Интерференционно-поляризационный фильтр Советский патент 1992 года по МПК G02B5/30 

(

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике спектроскопии Солнца, и может быть использовано для исследования и прогнозирования солнечной активности в интересах радиосвязи, космонавтики, медицины.

Известен интерференционно-проляри- зационный фильтр (ИПФ) с полосой пропускания по уровню 0,5 5Ао.5 0,08 нм для наблюдения короны Солнца в излучении с длиной волны Ао 530,28 нм. В качестве дву- преломляющего материала в нем используются кристаллы кварца, исландского шпата. АДР, Всего прибор содержит 18 кристаллических пластин, 7 поляроидов и интерференционный фильтр (ИФ) предварительной монохроматизации.

Основными недостатками прибора являются невысокое ( -5,5%) пропускание в основном интерференционном максимуме и недостаточная величина контраста ИПФ (не более 20).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ИПФ для наблюдения короны Солнца, содержащий ИФ предварительной монохроматизации и три многокомпонентные интерферен.цион- но-поляризационные ступени.

Каждая из ступеней содержит входной и выходной поляризаторы и набор из 7 кристаллических кварцевых пластин одинаковой толщины, В каждой из ИП ступеней входной и выходной поляризаторы параллельны один другому, а кристаллооптичеXJ

СО ЧЭ СО

со ю

ские оси пластин ориентированы под углами а (-1) -45°/п относительно плоскости пропускания поляризаторов, где I - номер пластины в ИП-ступени, an- общее число пластин в ступени.

Вторая и третья ИП-ступени обеспечивают величину области свободной дисперсии НПФ (ДА), а первая ИП-ступень - полуширину полосы пропускания ИПФ (5Ао,5- Отношение .областей свободных дисперсий 2-й и 3-й ступеней ДЛг/ДАз 1,246 1,250, что обеспечивает результирующую область свободной дисперсии НПФ ДА 4 ДЛ2 .

В рассматриваемом ИПФ около основного интерференционного максимума имеются по одному вторичному интерференционному максимуму пропускания справа и слева, интенсивность которых составляет 8% от основного.

Недостатком такого фильтра является относительно малая величина контраста фильтра (отношение пропускания в главном максимуме к пропусканию во вторичных интерференционных максимумах). В результате оказывается невозможным, например, достаточно точно регистрировать магнитные поля в районах солнечных пятен при исследовании активности Солнца. Кроме того, при разработке фильтра не принимались во внимание структура вторичных интерференционных максимумов отдельных ИП-ступеней, что привело к завышенному расходу кристаллического материала.

Целью изобретения является повышение точности регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен.

Эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении контраста ИПФ по сравнению с известным фильтром без усложнения схемы прибора и снижения его пропускания в главном максимуме, что позволяет существенно повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен. Поставленная цель достигается тем, что в ИПФ, включающем интерференционный фильтр предварительной монохроматизации и три многокомлонент- .ных интерференционно-поляризационных ступеней, каждая из которых содержит входной,и выходной поляризатор и набор кристаллических пластин одинаковой толщины, причем плоскости пропускания поляризаторов второй и третьей ступеней взаимно параллельны, а кристаллооптиче- ские оси пластин первой ступени ориентированы относительно плоскости пропускания ее входного поляризатора под углами о (-1) 45°/п, где i - номер пластины в

ступени, п - общее число пластин в первой ступени, плоскости пропускания поляризаторов в первой ступени ориентированы ортогонально содержится п плоскопараллельных кристаллических пластин Ki, K2,.... Кп одинаковой толщины И, вырезанных так, что кристаллооптическая ось Z параллельна их поверхностям, углы ориентации кристал- лооптической оси пластин относительно

плоскости пропускания поляризаторов Г и П2 равны О) (-1) 45°/п, где i - номер пластины в МП-ступени .

На фиг. 1 показана схема предлагаемого фильтра; на фиг. 2-6 - графическое изображение спектральных пропусканий.

В отличие от известного фильтра результирующая область свободной дисперсии формируется первой ступенью. Толщина отдельной пластины И определяет область свободной дисперсии ДА ИП-ступени Шольца около рабочей длины оолны излучения, а все п пластин в совокупности - спектральное расстояние от максимума пропускания ступени до первого минимума

д А, величина которого несколько отличается от полуширины полосы пропускания ИП- ступени - (5Ао,5 Число пластин п в первой ИП-ступени определяется расчетным путем (на ЭВМ) с помощью специальной программы. Критерием правильности определения величины п является равенство величины и суммарной области свободной дисперсии (ЗА второй и третьей ИП-ступеней фильтра. Первая оценка значения п производится с

помощью формулы

nh

0.8 -&

1

где /а - двулучепреломление кристаллического материала;

АО - длина волны света, на которую

настраивается фильтр;

ЗАо,5 - полуширины полосы пропускания ИП-ступени.

Так как величины Ао,5 несколько отличаются одна от другой, то окончательное

равенство величины и Аи ДА достигается изменением п около оценочного значения или незначительным изменением , Спектральное пропускание в относительных единицах первой ИП-ступени приводится на

фиг. 2. наиболее сильными являются первый ( 12,5%) и второй ( 5,1%) вторичные интерференционные максимумы. Спектральное расстояние между минимумами интерференционной картины практически постоянно и равно ДЛ$ ЗА (5Ао,5 .

Основное назначение второй и третьей ИП-ступеней - сформировать заданную полуширину полосы пропускания ИПФ с малым фоном вблизи основного максимума пропускания. Вторая и третья ступени имеют одинаковую оптическую схему, они выполнены трехкомпонентными, т. е. содержат входной и выходной поляризаторы, плоскости пропускания которых параллельны, и по три кристаллические пластины одинаковой толщины 2 и з соответственно. Ориентация кристаллооптических осей пластин относительно плоскости пропускания поляризаторов во второй и третьей ступенях одинаковая и составляет соответственно нетрадиционные углы 17°, 45°. 73°. Порядок следования углов ориентации компонент в ИП-ступени может быть прямым 17°, 45°, 73° и обратным 73°, 45°, 17°. Спектральное пропускание в относительных единицах второй ступени ИПФ приводится на фиг. 3, третьей - на фиг. 4. Каждая из трехкомпо- нентных ИП-ступеней имеет на выходе интер- ференционную картину, близкую к интерференционной картине эквивалентного (по толщине используемого кристаллического материала и области свободной дисперсии) двухступенчатого фильтра Лио. Происходит уширение контура по уровню 0.5 в 1,05 раза, но пропускание во вторичных максимумах интерференции снижается с 7,5 до 3,5%, т. е. более чем в 2 раза.

В результате совместного действия второй и третьей ИП-спутеней формируется интерференционная картина, приведенная на фиг. 5. Отношение толщин отдельных компонент la/la выбирается равным 0,66. Тогда суммарная область свободной дисперсии второй и третьей ИП-ступеней равна 2 ДЯ2, а полуширины полосы пропускания определяется из произведения контуров основных интерференционных максимумов отдельных ИП-ступеней и составляет согласно рас- четам величину 0,14 ДЯ2 . Толщина компонент второй ИП ступени определяется методом подбора с использованием формулы

ДЯ2

4

i-Ј#)

где fJ. - двупреломление кристаллического материала;

До- длина волны света, на которую настраивается фильтр;

2 - толщина отдельной пластины второй ИП-ступени;

10

5

ЛЯа - область свободной дисперсии второй ИП-ступени.

Для каждого из значений г величина з равна I2/0.66. Условием выхода из интерфе- 5 ренционной процедуры является выполнение равенства д A§;ij д АО.Б 5Яо,5 требуемая величина полуширины пропускания ИПФ в целом. Углы ориентации компонент во второй и третьей ИП-ступенях оригинальны, их значения получены в результате решения вариационной задачи, критерием выхода из итерационной процедуры служит получение минимально возможного и одинакового уровня вторичных интерференционных максимумов на выходе двух ИП-ступеней с отношением толщины компонент 0,66 и максимально допустимым уши- рением контура пропускания на 5% по сравнению с эквивалентным фильтром Лио. Максимальный уровень вторичных интерференционных максимумов на выходе второй и третьей ступеней (при их совместном действии) не превосходит 3% от основного. В результате совместного действия ° всех трех ИП-ступеней получено спектральное пропускание ИПФ, вид которого в относительных единицах показан на фиг. б. Пропускание в наиболее сильных вторич- ных интерференционных максимумов не превосходит 2,1%.

Пример. По предлагаемой схеме рассчитывают и изготавливают ИПФ с рабочей длиной волны света Яо 610,27 нм. В качестве двулучепреломляющего материала в нем используются кристаллы кварца и исландского шпата. Всего прибор содержит 12 пластин из кварца и 6 пластин из исландского шпата. В трехкомлонентных ИП-ступенях использованы пластины из исландского шпата с толщинами г 3,012 мм и з 4,563 мм, углы ориентации кристаллооптических осей относительно плоскостей пропускания поляризаторов (все оси параллельны одна

е. другой) составляют 17°, 45°, 73°, отношение 2/ з 0,66. Результирующая область свободной дисперсии второй и третьей ИП-сту-. пеней составляет величину ДЯ$ 1,28 нм, полуширины полосы пропускания 5Яо,5

-. 0,09 нм, максимальный уровень вторичных максимумов пропускания не превышает 3% от основного. Первая ИП-ступбнь содержит 12 пластин из кварца толщиной И 3,123 мм каждая. Углы ориентации кристаллооптичее ских осей относительно входного лоляризао тора равны «, (-1) 3,75° (i 1 12).

Поляризаторы П2. Пз. П1 в фильтре параллельны один другому, а Пт и П2 скрещены, спектральное расстояние от максимума пропускания ИП-ступени до первого минимума (51 1.18 нм. Область свободной дисперсии ДА- 12,4 нм. Таким образом, нерабочие максимумы пропускания второй и третьей ИП-ступеней достаточно точно попадают на минимумы интерференционной картины первой ступени около рабочей длины волны излучения До 610,27 нм. Интерференционный фильтр предварительной монохроматизации с полушириной полосы пропускания 2,7 нм служит для обрезания нерабочих максимумов пропускания первой ИП-ступени. На расстоянии ДА 12,4 нм ИФ имеет пропускание не более 2% от пропускания в максимуме. В результате совместного действия ИФ и трех ИП-ступеней в пределах видимой области спектра ИПФ имеет один интерференционный максимум с полушириной полосы пропускания 5Ао.5 0,08 нм, при этом уровень пропускания в наиболее сильных вторичных интерференционных максимумах и нерабочих максимумах пропускания первой ИП-ступени не превосходит 2% от основного максимума пропускания.

Технический эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении контрастности ИПФ по сравнению с известным фильтром в 4 раза без усложнения схемы прибора и снижение его пропускания в главном максимуме, что позволяет существенно повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен.

Формула изобретения Интерференционно-поляризационный фильтр преимущественно для изучения и прогнозирования солнечной активности, включающий интерференционный фильтр предварительной монохроматизации и три многокомпонентных интерференционно- поляризационных ступени, каждая из которых содержит входной и выходной поляризаторы и набор кристаллических пластин одинаковой толщины, причем плоскости пропускания поляризаторов второй и третьей ступени взаимно параллельны, а кристаллооптические оси пластин первой

ступени ориентированы относительно плоскости пропускания ее входного поляризатора под углами о) (-1) 45°/п, где -номер пластины в ступени; п - общее число пластин в первой ступени, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен путем увеличения контраста фильтра, плоскости пропускания поляризаторов первой ступени ориентированы ортогонально,величина п, толщина li пластин первой ступени и толщина 2 пластин второй ступени определяются методом итерации из выражений

. 0,8 &1

1 дЛо.5 -/( .йЈл

20

2

4

д М1-Ј55)

25 при условии

5Ao. 2 ДА2;

где АО длина волны света, на которую на- страивается фильтр:

ЗАо,5 - полуширина полосы пропускания первой интерференционно-поляризационной ступени;

двулучепреломление материала пла- стин:

ДА2 - область свободной дисперсии второй интерференционно-пол яризацион- ной ступени;

ДА $ - суммарная область свободной дисперсии второй и третьей ступеней, вторая и третья ступени включают по три пластины, кристаллооптические оси которых ориентированы относительно плоскости пропускания поляризаторов этих ступеней под углами 17°, 45°. 73° соответственно, а толщина пластин третьей ступени равна Is I2/0.66.

.-4, h

t

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике спектроскопии Солнца, и может быть использовано для исследования и прогнозирования солнечной активности в интересах радиосвязи, космонавтики, медицины. Изобретение позволяет повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен путем увеличения контраста фильтра. Фильтр содержит интерференционный фильтр предварительной монохроматизации и три многокомпонентных интерференционно-поляризационных ступени. Первая ступень содержит входной и выходной поляризаторы, плоскости пропускания которых ортогональны, и п кристаллических пластин одинаковой толщины И, оси которых ориентированы относительно входного поляризатора под углами о (-1) -450/п. Величина п. толщина li и толщина 12 пластин второй ступени определяются методом итерации их математических выражений. 6 ил.

S

i

Vu

§ Ј

4

I