ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЕТОФИЛЬТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК G02B5/28 G01B9/02 

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений полного внутреннего отражения и интерференции световых потоков, в том числе, устройствам оптических фильтров, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

Решается проблема создания светофильтров, обладающих высокой разрешающей способностью, то есть узкой полосой пропускания, с одновременным обеспечением широкой свободной спектральной области.

В качестве аналога взяты известные устройства типа эталонов Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989], содержащие прозрачную плоскую пластину, на противостоящие поверхности которой нанесены полупрозрачные зеркальные покрытия. По принципу действия эталоны являются оптическими резонаторами со стоячей световой волной. При пропускании через эталон коллимированного оптического излучения между зеркальными покрытиями вследствие многократных отражений возникает многолучевая интерференционная картина, излучение проходит эталон только на тех длинах волн спектра, на которых между пластинами возникает резонанс, то есть, укладывается целое число полуволн. Ширина формируемой эталоном полосы спектра проходящего излучения определяется во многом коэффициентом отражения зеркальных покрытий; при использовании металлических покрытий этот коэффициент порядка 0,9 и меньше.

Преимуществом интерферометров Фабри-Перо над светофильтрами других типов, например, дифракционными, является их большая светосила; недостатком аналога являются значительные потери световой энергии на зеркалах, что приводит к значительной ширине спектральной полосы пропускания при малых порядках интерференции, то есть, к недостаточно высокой разрешающей способности устройства при использовании его в качестве светофильтра, а при больших порядках интерференции, при которых светофильтр имеет непревзойденно большую разрешающую способность, резко уменьшается область дисперсии (свободная спектральная область).

В качестве прототипа взят интерференционный многолучевой светофильтр (оптический резонатор) [Иогансен Л.В. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением. / Л.В. Иогансен // ЖТФ - 1962 - Т. 32., вып.4 - С.406-418], в котором вместо отражения света от пленочных зеркал, как в эталоне Фабри-Перо, используется эффект полного внутреннего отражения на границе между диэлектриками с разными показателями преломления. Для ввода - вывода излучения в прототипе используется одна или две оптических призмы; в качестве отражающих зеркал - слои прозрачного диэлектрика в промежутке между пластиной и призмой; слои имеют показатель преломления меньше, чем показатели пластины и призмы. Толщины слоев порядка длины волны используемого света. При направлении коллимированного светового потока на входную грань призмы ввода световая волна преломляется и падает изнутри призмы на слой с меньшим показателем преломления под острым углом, и при определенных условиях наблюдается эффект полного внутреннего отражения: волна возвращается в призму ввода, но частично проникает в пластину и может распространяться в ней подобно распространению в световоде. Выходящее из фильтра излучение формируется из прошедших в результате оптического туннелирования сквозь поверхности с полным внутренним отражением лучей и их интерференции между собой. Явление полного внутреннего отражения имеет место только в прозрачных слоях, и поэтому оптические потери вследствие поглощения света практически исключены. Однако, в связи с наклонным падением лучей на внутреннюю пластину, лучи в ней при многократных отражениях распространяются, как в световоде, вдоль пластины к ее краю, и часть электромагнитной волны теряется на краю пластины, не выходя наружу через призму ввода-вывода излучения.

Таким образом, фильтр - прототип также обладает недостаточной разрешающей способность, хотя его отражающие поверхности могут иметь сколь угодно малые оптические потери благодаря использованию эффекта полного внутреннего отражения.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание оптического фильтра, обладающего узкой спектральной полосой и одновременно широкой свободной спектральной областью.

Задача решается тем, что в интерференционном многолучевом светофильтре, содержащем на плоской поверхности планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, оптически изолированные от волновода равномерными воздушными зазорами или равномерным тонким слоем прозрачного диэлектрика с показателем преломления, меньшим, чем у призм и волновода, в соответствии с изобретением, упомянутой поверхностью является полноотражающая грань призмы вывода излучения, а на волноводе поверх оптически изолирующего слоя, имеющего меньшую толщину, чем оптически изолирующий слой под волноводом, закреплена полноотражающей гранью призма ввода излучения, которая занимает часть грани призмы вывода.

Предлагается также на смежный с входной призмой участок поверхности грани выходной призмы нанести тонкопленочную поглощающую маску, выступающую по ходу луча в волноводе за край входной призмы.

Предложен также вариант интерференционного многолучевого светофильтра, содержащий на поверхности плоской пластины планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, расположенные над волноводом последовательно по ходу излучения, причем волновод оптически изолирован от пластины и призм воздушными зазорами или тонким слоем прозрачного диэлектрика с показателем преломления, меньшим, чем у призм и волновода, в котором в соответствии с изобретением, смежная с волноводом грань призмы ввода излучения много меньше смежной с волноводом грани призмы вывода излучения и расположена от волновода на меньшем оптическом расстоянии, чем грань призмы вывода излучения.

Предлагается также, что участки волновода, предназначенные для ввода и вывода излучения не совпадают.

Изобретение поясняется с помощью фиг.1-4.

Фиг.1 - схема интерференционного многолучевого светофильтра, основанного на использовании эффекта полного внутреннего отражения, показанного в двух проекциях (а) и (в). Здесь 1 - призма ввода излучения в планарный световод 3, 2 - призма вывода излучения из световода, 4 и 5 - прозрачные диэлектрические пленки, изолирующие световод и имеющие показатель преломления, меньший, чем у световода и призм, n со значком внизу - показатели преломления соответствующих номеру значка элементов устройства, 6 и 7 - грани призм входа и выхода излучения. Стрелками обозначены потоки излучения на входе в светофильтр и на выходе из него.

Фиг.2 - схема интерференционного многолучевого светофильтра, основанного на использовании эффекта полного внутреннего отражения. Здесь 8 - непрозрачная маска, остальные обозначения соответствуют фиг.1.

Фиг.3 - схема варианта интерференционного многолучевого светофильтра, основанного на использовании эффекта полного внутреннего отражения. Здесь 9 - планарный световод, 10 - призма ввода излучения в планарный световод, 11 - призма вывода излучения из световода, 12 - прозрачный изолирующий, призму ввода излучения, слой с показателем преломления, меньшим, чем у волновода и призмы 1, 13 - прозрачный изолирующий, призму вывода излучения, слой с показателем преломления, меньшим, чем у волновода и призмы 11, 14 - базовая прозрачная плоская пластина, n со значком внизу - показатели преломления соответствующих номеру значка элементов устройства, l - длина участка волновода с пространственно-неустановившимся режимом прохождения излучения, l_ВХ - длина участка волновода, смежного с прилегающей к волноводу гранью призмы ввода излучения, l_ВЫХ - длина участка волновода, смежного с прилегающей к волноводу гранью призмы вывода излучения. Стрелками обозначены потоки излучения на входе в светофильтр и на выходе из него.

Фиг.4 - схема конструкции монохроматора на основе использования интерференционного многолучевого светофильтра. Здесь 15 - излучатель, 16 - линза. 17 - регулируемая щель с регулируемым положением в фокальной плоскости, f - фокусное расстояние линзы.

В соответствии с фиг.1 входящее коллимированное излучение падает на грань 6 призмы, проходит призму I ввода излучения и туннелирует в световод 3 через тонкую прозрачную пленку 4, имеющую показатель преломления меньше, чем у призмы и световода и толщину меньше длины волны. Пленка может быть заменена воздушным зазором. Излучение в волноводе имеет модовый характер и распространяется зигзагообразно. При каждом падении луча на сторону волновода, смежную с призмой 2, часть излучения, пройдя вследствие туннелирования слой 5 с показателем преломления n₅, меньшим показателей преломления волновода и призмы 2, входит в призму 2 и распространяется в ней под углом φ к ее грани, смежной с волноводом. Угол падения излучения изнутри призмы ввода излучения на ее поверхность, смежную со световодом, больше угла полного внутреннего отражения (ПВО) на этой поверхности, что обусловлено соотношением значений показателей преломления контактирующих в рассматриваемой области сред.

Лучи, вышедшие из соседних мест падения излучения изнутри световода на его границу, смежную с призмой, должны отличаться по фазе на целое число 2π радиан, в этом случае эти лучи и все остальные лучи, вышедшие из световода, могут интерферировать между собой с образованием максимума интерференции.

Возбуждение волн световода, имеющего вид изолированной от подложки пленки, требует для падающего пучка угла падения на базовую (смежную с волноводом) грань призмы 1, равного:

$${\varphi }^{\text{'}}=\arcsin \left({\gamma }_m/n_{{}^1}\right),\left(1\right)$$

где γ_m=n₃sinθ_m - замедление волны в волноводе, θ_m - угол падения луча моды m в волноводе на его поверхность.

Угол моды определяется длиной волны излучения, показателем преломления и толщиной световода. При наличии в падающем коллимированном световом потоке излучения разных длин волн, распространяющихся по одному направлению, с модой волновода совпадет только излучение с одной длиной волны, световые потоки с другими длинами волн вследствие интерференции по мере распространения в волноводе затухают. Для выделения излучения с другой длиной волны необходимо изменить угол падения излучения на призму так, чтобы излучение, попавшее в волновод, соответствовало модовой картине волновода (углу моды θ_m) для этой длины волны.

Пройдя призму вывода излучения, излучение фокусируется, в фокальной плоскости линзы устанавливается диафрагма со щелью. Пропущенное щелью излучение попадает на фотоприемник; щель вырезает из спектра прошедшего светового потока излучение одной моды волновода.

Необходимое соотношение между значениями показателей преломления волновода и примыкающих к нему сред для симметричного волновода следующее:

$$n_1=n_2\succ {\gamma }_m\succ n_4=n_5,\left(2\right)$$

На фигурах изображена структура с симметричным волноводом. Показатели преломления призм равны между собой, показатели преломления слоев 4 и 5 также равны между собой и меньше, чем у призм.

Вошедшее в призму 2 излучение распространяется в ней под углом φ к ее базовой грани:

$$\varphi =\arcsin \left({\gamma }_m/\left(n_2=n_1\right)\right).\left(3\right)$$

Число лучей N, на которые расщепляется при движении в волноводе каждый вошедший в него луч и вышедших из призмы 2, приблизительно равно числу падений луча в волноводе на его смежную с призмой сторону:

$$N\approx \frac{L}{2htg{\theta }_m}\left(4\right)$$

где L - длина всего волновода, h - его толщина.

Тот факт, что призма с большей гранью расположена от поверхности волновода на большем оптическом расстоянии, чем малая призма (пленка 5 толще пленки 4), увеличивает число N лучей, выходящих из большой призмы, так как на каждый луч приходится меньшая доля энергии вследствие увеличивающегося затухания при туннелировании сквозь более толстую пленку.

Часть излучения, распространяющегося в волноводе, вследствие туннелирования проникает в слой 4 с показателем преломления n4=n5, но, вследствие того, что он граничит с внешней стороны структуры с воздухом, излучение возвращается в волновод.

Область дисперсии в предложенном интерференционном устройстве может быть определена по аналогии с интерферометром Фабри-Перо выражением:

$$\Delta \lambda =\lambda /m,\left(5\right)$$

где m - порядок интерференции при формировании интерференционной картины, совпадающий с номером моды распространения луча света в волноводе.

Разрешающая способность предложенного интерференционного устройства, также аналогично интерферометру Фабри-Перо, определяется выражением:

$$A=Nm\left(6\right)$$

Здесь N - число интерферирующих лучей, равное числу вышедших из призмы 2 лучей.

Приведем численный расчет, базируясь на книге [Волноводная оптоэлектроника: Пер. с англ. / Под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1991 - 575 с.], с.28-30. Примем, что в волноводе распространяется мода m=2, n₃=1,7. n₄=n₅=1,5, h=1,25 мкм, λ=1 мкм. Получим значение угла моды θ₂=62°. Если показатели преломления призм равны показателю волновода, то углы распространяющегося внутри волновода луча относительно нормали к базовым граням призм равны θ₂=62°. Расчет по (3) показывает также, что φ=θ₂. Знание φ позволяет вычислить геометрические размеры призм. При размере базовой грани выходной призмы вдоль волновода L=5 см в соответствии с (4) найдем число лучей, выходящих из призмы: N=10⁴. Окончательно получим: разрешающая способность интерференционного фильтра A=Nm=2·10⁴, область дисперсии Δλ=λ/m=0,5 мкм. Светосила фильтра приблизительно определяется площадью входной грани входной призмы и пропорциональна размеру грани в плоскости рисунка l=0,5 см.

Сравним полученные выше расчетные параметры предлагаемого интерференционного фильтра с типичными параметрами распространенных оптических фильтров:

на основе дифракционной решетки:

- m=2, λ=0,5 мкм, Δλ=0,25 мкм в первом порядке спектра, A=10⁴ светосила пропорциональна ширине входной щели осветителя решетки (порядка 0,001-0,01 см);

на основе интерферометра Фабри-Перо:

- h=2,5 см, λ=0,5 мкм, m=10⁵, A=3·10⁶, Δλ=0,5·10^-5 мкм.

Сравнение показывает, что рассматриваемый в изобретении светофильтр близок по спектральным характеристикам к дифракционному фильтру, но превосходит его в 50-500 раз по светосиле; уступает интерферометру Фабри-Перо по разрешению при работе последнего в режиме использования больших порядков интерференции, но превосходит его на 5 порядков величины по ширине области дисперсии.

На фиг.2 иллюстрируется метод устранения из рабочего участка волновода вытекающих из волновода световых потоков при формировании в нем пространственно-установившегося модового режима. Рефрагирующие лучи, вышедшие из волновода, поглощаются маской 8, длина маски по ходу луча должна быть больше прилегающей к волноводу грани призмы ввода излучения. Возникающее удаление призмы ввода излучения от рабочих участков волновода и призмы вывода излучения, формирующих апертуру выходящего пучка излучения (на фиг.2 показанных стрелками выходящих лучей) необходимо также для интерференционного устранения не рефрагирующих лучей, чьи направления в световоде не соответствуют направлениям мод на длине волны этих лучей.

Изображенный схематически на Фиг.3 вариант многолучевого интерференционного светофильтра также использует симметричный волновод, но расположение призм с одной стороны волновода потребовало ввести в конструкцию интерферометра базовую прозрачную пластину - основание 14, на которой располагается планарный волновод, изолирующие прослойки и призмы. Излучение входит в призму 10, испытывает на базовой грани призмы полное внутреннее отражение и частично туннелирует через прозрачную пленку 12, имеющую показатель преломления меньше, чем у волновода и призмы, в волновод. В волноводе излучение распространяется зигзагообразно под углом падения, соответствующим моде волновода. На границе с пластиной 14 имеет место полное внутреннее отражение излучения, распространяющегося в волноводе, при этом излучение вследствие туннелирования проникает на некоторую глубину в пластину, но, в связи с ее большой толщиной, возвращается в волновод. Участки прозрачной прослойки 12 и 13 имеют одинаковые с пластиной показатели преломления, меньшие показателей призм 10 и 11 и волновода, излучение туннелирует сквозь прослойку из призмы 10 в волновод и из волновода в призму П. Интенсивность излучения при туннелировании из призмы 10 должна быть больше, чем из волновода в призму 11, что обеспечивается большей толщиной участка 13 (под призмой 11) прослойки, чем под входной призмой 10. При выполнении последнего условия увеличивается число «зигзагов» луча в волноводе и число лучей, прошедших выходную призму 11 и интерферирующих между собой, что, как показано выше, увеличивает разрешение интерференционного светофильтра.

При прохождении излучения в волноводе по участку длиной l (фиг.3) из светового потока устраняются рефрагирующие лучи, вытекающие в окружающее волновод пространство, и проходит интерференционное самоустранение лучей в волноводе, чьи направления не совпадают с модами волновода для длин волн этих лучей. Этот участок располагается между краями участков l_ВХ и l_ВЫХ волновода, предназначенных для ввода и вывода излучения.

Все расчеты, выполненные для светофильтра по п.1 формулы, справедливы и для варианта по п.3 формулы.

На фиг.4 показана, как пример возможного применения светофильтра по изобретению оптическая схема монохроматора на основе использования в качестве диспергирующего элемента многолучевого интерференционного светофильтра. В качестве излучателя 15 используется источник света с «белым» спектром излучения и световым потоком, имеющим поперечные и угловые размеры, перекрывающие линейную и угловую апертуры входной призмы. Вышедшее из призмы 2 монохроматизированное излучение фокусируется линзой 16; в фокальной плоскости линзы формируется картина оптического спектра; в этой плоскости размещают диафрагму с регулируемой по ширине и расположению прозрачной щелью 17. Перемещая щель в фокальной плоскости, перестраивают монохроматор по длине волны пропускаемого излучения; щель позволяет также устранять из спектра световые потоки почти всех мод волновода, кроме одной моды. Таким образом, устройство разлагает излучение в спектр по длинам волн, подобно дифракционной решетке.

При направлении на светофильтр параллельного пучка немонохроматического коллимированного излучения для достижения эффекта сканирования по длинам волн, пропускаемых светофильтром, необходимо, как и в случае с решеткой, поворачивать устройство относительно направления падающего излучения, так как лучи с разными длинами волн имеют разные углы мод в волноводе. Центром вращения должно быть место попадания лучей из входной призмы в световод.

Для изготовления устройства по изобретению используются материалы и технология, применяемые в оптической промышленности. Для призм можно использовать сапфир (n=1,75) или стекло ТФ (n=1,7-1,9), для изолирующих пленок и пластины - плавленый кварц. Важным является изготовление оптических поверхностей призм и пластины с высокой степенью плоскостности.

Приведенные объяснения показывают, что выполнение поставленной задачи может быть обеспечено описанными техническими решениями.

Техническим результатом изобретения является создание светофильтра, обладающего высоким разрешением, большой областью дисперсии и высокой светосилой.

Изобретение может использоваться в оптике и оптоэлектронике - в качестве узкополосного светофильтра, в качестве диспергирующего устройства монохроматоров и спектрофотометров.

Изобретение может использоваться в качестве узкополосного светофильтра и в качестве диспергирующего устройства монохроматоров и спектрофотометров. Светофильтр содержит на плоской поверхности планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, оптически изолированные от волновода равномерными воздушными зазорами или равномерным тонким слоем прозрачного диэлектрика с показателем преломления, меньшим, чем у призм и волновода. В первом варианте упомянутой поверхностью является полноотражающая грань призмы вывода излучения, а на волноводе поверх оптически изолирующего слоя, имеющего меньшую толщину, чем оптически изолирующий слой под волноводом, закреплена полноотражающей гранью призма ввода излучения, которая занимает часть грани призмы вывода. Во втором варианте используется поверхность плоской пластины, смежная с волноводом грань призмы ввода излучения много меньше смежной с волноводом грани призмы вывода излучения и расположена от волновода на меньшем оптическом расстоянии, чем грань призмы вывода излучения. Технический результат - создание светофильтра, обладающего высоким разрешением, большой областью дисперсии и высокой светосилой. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интерференционный многолучевой светофильтр, содержащий на плоской поверхности планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, оптически изолированные от волновода равномерными воздушными зазорами или равномерным тонким слоем прозрачного диэлектрика с показателем преломления, меньшим, чем у призм и волновода, отличающийся тем, что упомянутой поверхностью является полноотражающая грань призмы вывода излучения, а на волноводе поверх оптически изолирующего слоя, имеющего меньшую толщину, чем оптически изолирующий слой под волноводом, закреплена полноотражающей гранью призма ввода излучения, которая занимает часть грани призмы вывода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на смежный с входной призмой участок поверхности грани выходной призмы нанесена тонкопленочная поглощающая маска, выступающая по ходу луча в волноводе за край входной призмы.

3. Интерференционный многолучевой светофильтр, содержащий на поверхности плоской пластины планарный оптический волновод и призмы ввода в волновод и вывода излучения, расположенные над волноводом последовательно по ходу излучения, причем волновод оптически изолирован от пластины и призм воздушными зазорами или тонким слоем прозрачного диэлектрика с показателем преломления, меньшим, чем у призм и волновода, отличающийся тем, что смежная с волноводом грань призмы ввода излучения много меньше смежной с волноводом грани призмы вывода излучения и расположена от волновода на меньшем оптическом расстоянии, чем грань призмы вывода излучения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что смежные края участков волновода ввода и вывода излучения не совпадают.