Диспергирующее устройство Советский патент 1985 года по МПК G02B27/44 G02B5/18 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции диспергирующих устройств, и может быть использовано при изготовлении спектральных приборов для монохроматизации, фильтрации и поляризации излучения с перестройкой ширины полосы пропускания рабоче области спектра. Известно устройство, в котором в качестве диспергирующего элемента используется плоская дифракционная решетка Vt . Недостатком этого- устройства явля ется то, что, обеспечивая разложение падающего на решетку излучения в спектр, оно не позволяет без использования дополнительных средств (линзовых или зеркальных объектов, спект ральных щелей и т.д.) выделять излучение спектрального интервала конечной ширины и тем более изменять шири ну вьщеляемогс спектрального интерва ла. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является дис пергирующее устройство, содержащее две последовательно расположенные плоские отражательные дифракционные решетки с взаимно параллельными штри хами, каждая из которых установлена с возможностью поворота вокруг оси, совпадающей с центральным штрихом данной решетки. Каждая из решеток выполнена на поверхности прозрачной плоскопараллельной подложки, причем на вторые поверхности обеих подложек нанесено еще по одной дифракционной решетке. Такое устройство позволяет выделять из падакщего на него излучения конечный спектральньш интервал без применения дополнительных средст т.е. использовать широкие световые пучки и тем самым повысить светосилу устройства по сравнению с соответствующим щелевым прибором во столько раз, во сколько раз действующая апертура устройства превьпиает ширину входной щели щелевого прибора (2J . Недостатком известного устройства является невозможность перестройки 1Ш1РИНЫ полосы пропускания, которая определяется неизменными конструктив ными параметрами. Кроме того, здесь имеет место ограниченный рабочий диа пазон спектра, связанный с селективностью пропускания материала подложки, ограничением пределов углов паде ния из-за полного внутреннего отражения на штрихах решетки, а также переналожением порядков спектра при освещении устройства излучением широкого спектрального диапазона, превьшающего октаву, т.е. свободную область дисперсии решетки. Цель изобретения - обеспечение возможности управления шириной полосы пропускания спектра. Поставленная цель достигается тем, что в диспергирующем устройстве, содержащем две последовательно расположенные плоские отражательные дифракционные решетки с взаимно параллельными штрихами, каждая из которых установлена с возможностью поворота вокруг оси, совпадающей с центральным штрихом данной решетки, вторая решетка установлена с возможностью перемещения вдоль прямой, соединяющей центральные штрихи решеток, и поворота вокруг оси, совпадающей с центральным штрихом первой решетки, по дуге окружности, радиус г которой определяется соотношением М 1 /л arcsin -г -5in У V d, где а - ширина заштрихованной поверхности первой решетки; - угол между входной ветвью оптической оси устройства и нормалью к поверхности первой решетки; ki - граничная длина волны в коротковолновой области спектра диспергируемого излучения; постоянная деления первой решетки. На чертеже представлены схема устройства и ход лучей в нем. Диспергирующее устройство содержит две последовательно расположенные плоские отражательные дифракционные решетки 1 и 2 с взаимно параллельными штрихами (перпендикулярными плоскости чертежа). Первая решетка 1 установлена с возможностью поворота вокруг оси 3, а вторая решетка 2 вокруг оси А. Оси 3 и 4 совпадают с центральными штрихами соответствующих решеток 1 и 2. Кроме того, решетка 2 имеет возможность перемещения 3 .1 вдоль прямой 5, соедиияющей централь ные штрихи решеток 1 и 2, и поворота вокруг оси 3 по дуге 6 окружности, радиус которой определяется соотношением (1). Устройство работает следующим образом. Широкий пучок излучения со спект ральным диапазоном Tt, па дает на решетку 1 под углом б , рав ным углу между входной ветвью 7 опт ческой оси устройства и нормалью 8 поверхности этой решетки. Первая ре шетка 1 разлагает падаклдее на нее излучение в йулевой 9 (т.е. зеркаль но отраженный) и спектральные 10 по рядки. При этом в нулевой порядок 9 спектра будет дифрагировать излучение с длинами волн. (,4 d,sin D6 cos 6 где об - угол блеска первой решетки 1; Х...- коротковолновая граница области пропускания устро ства. Другая часть падающего изл iчeния с 7, «: Л ( будет дифрагировать в спек ральные порядки 10 решетки 1. Для того, чтобы на вторую решетку 2 пад ло излучение только нулевого порядка 9 спектра решетки 1, решетку 2 смещают вдоль прямой 5 до тех пор, пока расстояние между центральными штрихами решеток не окажется равным величине г, соответствуняцей выражению (1), и поворачивают по ДУге 6 окружности с радиусом г вокруг оси 3 на угол 8д 20 . Угол в образован входной ветвью 7 оптической оси устройства и прямой 5. Затем решетк 2 поворачивают вокруг оси 4 на угол 8, arcsin (- - sin 8), (,3) где Ар длинноволновая граница области пропускания устро ства; d - постоянная деления второй решетки 2. Угол в образован прямой 5 и нормалью 11 к поверхности решетки 2. При этом в первый порядок 12 спектр решетки 2 будет дифрагировать излучение с длинами волн -д d(sinB + sin 85 ). 44 Излучение же с длинами волн -Л дг будет дифрагировать (зеркально отра жаться) от решетки 2 в нулевой порядок 13 спектра. Таким образом, из спектрального диапазона Д, i t , падающего широким пучком на решетку 1, диспергирующим устройством будет вьщелен в направлении первого порядка 12 решетки 2 спектральный диапазон Як S -Д Д. Изменяя угол падения О пучка на решетку 1 путем ее поворота вокруг оси 3, угол поворота 0 решетки 2 вокруг этой же оси 3., а также угол поворота 9, второй решетки 2 вокруг оси 4, можно независимо изменять как коротковолновую Л , так и длинноволновуюЛ - границы рабочей области спектра, т.е. перестраивать (изменять) ширину полосы пропускания диспергирующего устройства и вьщелять на его выходе заданный спектральный диапазон, начиная от области спектра 2 до любой длины волны монохроматического излучения в указанном интервале. Для вьщеления коротковолновой границы рабочей области спектра 11 ц , кроме нулевого порядка, могут быть также использованы спектральные порядки 10 решетки 1. Это возможно в-случае, когда спектральньп диапазон паданнцего излучения меньше октавы. Для первого порядка спектра величина . октавы составляет 0,5 -Д 6 -Л 4 Лг. Если в качестве спектрального порядка 10 использовать первый порядок спектра решетки 1, то в направлении 10 будет распространяться излучение с длиной волны 1,5 d|X, sin (С созЭ , ограничивающей пропускание диспергирующего устройства с коротковолновой стороны. При этом л , угол поворота У решетки 2 вокруг оси 3 может быть определен из выражения0 0 + arcsiij ( sin 9 ). Излучение на выходе устройства всегда полностью поляризовано перпендикулярно штрихам решеток. . Пример. Изготавливают диспергирующие устройства , параметры которых указаны в таблице, Для осуществления необходимых поворотов

первая решетка 1 устанавливается на столике, обеспечивающем возможность поворота на 90 , с точностью отсчета угла поворота 30 . Вторая решетка 2 устанавливается на подвижном в радиальном направлении втором столике, обеспечивающем возможность независимого поворота вокруг оси вращения первого столика на 180 +30 а также вокруг собственной оси на 90 +30 . При расчете параметров конструкции диспергирующих устройств необходимо учесть следующее:

при увеличении угла падения 9 излучения на решетку 1 положение максимума концентрации энергии смещается в коротковолновую сторону, поэтому целесообразно, для возможности перестройки Я во всем диапазоне (, - i , выбиратьЛ к (g .-о) г

угол блеска решетки 1 целесообразно выбирать в диапазоне 18-22 (в случае использования спектральных порядков 10) или меньше 5 (в случае использования нулевого порядка 9) для исключения влияния поляризованных аномалий на распределение коэффициента отражения решетки;

постоянная деления d. определяется выражением

d,

„ -Лк

2 sin о:

1/0

гдеЛ - длина полны, соответствзющая максимуму концентрации энергии в первом порядке спектра;

параметры решетки 2 могут быть выбраны, исходя из необходимости получения максимального коэффициента отражения при углах дифракции, близких к скользящим, т.е. угол блеска решетки 2 должен быть больше 30, а постоянная деления d должна удовлетворять условию наличия только одного спектрального порядка 1-2, т.е. 0,5A2-d2c;,.

Таким образом, предлагаемое устройство в отличие от известного обеспечивает возможность перестройки ширины полосы пропускания спектра во всей оптической области спектра - от ультрафиолетовой до микрорадиоволн при сохранении высокой светосилы устройства. Af Л Л

ДИСПЕРГИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее две последовательно расположенные плоские отражательные дифракционные решетки с взаимно параллельньми штрихами, каждая из которых установлена с возможностью поворота вокруг оси, совпадающей с центральным штрихом данной решетки, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности управления шириной полосы пропускания спектра , вторая решетка установлена с возможностью перемещения вдоль прямой, соединяющей центральные штрихи решеток, и поворота вокруг оси, совпадающей с центральным штрихом первой решетки, по дуге окружности, радиус г которой определяется соотношением lH0-o rcsiin(-j 0J где а - ширина заштрихованной поверхности первой решетки; д - угол между входной ветвью tp оптической оси устройства (Л и нормалью к поверхности первой решетки; - граничная длина волны в ко ротковолновой области спектра диспергируемого излучения; ,постоянная деления первой решетки. 4 4