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

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности ктех- нике геофизических исследований по определению концентрации газов, содержащихся в атмосфере для целей охраны окружающей среды.

Известны узкополосные многокомпонентные интерференционно-поляризаци- OHHoie фильтры, обладающие высоким пропусканием. Особенностью таких фильтров является то, что они содержат только два поляризатора, между которыми помещен набор кристаллических пластин одинаковой толщины. Главные плоскости поляризаторов могут быть между собой параллельны или перпендикулярны, а кристаллические оси пластин ориентируются по определенному закону в зависимости от требований, предъявляемых к спектральному фону в приборе 1. В связи с гем, что показатели двойного лучепреломления кристаллов зависят от температуры окружающей среды, кристаллические пластины и поляризаторы НПФ помещают в герметизированную оправу-термостат, включающую нагреватели, датчики, связанные блоком автоматического терморегулирог.чния, а также приборы регистрации температуры.

Для снижения потерь света при отражении от большого числа поверхностей пластин применяются соответствующие оптические иммерсионные жидкости.

VI VI

ю о

CJ

ел

Недостатком таких ИПФ является фиксация полосы пропускания на одну определенную длину волны, в то время, как в ряде случаев необходимо проведение наблюдений объектов, излучающих на разных длинах волн.

В качестве прототипа рассмотрим ИПФ 2 для исследования газового состава атмосферы, обеспечивающий диапазон перемещения полосы пропускания в УФ и видимой области спектра (см. фиг, 1). Многокомпонентный ИПФ содержит два поляризатора и расположенный между ними набор из m двулучепреломляющих пластин одинаковой толщины, кристаллооптические оси которых составляют с плоскостью пропускания поляризаторов углы а, 2 а, 3 а ... та, где т - количество пластин, m 2,3...-. Для перемещения полосы пропускания в широком диапазоне после каждой из m пластин устанавливаются по две ахроматические пластины четверть волны, углы ориентации которых относительно плоскости пропускания поляризаторов равны i/fy (i a ± 45°) при j 1,3,5... и fyi (i a ± 45°) при j 2,4,6.... где j - порядковый номер четвертьволновой пластинки, i - номер дву- лучепреломляющей пластинки, за которой следует четвертьволновая пластинка. Все элементы объединены в (т + 1) блоки, первый блок состоит из входного поляризатора, двулучепреломляющей пластины и четвертьволновой пластины, последующие блоки содержат четвертьволновую пластину, дву- лучепреломляющую пластину и вторую четвертьволновую пластину, в последний блок входят четвертьволновая пластина и выходной поляризатор. Все блоки, кроме первого, выполнены с возможностью поворота вокруг продольной оси ИПФ одновременно на углы рк (р (К-1), где К - номер блока по порядку, а угол р меняется от 0 до 180°. Описываемый ИПФ предназначен для дистанционного контроля антропогенных выбросов в атмосферу газовых компонентов, имеющих ярко выраженную колебательную структуру в УФ и видимой областях спектра (МНз, S02, N02, Оз, 12). Такой ИПФ с полосой пропускания, фиксированной на любую из заданных длин волн, заменяет собой 5 приборов, в каждом из которых полоса пропускания фиксирована на свою длину волны, соответствующую полосе поглощения определенного химического элемента. Замена нескольких приборов одним позволяет сократить время измерений и тем самым повысить точность и надежность определения концентрации газов в атмосфере, а также расширит эксплуатационные возможности

ИПФ, так как он может быть использован на борту самолетов и стратостатов.

Недостатком фильтра являете, усложнение конструкции ИПФ, так как. должен

осуществляться разворот блоков на разные углы в условиях герметизации.

Целью изобретения является упрощение конструкции ИПФ. Эффект предлагаемого изобретения состоит в упрощении

конструкции ИПФ по сравнению с прототипом, при этом сохраняя все его достоинства - а именно возможность перемещения полосы пропускания в широкой области спектра и высокое пропускание.

Поставленная цель достигается тем, что в перестраиваемый ИПФ, включающий фильтр предварительной монохро- матизации, два поляризатора, плоскости пропускания которых параллельны, и расположенный между ними набор из m 2,3,.., идентичных ступеней, каждая из которых включает основную двулучепре- ломляющую пластину и две установленные за этой пластиной ахроматические четвертьволновые пластинки, кристаллические оси которых составляют угол 45° с осью основной пластины, причем оси основных пластин в ступенях развернуты относительно плоскости пропускания поляризаторов на

углы (р, ,... (р,... , где i - порядковый номер ступени, р 90°/(т + 1), в каждую из ступеней введена полуволновая пластинка, установленная между четвертьволновыми пластинками данной ступени, причем полуволновые пластинки установлены с возможностью синхронного разворота вокруг оптической оси фильтра на одинаковые углы в диапазоне от 0 до 90, а в исходном положении кристаллооптические оси соответствующих полуволновых и четвертьволновых пластинок параллельны друг другу (см. фиг. 2). Перемещение полосы пропускания спектру осуществляется за счет введения допол- нительной разности фаз к каждой

единичной пластинке. Выводе необходимости равенства дополнительных ргзностей фаз Де сделаны на основе эмпирических знаний об интерференционно-поляризационных фильтрах, а достоверность этого вывода подтверждена экспериментом и расчетами.

Математическое моделирование, проведенное авторами с целью получения оптимального варианта схемы многокомпонентного перестраиваемого фильтра, показало, что необходимо установить четвертьволновую пластинку, после каждой кристаллической пластины Ki ввести дополнительную вторую пластину Я /4 перед каждои кристаллической пластиной, начиная со второй, и перед выходным поляризатором, а между четвертьволновыми пластинками поместить вращающуюся полуволновую пластинку, обладающую свойством отражения (поворота) плоскости поляризации подающего на нее излучения. После входного поляризатора выходит линейно поляризованный свет, который кристаллической пластиной К.1 преображается в эллиптически поляризованный. Пластинка А /4 добавляет разность фаз Jt /2 между ортогонально поляризованными компонентами и снова делает свет линейно поляризованным. Если теперь ввести пластинку А /2, то угол ее поворота а определяет величину дополнительно вносимой разности фаз Ле, необходимой для перемещения полосы пропускания по спектру. Для того, чтобы на пластинку К2 падало излучение с эллиптической поляризацией, после пластины А /2 устанавливается вторая четвертьволновая пластина. Кроме того необходимо учитывать, что на каждую из пластин падает эллиптически поляризованный свет под своим постоянным углом, определяемым законом ориентации пластин.

Так как все пластины Ki многокомпонентного фильтра имеют одинаковую толщину, дополнительные разности фаз должны быть одинаковыми, следовательно, пластины А/2 должны быть повернуты одновременно на один и тот же угол, то есть

«1 «2 0:1 ... От .

Перемещение полосы пропускания по спектру от положения одного интерференционного максимума до другого соответствует изменению величины угла а от 0 до 90°.

Существенным отличием предлагаемого ИПФ является то, что в нем вращаются не блоки, включающие поляризаторы, а только пластины А /2, что во-первых не искажает информацию от наблюдаемых объектов, излучение которых полностью или частично поляризовано, а во- вторых позволяет значительно упростить конструкцию прибора, так как проще вращать тонкие пластины на одинаковые углы, чем сложные блоки на разные углы.

Пример конкретного выполнения. Разработан ИПФ для дистанционных комплексных исследований состава атмосферы, который обеспечивает диапазон перемещения полосы пропускания в УФ области спектра 280-350 нм.

ИПФ содержит 2 пленочных поляризатора, 10 кристаллических пластин из кварца

толщиной 2 мм каждая, 10 ахроматических пластин полволны (А /2) и 20 ахроматических пластин четвертьволны (А /4). Оптика помещается в герметизированную оправу термостат (см. фиг. 2). Ширина полосы пропускания 0,3 нм, расстояние между рабочим и нерабочим интерференционными максимумами 4 нм, угловое поле 8У. Полоса пропускания настраивается на любую длину

волны в диапазоне длин волн 280-350 нм, нерабочие максимумы образуются интерференционными контрастными фильтрами. ИПФ имеет большое пропускание 20%. Для перемещения полосы пропускания в

широком диапазоне необходимы ахроматические фазоизменяющие устройства с достаточной точностью поддерживающие разность фаз 90 и 180°. Для ИПФ были специально разработаны ахроматические

фазоизменяющие устройства, поддерживающие разность фаз 90 и 180° с точностью 5% во всей заданной области спектра. Ахроматические пластины состоят из двух компонент, изготовленных из кристаллов, обладающих различным ходом дисперсии показателя двойного лучепреломления. В качестве материалов использованы кварц и MgF2, которые ориентируются на вычитание и имеют следующее значения толщин:

Ikb 64,4 мкм

„J

А/3

lkb 128,8 мкм

fA/2

1мдРг 58,9 MKMJ1мд 117,8MKMj

Пластины А /2 выполнены с возможностью одновременного разворота на одинаковые углы.

Разработанный ИПФ предназначен для

дистанционного контроля антропогенных выбросов в атмосферу газовых компонентов, имеющих ярко выраженную колебательную структуру в УФ области спектра (295, 299, 303,7, 305,7 318, 321, 323, 325 нм).

ИПФ используется в комплекте аппаратуры на борту самолета или стратостата (напомним, что каждый ИПФ содержит герметизированный термостатированный оптический блок, электронный блок автоматического

терморегулирования и блок дистанционного контроля температуры, поэтому желательно, чтобы он имел меньший вес).

Разработанный ИПФ отличается от прототипа тем, что в нем вращаются не блоки.

включающие поляризаторы, а только пластины А /2. Это значительно упрощает конструкцию- проще вращать тонкие пластины на одинаковые углы, чем сложные блоки на разные углы, а это следовательно упрощает

изготовление прибора и уменьшает его вес и габариты. В разработанном ИПФ поляризаторы не вращаются, а следовательно, не искажается информация от наблюдаемых объектов, излучение которых полностью или частично поляризовано.

Формула изобретения Перестраиваемый интерференционно- поляризационный фильтр, содержащий фильтр предварительной монохромати- зации, два поляризатора, плоскости пропускания которых параллельны, и расположенный между ними набор из m 2,3... идентичных ступеней, каждая из которых включает основную двулучепреломляющую пластину и две установленные за этой пластиной ахроматические четвертьволновые

и

пластинки, кристаллооптические оси которых составляют угол 45° с осью основной пластины, причем оси основных пластин в ступенях развернуты относительно плоскости пропускания поляризаторов на углы р,

2 р,..., (р , где i - порядковый номер

ступени, р 90°/(т + 1), отличающий- с я тем, что, с целью упрощения конструкции, в каждую из ступеней введена полуволновая пластинка, установленная между четвертьволновыми пластинками данной ступени, причем полуволновые пластинки установлены с возможностью синхронного разворота вокруг оптической оси фильтра 15 на одинаковые углы 0 до 90°, а в исходном положении кристаллооптические оси соответствующих полуволновых и четвертьволновых пластинок параллельны одна другой.

10

Использование: для геофизических исследований по определению концентрации газов, содержащихся в атмосфере, в интересах охраны окружающей среды, Сущность изобретения: фильтр содержит фильтр предварительной монохроматизации, два поляризатора, плоскости пропускания которых параллельны, и расположенный между ними набор из m 2,3... идентичных ступеней, каждая из которых включает основную двулучепреломляющую пластину и две установленные за этой пластиной ахроматические четвертьволновые пластинки, кристаллооптические оси которых сэставля- -ет угол 45° с осью основной пластины, причем оси основных пластин в ступенях развернуты относительно плоскости пропускания поляризаторов на углы р, 2 f, .. (р,...т р, где i - порядковый номер ступени р 90°/(т + 1), в каждую из ступеней зведена полуволновая пластинка, установленная между четвертьволновыми пластинами данной ступени, причем полуволновые пластинки установлены с возможностью синхронного разворота вокруг оптической оси фильтра на одинаковые углы в диапазоне от 0 до 90°, а в исходном попожении кристаллооптические оси соответс вующих полуволновых и четвертьволновых пластинок параллельны друг другу. 2 ил. Ё

П К U,, Кг&.эЯ«г лг-mn-inq

Hi Rit RL,J+I Km Rm,n Rm,ri+i П

i

л o( )Htf (-#1 ; («( #1 I tWUSfyH- tf 0

I 11

J 1fL

О

о

Фиг. /

С

fb

d