Субмиллиметровый полосовой фильтр (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК G02B5/28 G02B5/20 

рой одномерных металлических реше- ток, штрихи которой ориентированы под углом 45 к штрихам парных решеток и под углом 90 к направлению электрического вектора, падающего на фильтр излучения, причем все решетки выполнены поляризуницими с периодом d ,характеризуемым соотношением

л:

с

3(-/fSinot)

а расстояние , между парными одномерными металлическими решетками составляет

6I(I- 5inot2) 3ol(

е

4coS cCg

4cosoC,

максимальная длина волны

для центра полосы пропускания фильтраJ угол ладения излучения на

парные решетки; меньший и больший из углов

падения излучения на решетки.

1. I Субмиллиметровый полосовой фильтр, содержащий пару одномерных металлических решеток, установленных параллельно друг другу на расстоя НИИ, соизмеримом с длиной волны излучения, штрихи которых взаимно перпендикулярны, и одиночную одног мерную металлическую решетку, расположенную на входе фильтра, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения коэффициента пропускания фильтра и расширения диапазона перестройки полосы пропускания, на пути излучения, отраженного одиночной одномерной металлической решеткой, дополнительно установлена пара параллельных друг другу одномерных металлических решеток с взаимно перпендикулярными штрихами, расположенных на расстоянии, соизмеримом с длиной волны излучения, а также одиночная одномерная металлическая решетка, расположенная на выходе фильтра, штрихи которой ориентироваicif :oK 3 yi и liAf€Him .« ТЕХННШ-1,4 « «SJHOTtM ны параллельно штрихам одиночной одномерной металлической решетки на входе и под углом 45° к штрихам одной из пар решеток, причём все :решетки выполнены поляризующими с iпериодом d , характернзуеюлм соот1 ношением Л 3

Изобретение относится к оптическим фильтрам субмиллиметрового диапазона и может быть использовано в субмиллиметровой астрономии при наблюдении слабых источников с использованием неселективных приемников, а также в субмиллиметровых спектрометрах для предварительной монохроматизации излучения и разделения порядков спектра.

Известен субмиллиметровый полосовой фильтр на металлических решетках. При этом фильтр, выполненный на одномерных металлических решетках обеспечивает фильтрацию линейнополяр зованного излучения, а фильтр на двумерных металлических решетках (сетках) обеспечивает фильтрацию излучения с произвольной поляризацией. Период фильтра, выполненного в виде двумерной решетки-сетки, примерно равен рабочей длине волны СО

Недостатки указанного фильтра высокое остаточное пропускание для коротковолнового излучения и отсутствие возможности перестройки фильтра по частоте.

Наиболее близким к предлагаемому является субмиллиметровый полосовой фильтр, содержащий пару одномерных металлических решеток, установленных параллельно друг другу на расстоянии, соизмеримом с длиной волны Излучения, штрихи которых взаимно перпендикулярны, и одиночную одномер ную металлическую решетку, расположенную на входе Фидьтра Г2 .

Недостатком известного фильтра является то, что при фильтрации излучения с произвольной поляризацией часть полезной мощности теряется вследствие, отражения от фильтра. В частности, в случае неполяризованного излучения или получения с круговой поляризацией теряется половина полезной мощности. Кроме того, при фильтрации линейно поляризованного излучения, так и излучения с произвольной поляризацией, коэффициент пропускания этого фильтра имеет достаточно большую величину (70-80%) лишь в узком диапазоне перестройки

фильтра (cpi ср средняя длина волны в диапазоне перестройки фильтра). При перестройке фильтра в более широком диапазоне его пропускание резко падает.

Цель изобретения - повышение коэффициента пропускания фильтра и расширение диапазона перестройки полосы пропускания, а также повышение коэффициента пропускания и расширение диагтазона перестройки полосы пропускания линейно поляризованного излучения.

Указанная цель достигается тем, ЧТО в субмиллиметровый полосовой фильтр,.содержащий пару одномерных металлических решеток, установленных параллельно друг другу на расстоянии, соизмеримом с длиной волны излучения, итрихи которых взаимно перпендикулярны, и одиночную одномерную металлическую решетку, расположг:нну(о на входе фильтра, на пути излучения.

отраженного одиночной одномерной мег таллической решеткой, дополнительно установлена пара параллельных друг другу одномерных металлических решеток с взаимно перпендикулярными штрихами, расположенных на расстоянии, соизмеримом с длиной волны излучеяия, а также одиночная одномерная металлическая решетка, расположенная на выходе фильтра, штрихи которой ориентированы параллельно штрихам одиночной одномерной металлической решетки на входе и под углом 45 к штрихам одной из пар решеток, причем все решетки вьшолнены поляризующими с периодом tJ , характеризуемым соотношением

А1

О

Лг3(H.s1not)

а расстояние между парными одномерными металлическими решетками состаляет

d(1+5lno6.| 3((-bsinfltJ

-- -д-L / g ч

: 4coscs o 4cosoio

где л р - максимальная длина волны

для центра полосы пропускания фильтраj cto угол падения излучения на

парные решетки; , наименьший и наибольший

из углов падения излучения на решетки. Указанная цель достигается тем, что в субмиллиметровом полосовом фильтреi содержащем пару одномерных металлических решеток, установленньш параллельно друг другу на расстоянии соизмеримом с длиной волны излучения штрихи которых взаимно перпендикулярны, и одиночную одномерную металлическую решетку, одиночная одномерная металлическая решетка установлейа на пути излучения, отражеииого парой одномерных металлических решеток, штрихи которой ориентированы под углом 45° к штрихам парных решеток и под углом 90° к направлению электрического вектора, падающего на фильтр излучения, причем все решетки выполнены поляризуняцими с периодом d , характеризуемым соотношением 3(1+5inot)

а расстояние между парными одномерными металли 1ескими решетками состав.

ляет

c3(ltsihc j)

3cJ(1 -Sinot j

ei 4cosotrt 4coseC o

- максимальная длина волны для центра полосы пропускания фильтра оСо - угол падения излучения

на парные решетки,

d - меньший и больший из углов падения излучения на решетки.

На фиг, 1 представлена структурная схема субмиллиметрового полосового фильтра для случая, когда плоскости всех решеток параллельны, на фиг. 2 структурная схема субмиллйметрового полосового фильтра линейно поляризованного излучения также для случая, когда плоскости всех решеток параллельныJ на фиг. 3 - графики зависимостей коэффициента пропускания фильтра W от волнового числа л фильтра, образованного решетками .

с периодом d 100 мкм, при угле ;

падения излучения на парные и одномерные решетки ЬСо 15°, для расстояНИН между парными решетками (кривая 1),-82 (кривая 2) и 98 мкм (кривая 3). . Субмиллиметровый полосовой фильтр . (фиг. 1) содержит одномерные поляри- зующие решетки 1-6, выполненные из тонких металлических проволочек, натянут 4рс параллельно друг другу на плоскую кольцевую оправу. Решетки 1-6 установлены в держателях (не показаны), обеспечивающих возможность угловьпк подстроек относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости решеток, а также возможность поворота решеток относительно нормалей к их плоскостям. Решетки 1-6 установлены так, что их плоскости паралг ельны. Расстояние меззду решетками 2,3 и 4,5 определяется рабочей длиной волны. Штрихи решетки 1, установленной на входе фильтра, ориентированы параллельно штрихам рем |Шетки 6, установленной на выходе фильтра, и под углом 45 к направлениям штрихов решеток 2,3 и, 4,5. Штрихи парных решеток 2,3 и 4,5 ориентированы под углом 90° друг к другу. На фиг. 1 взаимная ориентация штр jxpB решеток 1-6 показана в соответствующих кружках 1-6., Направления электрчиеского вектора Е излучения показаны стрелками. Расстояние v между решетками 2,3 и 4,5 может кзме няться либо дискретно с помощью калиброванных по толщине сменных кольцевых прокладок, либо плавно путем прямолинейного перемещения одной из решеток по направляющей, например, типа ласточкин хвост с помощью микрометрического винта. Субмиллиметровый полюсовой фнльтр линейно-поляризованного излучения (фиг. 2) содержит одномерные поляризукнцие решетки 2, 3 и 6, выполненные из тонких металлических проволочек, натянутых параллельно друг другу на плоскую кольцевую оправу. Плоскости решеток 2, 3. и 6 параллель ны. Расстояние Р между решетками 2 и 3 определяется рабочей длиной волны.Штрихи решеток 2 и 3 ориентиро ваны под углом 90 друг к другу. Решетка 6 установлена на выходе, фильтра. Ее штрихи ориентированы под углом к направлениям штрихов решеток 2 и 3 и под углом 90 к направлению электрического вектора входного излучения. На фиг.. 2 взаимная ориентация штрихов решеток 2, 3 и 6 показана в соответствунщих кружках 2, 3 и 6. Направления злектрического вектора Е излучения пока заны стрелками. Субмиллиметровый полосовой фильтр по п. 1 работает следующим образом. На вход фильтра поступает поток излучения А с произвольной поляризацией. Решетка 1 осуществляет разделение потока излучения А на два пото ка излучения В и С с линейной взаимно перпендикулярной поляризацией. При этом решетка 1 пропускает поток излучения В, проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 1 перпендикулярна ее штрихам, и отражает поток излучения С, проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 1 параллельна ее штрихам. Затем потоки излучения В и С поступают соответственно на решетки 2 и 5. Решетка 2 осуществляет разделение потока излучения В на два потока излучения В и В равной интенсивности, так как проекция электрического вектора потока излуче 5 ния в на плоскость решетки 2 ориентирована под углом Л5 к направлению ее штрихов. При этом решетка 2 отражает поток излучения В, проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 2 параллельна ее штрихам, и пропускает поуок излучения В , проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 2 перпендикулярна ее штрихам. Амплитуда Ъ. и Ъ колебаний электрических векторов потоков излучения В и В2 связаны с амплитудой Ь,, колебаний электрического вектора потока излучения В соотношением boCDsf5 bo/ 2 . Решетка 3 отражает поток излучения В , так как проекция его электрического вектора на плоскость решетки 3 параллельна ее штрихам. Решетка 2 пропускает поток излучения 2, отраженный от решетки 3, так как проекция его электрического вектора на плоскость решетки 2 перпендикулярна ее штрихам. Затем поток излучения В2 суммируется с потоком излучения В., отраженным от решетки 2. Суммарный поток излучения В в общем случае эллиптически поляризован, благодаря разности фаз между колебаниями электрических векторов потоков излучения BI и В, 4Лесо50 7i где « - расстояние между решетками 2 и 3J d - угол падения потока излучения В на решеткиj Л - длина волны. Длина полуосей и эллипса поляризации потока излучения В определяются соотношениями (Уу2 ; 2 o3incf/2 , Проекции полуосей и „ эллипса поляризации потока излучения Вна плоскость решетки 6 соответственно перпендикулярны и параллельны ее штрихам. Решетка 6 пропускает часть потока излучения в , проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 6 перпендикулярна ее штрихам, и отражает часть потока излучения в , проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 6 параллельна ее штрихам. Часть потока излучения В с амплитудой колебаний электрического вектора ffотраженная от решетки- 6, поступает на выход фильтра, Решетки 5 и А осуществляют анало гичное преобразование потока излуче ния С в эллиптически поляризованный поток излучения С. При этом длины полуосей и f- эллипса поляризации потока излучения С определяются соотношениями . , 2 где Сд- амплитуда колебаний электр ческого вектора потока излучения .С сЛ - разность фаз между колебаниями электрических .вектор потоков излучения С и С2 4j7gcoso( ,. . Проекции полуосей и fj эллипс поляризации потока излучения С на плоскость решетки 6 соответственно .параллельны и перпендикулярны ее штрихам. Решетка 6 отражает часть потока излучения С , проекция электрического вектора которого на плос кость решетки 6 параллельна ее штри хам, и пропускает часть потока излучения с, проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 6 перпендикулярна ее штриха Часть потока излучения с с амплиту дой колебаний электрического вектора , , прошедшая через решетку 6, поступает на выход фильтра. Так как направления электрических векторов потоков излучения с амплитудами и 2 взаимно перпендикулярны, то на выходе фильтра имеются два неинтерф рирующйх потока.излучения. Суммарна интенсивность f результирующего потока излучения на выходе фильтра определяется соотношением 2 2Д gcosa где - интенсивность потока из чения, А на входе фильтр - расстояние между решетками 2,3и4,5} 0 - угол падения излучения на решетки; Д - длина волны. Интенсивность J выходного излучения на длине волны Л Я- 4всо5с равна интенсивности JQ входного излучения. На длинах волн AJ2,f(of4,((,,,, интенсивность выходного излучения равна нулю, так как на этих длинах 1.2 .2Jreco5oC I волн множитель Sin г 0 1 . .На длинах волнДдр,Дд/5, Дд/7,... согласно приведенной вьш1е формуле, полученюй без учета зависимости поляризуюцих свойств решеток от длины, волны, интенсивность Л , как и для основного максимума с центром на . , равна 3{j . С учетом же этой зависиI Л мости при периоде решетоко1---ТТ . 3( not.) где AQ- максимальная длина волны для центра полосы пропускания фильтра, интенсивность излучения на выходе фильтра на волнах Q/3 , /, , ... пренебрежимо мала в сравнении с интенсивностью основного максимума. Подавление коротковолнового излучения обусловлено тем, что при (l f-Sirioi) толяризующие свойства металлической решетки резко ухудшаются и решетка становится прозрачной и для излучения, электрический вектор которого параллельны ее штрихам. При периоде решеток д , . fj5- и значениях рабочей , 3(-f+sinotl длины волны АО- о области дифракции оказываются все коротковол новые максимумы. Соответствующие им потоки излучения практически без отражения проходят через решетки фильтра, не попадая на его выход. Перестройка фильтра по спектру осуществляется путем изменения расстояния f между решетками 2,3 и 4,5. . При изменении расстояния t в пределах d(1 -SinoL) . 3d() 4coso( - 4СОЗ oL обеспечивается перестройка фильтра в диапазоне c3(T- -sinot} Ло 3c(ff sindS.). Для случая , oi 15° перестройка фильтра осуществляется от 7( (()до /1o f,(l 3inot| , . . т.е. в диапазоне ±0,4 , где Я,;рсредняя длина волны диапазона перестройки фильтра. При этом коэффициент пропускания изменяется незначительно, оставаясь высоким (93-79%) во всем диапазоне перестройки. Остаточное пропускание для коротковолно вых максимумов изменяется при этом от нескольких десятых долей процента до 6%. Относительная ширина полосы пропускания Д/Я (на урювне 0,5) в диапазоне перестройки фил ра изменяется примерно от t,3 до 0,85. Таким образом в субмиллиметровом полосовом фильтре осуществляется разделение потока излучения с произ вольиой поляризацией на два потока излучения с линейной поляризацией, преобразование этих потоков излучения в эллиптически поляризованные со степенью эллиптичности, зависяще от длины волны, и выделение на выходе фильтра части каждого из поток излучения с линейной поляризацией, перпендикулярной начальной. Кроме того, в фильтре период решеток выбран таким, что коротковолновые максимумы пропускания попадают в об ласть дифракции. За счет этого обес печивается повьшение коэф4шциента пропускания фильтра при расширении диапазона его перестройки. Субмиллиметровый полосовой фильт по п. 2 работает следукяцим образом. На вход фильтра поступает поток излучения D с линейной поляризацие Решетка 2 осуществляет разделеиие потока излучения В на два потока излучения D.J и D2 равной интенсивности, так как проекция электрического вектора потока излучения В на плоскость решетки 2 ориентирован под углом 45 ° к направлению ее штри хов. При этом решетка 2 отражает поток излучения D , проекция электрического вектора которого на плос кость решетки 2 параллельна ее штри ;хам, и пропускает поток излучения D2 проекция электрического вектор которого на плоскость решетки 2 перпендикулярна ее штрихам. Амплиту ды d и ol2 колебаний электрических векторов потоков излучения В и JD2 связаны с амплитудой с колебайий . Электрического вектора потока излучения 1} соотношением d d d ccs4S clJ f . Решетка 3 отражает поток излучения D , так как проекция его элект ческого вектора на плоскость решетки 3 параллельна ее штрихам. Решетка 2 пропускает поток излучения 2)2 отраженный от решетки 3, так как проекция его электриче ского вектора на плоскость решетки 2 перпендикулярна ее штрихам. Затем потоки излучения D и суммируются, образуя результируниции поток излучения D Поток излучения У в общем случае эллиптически поляризован, благодаря разности фаз t/ между колебаниями электрических векторов потоков излучения D,, и D2 .4Лесо5оС Л где 2 - расстояние между решетками 2 и 3, oL угол падения потока излучения D на решетки Л - длина волны. Длины полуосей т и т эллипса поляризации потока излучения D определяются соотношениями m t (jj cos сЛ/2 ; (/2 . Проекции полуосей m и m эллипса поляризации потока излучения D на плоскость решетки 6 соответственно перпендикулярны и параллельны ее.штрихам. Решетка 6 пропускает часть потока излучения D , проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 6 перпендикулярна ее штрихам, и отражает часть. потока излучения .D , проекция электрического вектора которого на плоскость решетки 6 параллельна ее штрихам. Часть потока излучения D с амплитудой колебаний электрического вектора ю поступает на выход фильтра. Интенсивность Л потока излучения на выходе фильтра определяется соотношением y. о л гдеЗдссЗр - интенсивность потока излучения D на входе фильтра; 6 - расстояние между решетками 2 и 3j -угол падения излучения на решетки; -длина волны , Интенсивность J выходного излуения на длине волны Д Дд 4 сО5о6 интенсивностГл д входного злучения. На дл.инах волн , 0/6 , ... интенсивность выходного 11 Ч1злучения равна нулю, так как на этих длинах волн множитель . 2 . Л На длинах волн о15 ,о1 согласно приведенной выше формуле, полученной без учета зависимости поляризующих свойств решеток от длины волны, интенсивJ , как и для основного макНОСТЬ J , Л„ , равна Uj, ,симума с.центром на Лд , равна С учетом же этой зависимости при пе- Д где Л(, риоде решеток О SH-t-S not) максимальная длина волны для центра полосы пропускания фильтра, интенсив НОСТЬ излучения на вькоде фильтра на волнах Дд/З , , , ... пренебрежимо мала в сравнении с интенсивностью основного максимума. Подав ление коротковолнового излучения обусловлено тем, что при Л с ((fsinotl поляризующие свойства металлической решетки резко ухудшаются и решетка становится прозрачной и для излучения, электрический векто которого параллелен ее штрихам. При я периоде решеток с| . и зна3(/ sinoi) чениях рабочей длины волны в области дифракции оказываются все коротковолновые максимумы. Соответствующие им потоки излучения практически, без отражения проходят через решетки фильтра, не попадая на его выход., Пер.естройка фильтра по спектру осуществляется путем изменения расст яния 1 между решетками 2 и З.При изменении расстояния С в пределах 5 df-ffVino) 3t3( 4cosoC 4cosot обеспечивается перестройка фильтра в диапазоне o(l-fS7 ipi-)() . Для случая перестройка |фильтра осуществляется от 36l(USin 36l до Ao t, 3«з ( 1 + Sihot| т.е. в диапазоне где ср - средняя длина волны диапазо-.: на перест1)ойки фильтра, его коэффициент пропускания изменяется незначительно, оставаясь высоким (93-79%) во всем диапазоне перестройки. Остаточное пропускание коротковолновых максимумов изменяется при этом отнескольких десятых долей процента до 6%, Относительная ширина полосы пропускания лЛ/До (на уровне ) в диапазоне перестройки фильтра изменяется, примерно от 1,3 до 0,85. Таким образом, в субмиллим(1тровом полосовом фильтре линейнополярнзованного излучения осуществляется преобразование входного потока излучения с линейной поляризацией в эллиптически поляризованный поток излучения со степенью эллиптичности,зависящей от длины волны, и выделение на выходе фильтра части потока излучения с линейной поляризацией, перпендикулярной начальной. Кроме того, в фильтре период решеток выбран таким, что коротковолновые максимумы пропускания попадают в область дифракции. За счет этого обеспечивается повышение ко.эффициента пропускания фильтра при расширении диапазона его перестройки. г Фиг.2. 3

3QifO .

го

w

во

70

во

л