УЗКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2018 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к астрофизике и лазерной технике, в частности к лазерной локации, где качество получаемого сигнала зависит от степени монохроматичности используемого излучения.

Известен оптический многослойный фильтр (см. пат. РФ №2330313, МПК G02B 5/28, опубл. 27.07.2008 г.). Оптический многослойный фильтр содержит две подложки и 108 диэлектрических чередующихся слоев с высокими и низкими показателями преломления. В качестве подложек могут быть использованы оптические волокна, стержни, линзы или пластины.

Недостаток этого устройства заключается в большом количестве диэлектрических слоев, общая суммарная толщина которых составляет 162 мкм, что приводит к усложнению в процессе их изготовления и уменьшению срока эксплуатации.

Известен оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр (см. пат. РФ №2552127, МПК G02B 5/28, опубл. 10.06.2015 г.), содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными чередующимися диэлектрическими слоями, изготовленными из материалов с высоким и низким показателями преломления. Фазовая толщина слоев, изготовленных из материалов с высоким показателем преломления, больше π/2, а фазовая толщина слоев, изготовленных из материалов с низким показателем преломления, меньше π/2.

Недостатками этого устройства являются сложность в выборе толщины каждого слоя, большое количество используемых диэлектрических слоев (67 слоев) и довольно высокое значение коэффициента пропускания в зоне подавления.

Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами за прототип, является узкополосный оптический интерференционный фильтр (см. пат. РФ №2536078, МПК G02B 5/28, опубл. 20.12.2014 г.). Узкополосный оптический интерференционный фильтр содержит прозрачную подложку с расположенными на ней чередующимися диэлектрическими слоями четвертьволновой оптической толщины, изготовленными из материалов с высоким и низким показателями преломления. Прозрачная подложка выполнена в виде плоскопараллельной пластины толщиной, кратной λ/2, где λ - длина волны рабочего излучения. Многослойные диэлектрические слои нанесены на обе поверхности подложки и их число не менее трех на каждой поверхности. Таким образом, суммарное число используемых интерференционных слоев может сократиться до шести при сужении полуширины пропускания до 0,15 нм.

Недостатки прототипа заключаются в следующем: технологическая сложность реализации такой чрезвычайной тонкой пластины и очень узкая зона подавления пропускания (соседние максимумы пропускания находятся всего на расстоянии 4 нм друг от друга в шкале длин волн).

В предлагаемом изобретении решается задача уменьшения числа используемых интерференционных слоев и расширения зоны подавления пропускания при сохранении остальных характеристик интерференционного фильтра.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в упрощении устройства.

Данный технический результат достигается тем, что узкополосный фильтр, содержащий прозрачную подложку и нанесенные на нее чередующиеся диэлектрические слои, изготовленные из материалов с низким и высоким показателями преломления, отличается тем, что подложка выполнена в виде треугольной призмы, изготовленной из оптического материала с высоким показателем преломления, основанием которой является прямоугольный треугольник и один из острых углов больше критического угла полного внутреннего отражения на границе раздела призма-слой, на подложку нанесено три интерференционных слоя, причем граничащий с подложкой слой имеет низкий показатель преломления, а третий слой с низким показателем преломления граничит с призмой, подобной призме-подложке.

Сущность изобретения поясняется двумя фигурами, где на фиг. 1 показаны основные компоненты узкополосного фильтра и на фиг. 2 показана полученная спектральная характеристика. Узкополосный фильтр состоит из подложки 1 в виде прозрачной треугольной призмы, изготовленной из материала с высоким показателем преломления n_H, слоев 2, изготовленных из материала с низким показателем преломления (n_L), слоя 3, изготовленного из материала с высоким показателем преломления (n_H), и призмы 4, аналогичной призме-подложке 1. Интерференционные слои 2 и 3 наносятся последовательным напылением на подложку 1, а призма 4 со слоем 3 скрепляется оптическим клеем, который имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления призмы 4. Основанием треугольной призмы 1 является прямоугольный треугольник и один из острых углов, например α₀ (см. фиг. 1), больше критического угла полного внутреннего отражения на границе раздела призма-слой.

Устройство работает следующим образом: излучение падает по нормали на входную грань подложки 1, попадая на границу раздела призма 1 - слой 2 под углом α₀. Поскольку толщина слоев достаточно мала (сравнима с длиной волны падающего излучения), происходит явление нарушенного полного внутреннего отражения, благодаря которому излучение частично проходит через границу призма 1 - слой 2. Две границы раздела призма 1 - слой 2 и слой 2 - призма 4 являются высокоотражательными полупрозрачными зеркалами, а средний слой 3 является резонатором Фабри-Перо, так что эта система пропускает излучение в виде очень узких полос.

Узкополосный фильтр, работающий на приципе интерферометра Фабри-Перо, максимально пропускает излучение на тех длинах волн, для которых происходит интерференция в среднем слое 3, т.е. на следующих длинах волн:

,

где m=1, 2, 3, … - порядок интерференции; d₃ - геометрическая толщина среднего слоя 3; n_Hd₃ - оптическая толщина слоя 3.

Оптическая толщина n_Ld₂ граничащих с призмами слоев 2 находится в пределе от λ до 2λ, так как в этом диапазоне коэффициент отражения границы раздела призма-слой составляет величину от 90 до 100%, где d₂ - геометрическая толщина каждого из граничащих с призмами слоев 2.

Для реализации предлагаемого узкополосного фильтра в видимом диапазоне спектра (λ=642 нм) были выбраны следующие материалы: стекло марки К8 (n_H=1,52) в качестве материала призм, MgF₂ (n_L=1,38) в качестве пленкообразующего материала с низким показателем преломления и метилсалицилат C₈H₈O₃ (n_H=1,52) в качестве пленкообразующего материала с высоким показателем преломления. Выбранным оптическим клеем является жидкий бальзам ОК-50П, показатель преломления которого составляет значение 1,523. Острый угол призмы 1 составляет 70°. Оптические толщины слоев: n_Ld₂=1,34 мкм, n_Hd₃=1,306 мкм. Основные характеристики данного фильтра приведены в таблице.

Полученная спектральная характеристика (фиг. 2) подтверждает пригодность предлагаемого изобретения.

Узкополосный фильтр состоит из двух одинаковых прозрачных треугольных призм, которые изготовлены из материала с высоким показателем преломления. Между ними нанесены чередующиеся слои, изготовленные из материалов с низким и высоким показателями преломления. Технический результат - упрощение конструкции интерференционного фильтра и расширение зоны подавления пропускания. 2 ил., 1 табл.

Узкополосный фильтр, содержащий прозрачную подложку и нанесенные на нее чередующиеся диэлектрические слои, изготовленные из материалов с низким и высоким показателями преломления, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде треугольной призмы, изготовленной из оптического материала с высоким показателем преломления, основанием которой является прямоугольный треугольник и один из острых углов больше критического угла полного внутреннего отражения на границе раздела призма-слой, на подложку нанесено три интерференционных слоя, причем граничащий с подложкой слой имеет низкий показатель преломления, а третий слой с низким показателем преломления граничит с призмой, подобной призме-подложке.