Оптический узкополосный фильтр, модулирующий полосу поглощения вещества Советский патент 1992 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к оптике, а именно к интерференционным тонкослойным оптическим покрытиям, и может быть использовано для избирательного подавления излучения заданных спектральных интервалов, в частности при изготовлении поверочных устройств промышленных фотометрических анализаторов.

В промышленности находят широкое применение фильтровые фотометрические анализаторы концентрации примесей или отдельных компонент выпускаемых веществ. Принцип работы анализаторов состоит в том, что интенсивность света заданной длины волны До, проходящего через контролируемое вещество, зависит от концентрации контролируемых примесей. Чтобы точно измерить концентрацию примесей, находят другую длину волны AI, на

которой интенсивность света не зависит от концентрации примеси, и используют ее в качестве опорной длины волны, т.е. сравнивают интенсивности света, прошедшего на длине волны АО и AL и по их соотношению судят о концентрации веществ.

Для настройки и поверки таких анализаторов необходимо иметь наборы образцов вещества со строго определенной концентрацией контролируемой примеси, с помощью которых и проводится поверка анализаторов.

Однако, как правило, такие наборы крайне неудобны в работе вследствие нестабильности во времени и ряда других недостатков. Эти недостатки устраняются при использовании так называемых фотометрических эквивалентов концентрации, представляющих собой стабильные во времени

2

00

СА)

простые образцы, имеющие разное ослабление на длине волны АО и одинаковое наАь Опыт показывает, что подбор таких эквивалентов из стабильных веществ (стекла, кристаллов и т.д.) крайне труден и далеко не всегда возможен. Поэтому актуальной ется задала целенаправленного изготовления эквивалентов. Наибол ёе используемый для ее решения путь - применение интерференционных покрытий.

Известен широкополосный оптический интерференционный многослойный фильтр, в котором частично подавле.ны полосы ослабления высших порядков, имеющий структуры ABCD DCBA, где А, В, С, D - отдельные слои оптической толщины 1/4 До, а показатели преломления слоев удовлетворяют условию

у2 - 2ух2 - х2 + ,

Л

где х ПА/ПО; у пь/пс

И ПД ПО ПВ Пс

Недостатки этого фильтра - невозможность получения узкой полосы поглощения и низкая степень подавления осцилляции ослабления, обусловленная трудностью подбора вещества с показателями преломления, удовлетворяющими требуемым условиям с высокой точностью.

Наиболее близким к предлагаемому является интерференционный фильтр, содержащий подложку с системой интерференционных слоев, имеющих структуры (аВЬН)м аВП, где П - подложка; В и Н - четвертьволновой слой материала с высоким и низким показателями преломления соответственно; а и b - нечетные числа, указывающие краткость оптической толщины слоя величине 1/4 АО; М - целое число, указывающее количество пар слоев, охваченных скобками, в системе.

Такая структура системы интерференционного фильтра позволяет управлять шириной и глубиной полосы ослабления, имитирующей полосу поглощения вещества заданной концентрации.

Однако проблема существенного снижения уровня осцилляции интенсивности прошедшего излучения сохраняется и для данного фильтра, что не позволяет получать качественные эквиваленты малых концентраций вещества, когда ослабление излучения 25% и Менее,

Цель изобретения - уменьшение осцилляции величины пропускания фильтра, по крайней мере 8 интервале от первой коротковолновой полосы более высокого порядка до первой длиноволновой полосы более низкого порядка интерференции по отношению к основной полосе, и расширение диапазона моделируемых поглощений в область меньших ослаблений

Цель достигается тем, что в оптическом

фильтре, моделирующем полосу поглощения, содержащем прозрачную на заданной длине волны подложку с показателем преломления пп с нанесенным на нее многослойным интерференционным покрытием

из чередующихся слоев с показателями преломления пь и пн интерференционное покрытие нанесено на обе стороны подложки, причем показатели преломления материалов слоев удовлетворяют соотношению пь - 1, а общая конструкция фильтра соответствует одной из структур

(аВЬНГ аВП (cBdHf fB,(1)

или(эВЬНГаВП(сВаНГтН,(2)

или (аНЬВ)м аНП(СШВ)м fH,(3)

или (аНЬВГ аНП(сНбВГ fB(4)

где П - подложка; В и Н - соответственно четвертьволновой слой материала с высоким и низким показателям преломления; а, Ь, с, d - нечетные; f - любое целое число,

указывающее кратность оптической толщины слоя величине Ао/4; М и N - целые числа, указывающие количество пар слоев, охваченных скобками, в данном покрытии, причем коэффициенты в (1)-(4) дожны

удовлетворять соотношению

(a + b)M + a (c + d)N -t-f+1.(5)

В основу предлагаемого интерференционного фильтра, характеризующегося малыми осцилляциями интенсивности

прошедшего света за пределами основной интерференционной полосы, положен принцип компенсации осцилляции пропускания путем последовательного взаимодействия света с ослабляющей и

просветляющей на длине волны системами, осцилляции пропускания которых близки по величине и противоположны по фазе.

Формулы ОН4) задают структуру сложного фильтра, содержащего ослабляющую и

просветляющую интерференционные системы, расположенные на противоположных поверхностях подложки. Параметры интерференционных полос (полуширина и максимум ослабления просветления) каждого из

этих фильтров определяются величиной Дгг- /пь - Пн/ и коэффициентами d b, М и С, d, f, N соответственно.

Условие (5), накладываемое на коэффициенты в (1)(4) в предлагаемом устройстве,

есть условие противофазности осцилляции пропускания указанных интерференционных систем, входящих в фильтр. Противоположность осцилляции может быть получена только в том случае, когда количества четвертьволновых слоев в системах отличаются на единицу.

Число экстремумов осцилляции пропускания между основными полосами для многослойной интерференционной систе- мы определяется ее общей оптической толщиной.

Равенство (5) означает, что оптические толщины ослабляющей и просветляющей систем отличаются не более, чем на До/4. Условие пь - пн 1, установленное эмпирически на основе метода математического моделирования, также является необходимым для достижения положительного эффекта. В самом деле, компенсация осцил- ляций пропускания ослабляющей системы противофазными осцилляциями просветляющей системы возможны только в том случае, когда величины этих осцилляции сравнимы.

Амплитуда осцилляции коэффициента пропускания просветляющей системы ограничена сверху величиной коэффициента отражения просветляемой поверхности подложки. Поэтому для компенсации осцил- ляции необходимо, чтобы амплитуда осцилляции ослабляющей системы имела аналогичные ограничения. Амплитуда осцилляции интерференционной системы определяется разностью Дп коэффициентов преломления материалов интерференционных слоев и при больших Дп становится больше коэффициента отражения от поверхности подложки, т.е принципиально осцилляции не могут быть компенсированы.

Методом математического моделирования было установлено, что коэффициент пропускания ослабляющей системы в области пропускания становится равным коэффициенту отражения от одной поверхности подложки при пь - OH 1. Отсюда ясен смысл рассматриваемого условия.

Рассмотренные признаки являются достаточными для существенного снижения уровня осцилляции интенсивности света в спектральной области пропускания предлагаемого интерференционного фильтра, т.е. обеспечивают достижение положительно- гоо эффекта.

На фиг.1 представлены спектральные характеристики известного и предлагаемого фильтров. По оси ординат отложена величина коэффициента отражения R 1 -Т, где Т - коэффициент пропускания, по оси абсцисс - относительная длина волны А/До, где До- заданная длина волны максимума полосы ослабления; на фиг.1 а - спектральная характеристика фильтра, сделанного по прототипу. Его конструкция выражается

формулой: (В9Н) ВП, где П - подложка из стекла К8; В - слой материала с высоким показателем преломления пь 1,45 (окись кремния); Н - слой материала с низким показателем преломления пн 1.38 {фтористый магний); на фиг.16 - спектральная характеристика покрытия, нанесенного на вторую сторону подложки. Его конструкция описывается формулой П(В9Н)5; на фиг.1 в - спектральная характеристика предлагаемого фильтра, выполненного из тех же материалов. Его конструкция описывается формулой (В9Н)5ВП(В9Н)5; на фиг.2 - схема предлагаемого фильтра; на фиг.З - спектры пропускания конкретных фильтров, обеспечивающих ослабление на длине волны АО соответственно 5, 10, 15, 25%, структура которых (а) - (9НВ)49НВ(9НП)5; (б) - (ЗВ5Н)8ЗВП(ЗВ5Н)82Н;(вНВ5НГВП(ЗВЗН)10 и (г) - (В5Н)15ВП (В5Н)1У для подложки из стекла К8 (пп 1.5), Слои с высоким показателем преломления изготовлены из фтористого бария (пь 1,46), а слои с йизким показателем преломления - из фтористого кальция (пн 1,42). Приведенные на фиг.З результаты показывают, возможность варьирования моделируемой полосы поглощения (глубины и ширины полосы ослабления) при поддержании низкого уровня осцилляции в области пропускания, прилегающей к рабочей полосе ослабления

Сравнение прототипа и предлагаемого фильтра показывает, что последний характеризуется существенным уменьшением осцилляции в области пропускания, прилежащей к основной полосе ослабления, так в прототипе они составляют 5-10%, а в предлагаемом фильтре 0,1-0,3% коэффициента пропускания

Достоинством предлагаемого фильтра является также расширение возможностей управления контуром полосы ослабления благодаря сочетанию в одном фильтре ослабляющей и просветляющей систем, что также немаловажно как для моделирования полос поглощения, так и для ряда других задач.

Формула изобретения

1. Оптический узкополосный фильтр, модулирующий полосу поглощения вещества, содержащий прозрачную на заданной длине волны АО подложку с нанесенным на нее многослойным интерференционным покрытием, при этом общая конструкция фильтра соответствует структуре

(аВЬН)м аВП или (аНЬВ)маНП, где П - подложка с показателем преломления Пп; В, Н - четвертьволновые слои материала с высоким пь и низким пн

показателями преломления соответственно; а и b - нечетные числа, о т л и ч а ю щ и- й с я тем. что, с целью уменьшения осцилляции коэффициента пропускания фильтра в интервале от первой коротковолновой полосы более высокого порядка до первой длийрволновой полосы более чизкого пр- рядрка интерференции по отйойенйю к основной полосе и расширения диапазона моделируемых поглощений, на другую сторону подложки дбпрл нитёл ьнр нанесено ин- терференционное покрытие, причем общая конструкция филира Соответствует струк(аВЬН)м aBn(cBdH)N fBили (аВЬН)м aBn(cBdHr М, или (аНЬВ)м аНП (eHdB)NfH, или

(аНЬВ)м аНП (cHdBrfB, где (а Ь) М + а -(с + d) NJ +f + 1, с, d - нечетные числа;

f, М и N - целые числа, при этом показатели преломления материалов слоев удовлетворяют соотношению пь пн 12. Фильтр по п.1, отличающийся

тем, что, с целью уменьшения осцилляции коэффициента пропускания, первый от подложки слой у обоих покрытий наносится из материала, показатель преломления которргр по величине ближе к показателю преломления подложки.

3. Фильтр по п.1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью уменьшения осцилляции коэффициента пропускания, общая конструкция может быть Выражена в виде

1чМ

{ВаН)ВП(ВаНГмили

{аНВ))р (НаВ)1 НП (НаВГ

или

или

(аВН)м аВП (аВН)

,М+1

Использование: для избирательного подавления излучения заданных спектральных интервалов, в частности, при изготовлении поверочных устройств промышленных фотометрических анализаторов. Сущность изобретения: фильтр содержит подложку с нанесенной на нее интерференционной системой. Общая конструкция фильтра соответствует одной из структур (dBbH)M aBn(cBdH)N fB; (аВЬН)м aBn(cBdH)N fN, (аНЬВ)м aHn(cHdb)N fH, (аНЬВ)М| аНП (cHdB)N fB, где (а + b) M + a (c + d) N + f + 1; П - подложка с показателем преломления Пп; В и Н - четвертьволновые слои материала с высоким пь и низким пн показателями преломления соответственно; а, Ь, с, d - нечетные: f, M N - целые числа. 2 с, и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

« 0 iZ 9 6

№

№/

ФЯГ. I

«

W

& QH

6 SH

6

9K 8

3H В

9И В

;///////////////

RjJBK

ЧшШШШШ

жшш

Ј2

7 /

Л

Редактор С.Лисина

Составитель В.Кондратюк Техред М.Моргентал

Й

f,f

Фв

фагЗ

I

Корректор С.Юско