оптического клина, рабочая поверхность которого, за исключением окна для ввода излучения в тонкой части клина, покрыта отражающим слоем.

2. Голограммный фильтр, состоящий из прозрачной подложки, покрытой прозрачной полимерной пленкой, содержащей отражательную голограмму, и защитного слоя, прилегающего к прозрачной полимерной пленке, отличающийся тем, что дополнительно содержит зеркало, установленное напротив отражательной голограммы с возможностью изменения угла между зеркалом и отражательной голограммой.