ПОЛИХРОМАТОР Российский патент 2024 года по МПК G01J3/36 

Изобретение относится к устройствам измерения интенсивности и спектрального состава инфракрасного и видимого излучения и может быть использовано для измерения локальных значений температуры, концентрации функции распределения по скоростям электронов плазмы, в лабораторных установках и термоядерных реакторах, и в источниках нейтронов методом томсоновского рассеяния.

Известен полихроматор (см. RU 2090846, МПК G01J 3/32, опубл. 20.09.1997), содержащий диспергирующий элемент, селектор длин волн, линейку выходных щелей, выходную оптику и фотодетектор. Выходная оптика содержит ряд призматических линз, установленных напротив выходных щелей и параллельно включенных в оптическую связь между линейкой выходных щелей и фотодетектором. В частности, призматические линзы могут быть выполнены в виде призм с плоскими поверхностями.

Использование в известном полихроматоре одного диспергирующего элемента не позволяет получить высокий спектральный контраст, использование дифракционной решетки приводит к низкому пропусканию и светосиле прибора, использование одного детектора не допускает одновременной фиксации излучения в нескольких спектральных интервалах одновременно, применение двигателя усложняет конструкцию прибора снижая ее надежность.

Известен дифракционный полихроматор (см. RU 2476834, МПК G01J 3/18, опубл. 27.02.2013), содержащий входную спектральную щель, вогнутую дифракционную решетку и многоэлементный приемник излучения. На входе полихроматора, последовательно с ним, установлен двойной монохроматор с нулевой дисперсией, содержащий входную щель, две вогнутые дифракционные решетки, промежуточное вогнутое сферическое зеркало и выходную щель, совмещенную с входной щелью полихроматора. Известный дифракционный полихроматор позволяет уменьшить уровень рассеянного света и обеспечить высокую чистоту спектра за счет тройной степени монохроматизации при минимуме оптических деталей.

Использование в известногом дифракционнм полихроматоре дифракционной решетки приводит к низкому пропусканию и светосиле прибора, особенно при работе с деполяризованным излучением, использование матричного детектора не позволяет регистрировать спектр импульсного излучения с низкой интенсивностью, что необходимо при решении широкого круга задач.

Известен полихроматор (см. KR 101376290, МПК G01J 3/45, опубл. 18.03.2014), предназначенный для диагностики томсоновского рассеяния. Полихроматор содержит один входной зрачок (апертуру), первый и второй интерференционные фильтры, расцепляющие излучение каскадным способом, расположенные под углом 45 градусов к оптической оси, и детектор излучения, отраженного вторым интерференционным фильтром.

Недостатками известного полихроматора являются: значительные линейные размеры прибора из-за расположения интерференционных фильтров под углом 45 градусов к оптической оси, а также принципиальная невозможность обеспечить регистрацию излучения распространяющегося вдоль оптической оси прибора в обратном направлении используя имеющиеся в составе прибора детекторы.

Известен полихроматор (см. KR 101249477, МПК G01N 21/27, G01J 3/12, опубл. 25.03.2013), выполненный с возможностью измерения в одном и том же месте длин волн тормозного излучения и томсоновского рассеяния. Полихроматор содержит множество полосовых фильтров, множество коллимационных линзовых наборов и множество фотодетекторов. Полосовые фильтры сортируют излучение на полосы длин волн. Коллимационные линзы сужают расходящееся излучение, принятое от полосовых фильтров, соответственно. Фотодетекторы соответствуют полосовым фильтрам. Один из множества полосовых фильтров сортирует длины волн тормозного излучения, а другой из множества полосовых фильтров сортируют длины волн рассеяния Томсона.

Недостатками известного полихроматора являются наличие одного входного зрачка, т.е. один полихроматор - один объект исследования, а применительно к диагностике плазмы методом томсоновского рассеяния один прибор - одна пространственная точка.

Известен полихроматор (см. Курскиев Г.С. и др. - ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 2, с. 81), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Полихроматор-прототип включает последовательно расположенные по ходу излучения входную апертуру, входной объектив, входное сферическое зеркало, n интерференционных фильтров, имеющих различную полосу длин волн пропускания и отражения, плоскости которых не перпендикулярны осевой линии распространения излучения, чередующихся с n промежуточными сферических зеркалами, и n оптических детекторов, расположенных на пути излучения с длиной волны, пропущеной интерференционными фильтрами. Известный полихроматор имеет сниженные потери при обработке оптических сигналов.

Недостатком известного полихроматора-прототипа является возможность измерение спектра и интенсивности импульсных сигналов излучения лишь одного объекта исследования, что приводит к значительному увеличению стоимости применяемого оборудования при необходимости исследования нескольких объектов.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка полихроматора, который бы обеспечивал возможность одновременного исследования спектра и интенсивности импульсного излучения двух объектов, что позволяет значительно снизить стоимость применяемого оборудования.

Поставленная задача решается тем, что полихроматор включает последовательно расположенные по ходу излучения первую входную апертуру, первый входной объектив, n плоских интерференционных фильтров, имеющих различную полосу длин волн пропускания и отражения, чередующихся с (n-1) промежуточными сферическими зеркалами и n снабженных фокусирующими объективами оптических детекторов, расположенных на пути излучения с длиной волны, пропущеной плоским интерференционным фильтром, где n число регистрируемых спектральных каналов, при этом плоские интерференционные фильтры не перпендикулярны осевой линии распространения излучения. Новым в полихроматоре является то, что полихроматор содержит вторую входную апертуру и второй входной объектив, установленные после последнего плоского интерференционного фильтра, два входных сферических зеркала, установленные соответственно между первым входным объективом и первым плоским интерференционным фильтром, и между вторым входным объективом и последним плоским интерференционным фильтром, при этом входные сферические зеркала, промежуточные сферические зеркала и плоские интерференционные фильтры установлены под углом (2-20) градусов относительно оптической оси.

Между первым входным объективом и первым входным сферическим зеркалом, между вторым входным объективом и вторым входным сферическим зеркалом могут быть установлены коллективные линзы с целью уменьшения апертур входного и выходного сферических зеркал.

Коллективные линзы могут быть также установлены между входными и промежуточными сферическими зеркалами, и соответствующими плоскими интерференционными фильтрами с целью уменьшения апертур промежуточных сферических зеркал и интерференционных фильтров.

Установка входных сферических зеркал, промежуточных сферических зеркал и плоских интерференционных фильтров под углом (2-20) градусов относительно оптической оси обусловлено тем, что при угле менее 2 градусов существенно увеличиваются габариты прибора из-за увеличения расстояния между зеркалами и фильтрами, а при угле более 20 градусов изображения первой и второй входных апертур в фокальной плоскости детекторов окажутся сильно разделены в пространстве, что может сделать невозможным использование одного детектора для регистрации излучения.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в возможности одновременно анализировать спектр и интенсивность двух световых импульсов, поступающих на входные апертуры полихроматора с относительной временной задержкой, используя минимальное количество интерференционных фильтров и детекторов. При этом достигается прецизионная точность относительных измерений интенсивности световых сигналов, поскольку предлагаемая схема позволяет не учитывать индивидуальные особенности оптических детекторов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена оптическая схема полихроматора (число n регистрируемых спектральных каналов, для примера, установлено n=5).

Полихроматор (см. фиг.) содержит первую входную апертуру 1, первый входной объектив 2, коллективную линзу 3, входное сферическое зеркало 4, пять плоских интерференционных фильтров 5, 6, 7, 8, 9 имеющих различную полосу длин волн пропускания и отражения, перед которыми установлены коллективные линзы 10. Плоские интерференционные фильтры 5, 6, 7, 8, 9 чередуются с четырьмя промежуточными сферическими зеркалами 11, 12, 13, 14. За интерференционными фильтрами 5, 6, 7, 8, 9, установлено пять снабженных фокусирующими объективами 14 оптических детекторов 15, 16, 17, 18, 19. Полихроматор также содержит вторую апертуру 20, второй входной объектив 21, коллективную линзу 22, входное сферическое зеркало 23. Входные сферические зеркала 4, 23, промежуточные сферические зеркала 11, 12, 13, 14 и плоские интерференционные фильтры 5, 6, 7, 8, 9 установлены под углом (2-20) градусов относительно оптической оси.

Полихроматор работает следующим образом.

Излучение (световой импульс, например, сигнал лазерного рассеяния) поступает последовательно через первую входную апертуру 1, первый входной объектив 2 и коллективную линзу 3 на входное сферическое зеркало 4 и, отражаясь от него, попадает, проходя через следующую коллективную линзу 10, на плоский интерференционный фильтр 5. Часть спектра, соответствующая характеристике плоского интерференционного фильтра 5, попадает через фокусирующий объектив 14 на оптический детектор 15. Остальное излучение отражается от плоского интерференционного фильтра 5 и через коллективную линзу 10 попадает на промежуточное сферическое зеркало 11. Далее излучение аналогичным образом последовательно распределяется по остальным спектральным каналам, регистрируясь оптическими детекторами 16, 17, 18 и 19. Второе излучение (световой импульс), подаваемое с относительной временной задержкой, большей длительности первого импульса, чтобы сигналы не перекрывались, поступает последовательно через вторую входную апертуру 20, второй входной объектив 21 и коллективную линзу 22 на входное сферическое зеркало 23 и, отражаясь от него, попадает, проходя через следующую коллективную линзу 10, на плоский интерференционный фильтр 9. Часть спектра, соответствующая характеристикам плоского интерференционного фильтра 9, поступает через фокусирующий объектив 14 на оптический детектор 19 с небольшим смещением. Остальное излучение отражается плоским интерференционным фильтром 9 и последовательно распределяется по остальным спектральным каналам, проходя регистрацию оптическими детекторами 18, 17, 16 и 15. Таким образом, каждым оптическим детектором 15, 16, 17, 18, 19 будут зарегистрированы два световых импульса с относительной временной задержкой, что позволит определить интенсивность и спектральный состав обоих световых импульсов.

Настоящий полихроматор может быть использован для регистрации спектров разных импульсных источников света, снижая таким образом общую стоимость системы регистрации за счет уменьшения количества используемых интерференционных фильтров и фотоприемников - самого дорогостоящего компонента прибора. Одной из областей применения такого полихроматора может быть диагностика плазмы методом томсоновского рассеяния лазерного излучения. Один настоящий полихроматор может быть использован для измерения сигналов лазерного рассеяния из двух разных пространственных точек в идентичных спектральных интервалах и одними и теми же детекторами. Дополнительно это позволит прецизионно определить разницу между спектрами рассеянного излучения, что может быть использовано для определения не только локальных значений температуры и концентрации электронов, но и таких параметров плазмы токамака, как тороидальное вращение и ток плазмы. Вторая апертура может быть использована для освещения детекторов источником света известного спектра, в том числе и модулированным во времени, что позволит проводить калибровку прибора в режиме «он-лайн» и отслеживать линейность используемых детекторов непосредственно во время проведения измерений.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается полихроматора. Полихроматор включает первую входную апертуру, первый входной объектив, n плоских интерференционных фильтров, имеющих различную полосу длин волн пропускания и отражения, чередующихся с (n-1) промежуточными сферическими зеркалами, и n снабженных фокусирующими объективами оптических детекторов, расположенных на пути излучения, пропущенного интерференционным фильтром. Кроме того, полихроматор содержит вторую входную апертуру и второй входной объектив, установленные после последнего плоского интерференционного фильтра, два входных сферических зеркала, установленные соответственно между первым входным объективом и первым плоским интерференционным фильтром, и между вторым входным объективом и последним плоским интерференционным фильтром, при этом входные сферические зеркала, промежуточные зеркала и интерференционные фильтры установлены под углом 2-20 градусов относительно оптической оси. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного анализа спектра и интенсивности двух световых импульсов, поступающих на входные апертуры полихроматора, уменьшении количества интерференционных фильтров и детекторов и повышении точности относительных измерений интенсивности световых сигналов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Полихроматор, включающий последовательно расположенные по ходу излучения первую входную апертуру, первый входной объектив, n плоских интерференционных фильтров, имеющих различную полосу длин волн пропускания и отражения, чередующихся с (n-1) промежуточными сферическими зеркалами, и n снабженных фокусирующими объективами оптических детекторов, расположенных на пути излучения с длиной волны, пропущенной плоским интерференционным фильтром, где n - число регистрируемых спектральных каналов, при этом плоские интерференционные фильтры не перпендикулярны осевой линии распространения излучения, отличающийся тем, что содержит вторую входную апертуру и второй входной объектив, установленные после последнего плоского интерференционного фильтра, два входных сферических зеркала, установленные соответственно между первым входным объективом и первым плоским интерференционным фильтром и между вторым входным объективом и последним плоским интерференционным фильтром, при этом входные сферические зеркала, промежуточные зеркала и плоские интерференционные фильтры установлены под углом 2-20 градусов относительно оптической оси.

2. Полихроматор по п. 1, отличающийся тем, что между первым входным объективом и первым входным сферическим зеркалом, между вторым входным объективом и вторым входным сферическим зеркалом установлены коллективные линзы.

3. Полихроматор по п. 1, отличающийся тем, что между входными и промежуточными сферическими зеркалами и соответствующими плоскими интерференционными фильтрами установлены коллективные линзы.