Решетка-поляризатор Советский патент 1992 года по МПК G02B5/30 G02B5/18 

Изобретение относится к спектральному приборостроению и может использоваться в конструкциях поляризаторов оптического излучения ИК-спектрофотомет- ров, работающ/ix в спектральном диапазоне длин волн 1 -100 мкм.

Известна решетка-поляризатор, выполненная в виде оптического плоско-параллельного слоя, прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные плоскости, Орион™рованные в направлении штрихов, с толщиной d (мм) слоя удовлетворяющей соотношению

ТШГГО

где п - показатель преломления вещества слоя;

Av (см ) - заданное спектральное разрешение спектрофотометра

Недостатком известной решетки-поляризатора является наличие у нее спектра интерференции, снижающего точность или производительность спектрофотометриро- вания.

Известна решетка-поляризатор, выполненная в виде вогнутого оптического слоя, прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующеепараллельныеполоски, ориентированные в направлении штрихов с толщиной d слоя, удовлетворяющей соотношению (1), заштрихованная поверхность которого выполнена плоской, а гладкая - сферической вогнутой, - прототип.

Преимуществом прототипа в сравнении с аналогом является устранение спектра интерференции в его тонком оптическом слое, удовлетворяющем соотношению (1), за счет ее усреднения вдоль поверхности этого

VI 00

о ел ю

слоя с регулярно изменяющейся толщиной d.

Недостатком прототипа является ограниченный спектральный диапазон применения, определяемый составом оптического слоя и технологией его изготовления. Оптический слой изготавливают из термопластичного материала, например, полиэтилена, при температуре его перехода в пластичное состояние с использованием оптической прижимной пластины, задающей вогнутую сферическую форму гладкой поверхности слоя, помещаемого между прижимной пластиной и заштрихованной копируемой поверхностью дифракционной решетки-матрицы.

Известное устройство непригодно для изготовления из материала оптического слоя, формируемого из жидкого раствора, например, фторопласта в этилацетате, на- носимого на поверхность решетки-матрицы с последующим испарением растворителя, поскольку при этом использование оптической прижимной пластины препятствует испарению, а само оно сопровождается Непрерывным уменьшением толщины слоя раствора, мешающим получению заданной формы гладкой поверхности.

Этим ограничивается спектральный ди- апазон применения известной решетки-по- ляризатора с учетом того, что ее оптический слой на основе полиэтилена используется в области спектра с длинами волн мкм, а на основе фторопласта - в области спектра мкм,

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона использования решетки-поляризатора и повышение ее технологичности.

Цель достигается благодаря изменению формы оптического слоя, обеспечивающему возможность его изготовления как по технологии термопластичного прессования с помощью оптической прижимной пластины, так и из жидкого раствора без прижимной пластины, с использованием различных материалов этого слоя, имеющих различные спектральные диапазоны его использования, при одновременном устранении, аналогично прототипу, спектра интерференции за счет ее усреднения вдоль поверхности оптического слоя с регулярно изменяющейся толщиной d,

Положительный эффект при этом выражается в скачкообразном расширении pea- лизуемого спектрального диапазона использования решетки-поляризатора и повышении технологичности ее изготовления в найденной форме оптического слоя.

Сущность изобретения заключается в том, что решетка-поляризатор, выполненная в виде оптического слоя, прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные полоски, ориентированные в направлении штрихов, с толщиной d (мм) слоя, удовлетворяющей соотношению (1), одна из поверхностей которого плоская, а другая - сферическая, выполнена с заштрихованной поверхностью оптического слоя в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R, удовлетворяющим соотношениям:

А2п

R

tf

-(2)

2 0 Ямах4 АМЭХ

где А (мм) - размер заштрихованной поверхности,

A max (мкм) - наибольшая длина волны заданного спектрального диапазона.

Отличительными от прототипа признаками решетки-поляризатора являются: выпуклая форма оптического слоя, обеспечивающего, как и вогнутый слой в прототипе, устранение спектра интерференции за счет ее усреднения вдоль поверхности этого слоя с регулярно изменяющейся толщиной d; искривление заштрихованной поверхности при выполнении гладкой поверхности плоской, совмест- но обеспечивающие повышение технологичности изготовления выпуклого оптического слоя, а также оптимизация рй- диуса кривизны R выпуклой заштрихованной сферической поверхности, обеспечивающая минимальное изменений Ad толщины d оптического слоя, определяющее прочность или прозрачность этого слоя при заданных спектральном диапазв не использования решетки-поляризатора точности спектрофотометрирования.

В решетке-поляризаторе, как и в прототипе спектр интерференции устраняется путем ее усреднени-я вдоль поверхности оптического слоя с переменной толщиной d, но в отличие от него реализуется скачкообразное расширение спектрального диапазона работы за счет использований различных материалов оптического слоя, изготавливаемого по разной технологии, т.е. обеспечивается суммирование положительных признаков обоих известных устройств - (возможность изготовления из разных материалов, используемых в разных спектральных диапазонах) и (устранение спектра интерференции в оптическом тонком слое) при вычитании их недостатков (наличие спектра интерференции в устройстве и невозможность изготовления из жидкого раствора в устройстве.

На фиг. 1 изображена решетка-поляризатор; на фиг. 2 - то же, в стадии формирования ее оптического слоя с использованием или без использования оптической прижимной пластины: на фиг, 3 - спектральные характеристики пропускания известной и предлагаемой решеток-поляризаторов, изготавливаемых из раствора, т.е. в расширенном в сравнении с решеткой поляризатором спектральном диапазоне.

Решетка-поляризатор (см.фиг. 1) образована оптическим тонким слоем 1, удовлет5воряющим соотношению (1): d

nAv

гладкой поверхностью 2 в виде плоскости (т.е. с радиусом кривизны RI со ) и заштрихованной поверхностью 3 в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R2, удовлетворяющим соотношениям (2):

и нанесенной на

20 Лих --: 4 ней системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых нанесено металлическое отражающее покрытие, образующее параллельные полоски 4, ориентированные в направлении треугольных штрихов.

При этом незначительное отклонение гладкой поверхности 2 от плоскостности, вызываемое исходной формой поверхности жидкого слоя или допускаемыми погрешностями изготовления оптической прижимной пластины, слабо влияет на усреднение интерференции в оптическом слое 1 в различных точках этой поверхности.

Основную роль при устранении интерференции за счет ее усреднения в различных точках поверхности играет заштрихованная поверхность 3, выполненная в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R2, удовлетворяющем соотношениям (2). Эта же поверхность 3 реализует одновременно функцию поляризации проходящего через нее оптического излучения с помощью системы штрихов треугольного профиля, содержащей периодическую структуру из металлических токопроводя- щих полосок 4.

Придание заштрихованной пове рхно- сти 3 формы выпуклой сферы с радиусом кривизны R2 обеспечивает возможность как сохранения гладкой поверхности 2 плоской формы, не требующей для ее формирования обязательного применения оптической прижимной пластины, тес вп-чмохнпстью ее

изготовления из раствора, так и одновременно устранения интерференции в оптическом слое 1 переменной толщины d слоя за счет ее усреднения в различных точках по5 верхности 3 в спектральном диапазоне длин волн А Амах

На фиг. 2 показан оптический слой 1 решетки-поляризатора в стадии его формирования методом копирования при разме0 щении поверх копируемой заштрихованной металлической поверхности 5 дифракционной решетки-матрицы 6 с использованием оптической прижимной пластины 7 (формирование термопластического оптического

5 слоя 1 с использованием его нагревания и механического прижатия) или без использования этой пластины 7(формирование из жидкого раствора с выпариванием растворителя).

0 Форма копируемой заштрихованной поверхности 5 дифракционной решетки- матрицы б геометрически дополнительна к сопрягаемой заштрихованной поверхности 3 решетки-поляризатора, т.е. имеет вид вог5 нутой сферы с таким же как и поверхность 3 решетки-поляризатора значением радиуса кривизны R2. Этим обеспечивается предотвращение произвольного растекания жидкого слоя 1 произвольной вязкости по

0 заштрихованной копируемой поверхности 5 дифракционной решетки-матрицы б, т.е. повышение воспроизводимости геометрии слоя 1, определяющей технологичность его изготовления

3 При этом устранение спектра интерференции в оптическом слое 1 решетки-поляризатора реализуется как в параллельном, так и слабо сходящемся или расходящемся оптическом излучении с характерной для

0 И «-спектрофотометров угловой апертурой пучка лучей 0,1.

Решетка-поляризатор работает следующим образом.

5 При установке в оптическом электромагнитном излучении и расположении оси излучения под заданным углом, например, перпендикулярно к ее поверхности, излучение, электрический вектор которого парал0 лелен металлическим полоскам 4 (фиг. 1) индуцирует сильные токи, создающие отраженное электромагнитное поле почти такое же, как и поле от сплошной металлической поверхности. Когда электрический вектор

5 перпендикулярен к металлическим поло- скам 4 падающая волна стремится возбудить токи, текущие поперек элементов, однако вследствие малого,поперечного сечения индуцированные токи и создаваемое

ми поле малы и волна беспрепятственно роходит через решетку-поляризатор.

Выполнение гладкой и заштрихованной оверх-ностей в формах плоской и выпуклой фер с радиусами кривизны RI « и R2, довлетворяющими соотношению (2), обеспечивает предотвращение регистрации инерференционных спектров вследствие меньшения их интенсивности за счет ввеения переменной толщины d оптического лоя 1 в направлении сечения решетки-пояризатора. При этом найденная форма гладкой и заштрихованной поверхности обеспечивает возможность их изготовления одновременно с самим тонким оптическим слоем 1 как по технологии с использованием оптической прижимной пластины, так и без нее, т.е. по технологии выпаривания из раствора.

Найденное соотношение (2) обеспечивает устранение спектра интерференции за счет ее усреднения вдоль поверхности оптического слоя с переменной толщиной d слоя при минимальном ее изменении Ad, удовлетворяющим соотношениям:

Ad

Амах А ,i - 5 Лмах /-у.

соответствующим числу К колец Ньютона, К

1-5 ДЛЯ A max. t

При этом в коротковолновой ПК-области спектра с длинами волн Я 10 мкм. удовлетворяющими соотношению: Я 0,1d, выбираемое значение К может быть максимальным (К 5) для любого класса точности применяемых И К-спектрофотометров в диапазоне 1-0,1% и даже выйти за рамки соотношения (3) при К 5, хотя при этом спектр интерференции устраняется уже при меньшем значении К 5, т.к. это не вызывает чрезмерного изменения A d толщины d оптического слоя 1, существенно ограничивающего его прочность или прозрачность,

В длинноволновой же ИК-области спектра с длинами волн 50-100 мкм, соответствующими А d, при заданных dmin, определяющем прочность оптического слоя 1, и dmax, определяющем его прозрачность, выбираемые значения К, соответствующие условиям (3), в зависимости от класса точности применяемого ИК-спектрофотометра могут быть: К - 1 -2, - для класса точности 1 %; К 3-4, - для класса точности 0,65% и К 4-5, - для класса точности 0,1-0,3%

Пример 1 Решетка-поляризатор с плотностью штрихов 1200 мм для области спектра 2,5-7 мкм ( Я max S 7-10 мм) на основе фторопласта с наибольшей толщиной d оптического слоя

dmax 0.07 мм и полем А 45 мм.

Технология изготовления решетки-поляризатора - из 8% раствора фторопласта в этилацетате, без оптической прижимной пластины, с вывариванием растворителей с

открытой незаштрихованной поверхности оптического слоя.

Гладкая поверхность решетки-поляризатора - плоская, с остаточной сферичностью RI ч 6.10 мм. Радиус выпуклой

заштрихованной поверхности решетки-поляризатора, соответствующий радиусу сопрягаемой заштрихованной вогнутой поверхности копируемой дифракционной решетки-матрицы, составляет Ra « (1,2 1,4).104мм; Ad--20MKM; dmin 50MKM; Кл-5, Amax т.е. обеспечивается эффективное усреднение интерференции для любого классаточностиприменяемогоспектрофотометра при близости остальных

эксплуатационных характеристик к соответствующим в известной решетке-поляризаторе с толщиной d плоскопараллельного оптического слоя d«0,06 мм.

В спектральном диапазоне 1-2 мкм может использоваться решетка-поляризатор из того же или другого непоглощающего ма- т ериала, применяемого в тонком слое, и с той же геометрией, но с увеличенной до 1800-2400 мм-1 плотностью штрихов,

П р и м е р 2. Решетка-поляризатор с плотностью штрихов 1200 для области спектра 7-25 мкм ( Я max S 2,5 мм) на основе полиэтилена с наибольшей толщиной d оптического слоя dmax 0,09 мм и

полем А 35 мм.

Технология изготовления решетки-поляризатора - нагреванием до температуры 110°С с переходом вещества слоя в пластичное состояние и припрессовыванием оптческого слоя копируемой заштрихованной поверхности дифракционной решетки-матрицы под давлением 1 кг/см2, реализуемым через оптическую прижимную пластину.

Гладкая поверхность формируемого оптического слоя, сопрягаемая с оптической прижимной пластиной, - плоская, с остаточной сферичностью, определяемой допускаемым отклонением от плоскостности

оптической прижимной пластины и составляющей з колец Ньютона для видимого света с длиной волны Я-40,5 мкм, что соответствует стрелке прогиба мм и остаточной сферичности RI 105 мм.

При этом, аналогично примеру 1 может

быть выполнено

R2 104MM. Ad 0.02 мм. Для области спектра 25-100 мкм может использоваться решетка-поляризатор из IQ

Для области спектра 25-100 мкм может использоваться решетка-поляризатор из того же или другого непоглощяющего материала, применяемого в тонком слое, и .З мм, ,8.lO мм, с возможностью уменьшения плотности штрихов до 600 в области спектра 25-50 мкм и 300 мм в

области спектра 50-100 мкм.

На фиг. 3 показаны кривые пропускания 8 аналога и 9 - предлагаемой решетки-поля- ризатора для области спектра 2,4-7 мкм, Охватываемой изготавливаемым из раствора материалом оптического слоя 1.

Сопоставление этих кривых наглядно показывает, что предлагаемая решетка-по- пяризатор, в отличие от известной, обеспечивает устранение интерференционных помех в области спектра, не охватываемой прототипом, чем и обеспечивается требуемое расширение ее спектрального диапазо- на и повышение технологичности.

Формул а изо бретени я

Решетка-поляризатор, выполненная в виде слоя, прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых

нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные полоски, ориентированные в направлении штрихов, с толщиной d слоя, удовлетворяющей соотношению:

5 nAv

где п - показатель преломления веществе слоя;

Av - заданное спектральное разрешение спектрофотометра, , причем одна из поверхностей слоя выполнена плоской, а другая - сферической, отличающаяся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона и использования и повышения технологичности, заштрихованная поверхность оптического слоя выполнена в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R, удовлетворяющим соотношению

А2п

R

20 Ямах4 АМЭХ

где А - размер заштрихованной поверхности;

А макс - наибольшая длина волны заданного спектрального диапазона.

Использование: в конструкциях поляризаторов оптического ИК-излучения в области спектра с длинами волн 1-100 мкм, Сущность изобретения: выполнение тонкого оптического слоя решетки-поляризатора, прозрачного в заданной области спектра, выпуклой фо рмы, гладкой поверхности - плоской, а заштрихованной поверхности - сферической выпуклой с радиусом кривизны R, связанным соотношением с размером заштрихованной поверхности, показателем преломления оптического слоя в области его прозрачности и наибольшей длиной волны заданного спектрального диапазона. 3 ил.

Н

&

фиг. 2

§

m

P« Я

е