СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДИФФУЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G02F1/21 G02B5/28 

Изобретение относится к способу выделения и регистрации определенной спектральной составляющей излучения в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока выделяемого излучения и может найти применение в спектральном анализе (люминесцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, анализ слабосветящейся плазмы, диффузно рассеивющих поверхностей и т.п.) и лазерном зондировании рассеивающих и поглощающих природных сред (туман, растительность, водоемы) в условиях дневного освещения.

Отражающие и пропускающие интерференционные фильтры (ИФ) широко используются на практике для выделения отдельных участков спектра, для ширины которых δλ могут быть достигнуты значения δλ/λ~10^-3-10^-4, определяемые конструкцией фильтров (δλ/λ~N^-1, где N -число в фильтре слоев, содержащих скачок коэффициента преломления) при почти стопроцентном пропускании в центре выделяемого спектрального интервала [1].

При использовании ИФ по традиционным схемам (см., например, рис.1, где 1 - фронт падающего на ИФ светового потока, 2 - ИФ, 3 - собирающая линза, 4 - фотоприемник) для реализации такого спектрального разрешения и пропускания в выделяемом спектральном интервале необходимо освещение фильтра исследуемым потоком, направленным точно под определенным углом φ (чаще всего прямым) к поверхности фильтра с расходимостью внутри фильтра Δφ, не превышающей по полуширине при нормальном падении (Δφ при этом максимальна) [1]

$$\Delta \varphi \le {\left(2N^{-1}\right)}^{\frac{1}{2}}(1)$$

Если в падающем на фильтр потоке расходимость превышает это значение, все части этого потока, не удовлетворяющие вышеприведенным условиям, «не работают», т.е. не подвергаются спектральной фильтрации.

Условие (1) накладывает ограничение на интенсивность I выделенного фильтром светового потока

$$I=B_{\lambda }\delta \lambda {\left(\Delta \varphi \right)}^2{d}^2\le 2B_{\lambda }\delta \lambda N^{-1}{d}^2(2)$$ ,

где B_λ - спектральная яркость падающего на фильтр светового потока, d - размер ИФ. С практической точки зрения, рассчитанные по формуле (1) углы достаточно велики (см. таблицу), что делает ИФ весьма светосильным прибором

Но в ряде случаев использования интерференционных фильтров важно по возможности и повысить I, и уменьшить 8Х. Для высококачественного лазерного ИФ с N=10⁴ в соответствии с таблицей и формулой (2) в этом случае теряется при фильтрации 99% падающего на фильтр рассеянного лазерного излучения. Поскольку причиной этих потерь является ограничение, накладываемое формулой (1) на расходимость фильтруемого пучка, следует понять и устранить причину этого ограничения.

Формула (1) выведена на основе представления падающего на ИФ излучения как совокупности плоских волновых фронтов со случайной фазой, ориентированных в пределах Δφ. Далее будет использовано другое известное и легко объяснимое представление.

При расходимости ψ падающего на поверхность (например, интерференционного фильтра) излучения вокруг любой точки этой поверхности существует область пространственной когерентности размера порядка

$$1=\lambda /\psi (3)$$ ,

в пределах которой фаза колебаний монохроматического излучения меняется незначительно. Если представить падающее на ИФ излучение как мозаичный набор таких фрагментов плоских волн со случайной фазой и перпендикулярным к поверхности ИФ волновым вектором, расположенные под этими фрагментами участки фильтра можно рассматривать как отдельные независимые интерференционные фильтры (мини-ИФ). Интенсивность отфильтрованного каждым из них излучения определяется формулой (2) при замене d на 1, а суммирование по всем фрагментам дает саму формулу (2).

Но модель эта справедлива до тех пор, пока излучение в каждом из этих мини-ИФ распространяется через всю толщину интерференционного фильтра h (h=N λ/2), не перемешиваясь. Т.е. размер перекрывающихся частей соседних фрагментов на выходе из ИФ, равное hψ, должно остаться меньше самого размера 1.

$$\frac{N\lambda \psi }{2}\le \frac{\lambda }{\psi }$$

$${\psi }^2\le 2N^{-1},$$

что соответствует формуле (1) для Δφ. Этому же пределу ψ=Δφ соответствует 1=1_φ, которое приводится в таблице.

Т.о. причиной ограничений на допустимую расходимость Δφ является перемешивание излучения от соседних фрагментов плоских волн со случайной фазой в пределах самого фильтра. Для устранения этого фактора необходимо излучение этих фрагментов при 1<1_φ (и, соответственно, ψ>Δφ) изолировать друг от друга на всей толщине ИФ.

С этой целью в данной заявке предлагается традиционную одноканальную схему использования интерференционного фильтра (рис.1) заменить на многоканальную, один из вариантов которой для отражающего ИФ представлен на рис.2, где 5 - элемент ячеистой структуры (см. ниже), а остальные обозначения те же, что на рис.1.

Основой новой конструкции интерференционного фильтра является ячеистая структура с непрозрачными стенками высотой h и с поперечным размером полых ячеек 1, связанным с задаваемой величиной ψ формулой (3). При изготовлении такой структуры за основу могут быть приняты процедуры изготовления микроканальных пластин [2] или фотокристаллического оптического волокна [3]. Полости в ячейках должны быть заполнены фоторефрактивным материалом, например, фотополимером, а затем экспонированы сформированными в интерферометре встречными когерентными равными по интенсивности световыми пучками, монохроматизированными до необходимого уровня (δλ). Образовавшееся во встречных пучках поле стоячей световой волны сформирует в ходе экспозиции в каждой ячейке периодическую по коэффициенту преломления структуру - структуру интерференционного фильтра. Такая технология уже давно используется при создании брегговских решеток в световодах [4]. Предлагаемая структура похожа на световоды еще в одном отношении: при 1<<h проникающий в ячейку свет до выхода из нее испытывает множество отражений и необходимо, чтобы соотношение коэффициентов преломления материала ячеек и полимера обеспечивало для распространения света в канале ячейки полное внутреннее отражение и угол отсечки, равный ψ/2. В этом случае в каждой ячейке в силу соотношения (3) автоматически устанавливается режим одномодового световода с угловой апертурой ψ. Самое же существенное отличие этого канала от типичного оптического световода - малая толщина стенки ячейки: толщина кладинга световода должна была бы быть на порядок больше 1, чтобы обеспечить низкие потери на километровых трассах, но при h~1 мм для изоляции соседних каналов оказывается достаточно стенки с толщиной менее 2 мкм. (При монтаже предлагаемой системы из обычных световодов площадь самого ИФ занимала бы менее 1% площади конструкции).

Очевидно, что интенсивность, выделяемая брэгговской решеткой в каждой ячейке ИФ оценивается формулой

I=В_λδλ(ψ)²l²≤B_λδλλ²,

а для всего ИФ, построенного по предлагаемому многоканальному принципу, формулой

$$I\le B_{\lambda }\delta \lambda \frac{d^2}{l^2}{\lambda }^2(4)$$

Для уменьшениия 1 существует дифракционный предел

l≥λ,

и в этом идеализированном случае предельный выигрыш в интенсивности при N=10⁴ по формулам (2) и (4) составляет 5∙10³.

Опыт изготовления фотокристаллического волокна показывает, что в ячеистых структурах 1 может достигать 2 мкм, что соответствует ψ~¼ при λ=0,5 мкм. Тогда оценка по формулам (3), (2) и таблице предсказывает существенный выигрыш в допустимых значениях угла расходимости ψ (порядок) и интенсивности (2 порядка) фильтруемого диффузного светового потока по сравнению с одноканальным вариантом использования интерференционного фильтра с той же площадью и спектральным разрешением.

Таблица N Δλl H l_φ Δφ град Ψ=λ/1 при 1 равном град (ψ/Δφ)² при 1 равном   Å мм мкм   8 мкм 2 мкм 8 мкм 2 мкм 10² 50 0,05 4 8 3,6 14   3 10³ 5 0,5 11 2,5 2 30 10⁴ 0,5 5 36 0,8 20 320

λ=0,5 мкм

Т.о. предлагается новый способ спектральной фильтрации оптического излучения, основанный на явлении интерференции при взаимодействии светового потока с многослойными структурами с периодически меняющимся значением коэффициента преломления, при котором световой поток разделяют на всей толщине интерференционного фильтра ячеистой структурой с вертикальными светоизолирующими стенками. Это позволяет производить эту фильтрацию в световых потоках с произвольно высокой расходимостью при условии, что ячейки имеют сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости в анализируемом световом потоке

Литература

1. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972. 375 с.

2. Кулов С.К., Романов ГЛ., Петровский Г. Т., Попов М.Н. Микроканальные пластины // Электронная промышленность. 1989. №3. С.13-17.

3. Russell P. St. J. Photonic-crystal fibers // J. Lightwave Technol. 2006. 24(12), P. 4729-4749.

4. Lam D. K. W., Garside В. K. Characterization of single-mode optical fiber filters // Appl. Opt. 1981. Vol.20, No. 3 P.440 44.

Изобретение относится к способу спектральной фильтрации излучения с помощью интерференционных фильтров в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока излучения. Спектральная фильтрация осуществляется с помощью многослойного интерференционного фильтра, содержащего слои с периодически меняющимся значением коэффициента преломления. Кроме того, интерференционный фильтр содержит проходящую по всей толщине фильтра ячеистую структуру с вертикальными светоизолирующими стенками, которая обеспечивает разделение проходящего через фильтр излучения на отдельные световые потоки. Каждый из световых потоков имеет сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости светового потока, и спектральная фильтрация осуществляется раздельно для каждого из этих световых потоков. Технический результат заключается в увеличении допустимой расходимости и регистрируемой интенсивности излучения. 2 ил.

Способ спектральной фильтрации оптического излучения, основанный на явлении интерференции при взаимодействии светового потока с многослойными структурами с периодически меняющимся значением коэффициента преломления, отличающийся тем, что с целью производить эту фильтрацию в световых потоках с произвольно высокой расходимостью общий световой поток разделяют на всей толщине интерференционного фильтра ячеистой структурой с вертикальными стенками, обеспечивающими светоизоляцию ячеек, на отдельные световые потоки, каждый из которых имеет сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости в анализируемом световом потоке, и в этих отдельных световых потоках раздельно производят спектральную фильтрацию.