Способ фильтрации оптического излучения Советский патент 1993 года по МПК G02B5/20 

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в спектральных приборах и других системах, использующих линейно поляризованный свет, где необходимо отрезать длинноволновую часть излучения и плавно менять граничную частоту пропускания.

Целью изобретения является повышение эффективности фильтрации путем увеличения крутизны спектральной характеристики и уменьшения потерь на отражение при отрезании длинноволнового неполяризованного излучения от линейно поляризованного коротковолнового, а также расширение угла и диапазона перестройки.

На фиг. 1 схематически представлена возможная конструкция фильтра по заявляемому способу, сечение; на фиг. 2 - спектральная характеристика фильтра (сплошная линия) в сравнении с прототипом (пунктир) для пучков с угловой апертурой 2х .

Коллимированный пучок света с коротковолновой компонентой (т.е. для ), -. поляризованной в плоскости падения, падает на входную грань призмы-фильтра со стороны тупого угла призмы под углом pi (Лр), близким к углу Брюстера JB р( Parctgri(/lo), где п(Л) - показатель преломления для некоторой длины волны До из диапазона перестройки фильтра (см. фиг. 1). Лучи разных длин волн диспергируют на этой грани, в результате падая на отражающую грань. под разными углами, причем поляризованный коротковолновый свет проходит через

00

о

00

о

00

преломляющую грань практически без потерь, а неполяризованный длинноволновый частично отражается. Величина острого угла призмы а определяется выражением а 2(1вДо),Ао) arctg 1/n &,) + +arcsln 1 In (До), где рг Ов. АО) arctg 1 /п &) Гв - угол преломления на входной грани призмы лучей с длиной волны А АО при падении под углом IB. а рз Ов, АО) arcsin 1 /n( АО) - предельный угол полного внутреннего отражения для лучей с длиной волны А АО, При падении на входную грань призмы-фильтра под углом - (Аф) лучи с длинами волн по- падают на отражающую грань под углами, большими предельного угла полного внутреннего отражения, и отражаются без потерь. На выходную грань призмы эти лучи попадают под углами (pi ( , А)), близкими к углу Брюстера Гв р2 Ов. АО) для света с длиной волны А АО, и проходят через эту грань практически без потерь. Лучи различных длин волн выходят из первой призмы параллельно исходному пучку, но имеют разное смещение относительно него, После прохождения второй призмы-фильтра, расположенной зеркально первой относительно плоскости, перпендикулярной оптической оси фильтра, лучи разных длин волн вновь соберутся в общий пучок, являющийся продолжением исходного. Лучи с длинами волн, большими Агр, будут падать на отражающие грани под углами, меньшими предельного угла полного внутреннего от- ражения и отразятся лишь частично, а частично пройдет через отражающую поверхность и будут уловлены поглощающим слоем. Коэффициент отражения обусловлен не только дисперсией углов полного внутреннего отражения, а существенно уменьшается в результате возникновения разности углов падения на отражающую грань для лучей разных длин волн за счет дисперсии на входной грани призмы. До- полнительное отрезание неполяризованного длинноволнового света происходит благодаря отражению от преломляющих граней призм фильтра. Коэффициент пропускания фильтра в области Лр А для неполяризованного света и идеально скол- лимированного пучка определяется выражением:

1,

d гзП expt- a(A) 2 X,

где ffi - число отражений от отражающих граней в одной призме, « - X - длина пути луча света в одной призме,

с Q с д к Q

5

а. (А ) - коэффициент светопоглощения материала призмы.

Коэффициент ( , A), (yi , А) и ( .A ) определяются формулами Френеля и равны соответственно

tg2 рз (. А) - ум (. А) tg2 рз (рл. А) + (рь, (ф, А)

sin 2 1 - sin 2 (pi (. A)

+#2(,A)

sin2 (t. A) - (р. А) sin2 рз (, А) + рь (pi, A)

где 5Р4 (, А) arcsin {n (A) sin (a- arcsln x

Sln 051,,

х -TJYJ/ угол преломления на отражающей грани призмы, Перестройка фильтра осуществляется зеркальным поворотом призм относительно осей, проходящих через центр входной грани первой призмы и центр выходной грани второй призмы перпендикулярно основаниям призм. Размеры а и b фильтра связаны с толщиной «тколли- мированного пучка соотношениями;

(2m-1)lg max+(2m+1)lg 3mlri и

3/1,15 о tg a,

п ГА)ах1 где(рзт% aarcsin sin{«-arcsinfl /n x

x( ArPmax)}, a 3rnln arcsint1 /n( ArPmfn); m - число отражений в одной призме. .

Преимущества, которые обеспечивает предлагаемый способ, проиллюстрированы графиками, приведенными на фиг. 2. Изображены спектральные характеристики фильтров, изготовленных из стекла марки ТФ4 при числе отражений в одной призме и пучке круглого сечения. Расходимость пучка - рад. Сплошными линиями дана характеристика фильтра, реализованного в соответствии с заявляемым способом, пунктиром - прототипа. Знаками / помечены спектральные характеристики для соответствующих компонент фильтруемого света. Видно, что преимущества предлагаемого способа состоят не только в большей крутизне спектральной характеристики, даже в случае расположения главного сечения призм фильтра-прртотипа в плоскости поляризации фильтруемого света, но и в более высоком пропускании именно поляризованного в плоскости падения коротковолнового излучения. Увеличивается и угол перестройки фильтра: при перестройке от Ягр-488 нм до ,5 им необходимо повернуть каждую призму фильтра в заявляемом устройстве на 461,2, а в прототипе -на 1434.2 ; .

Формула изобретения Способ фильтрации оптического излучения, заключающийся в пропускании излучения через две расположенные зеркально относительно плоскости, перпендикулярной оси светового пучка, призмы, установленные с возможностью поворота вокруг осей, проходящих через центры входной грани первой призмы и выходной грани вто- рой призмы перпендикулярно основаниям призм, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности фильтрации путем увеличения крутизны спектральной характеристики и уменьшения потерь на отражение при отрезании длинноволнового неполяризованного излучения от линейно поляризованного коротковолнового, а также расширения угла и диапазона перестройки, плоскость поляризации коротковолновой части фильтруемого излучения совмещают с плоскостью главного сечения призм, а острые углы призм-фильтров выбирают равными

а arctg 1/п {Яо)3 + arcsln 1/п (До),

Л 1 мин 1 .- 1 мэко. где Лгр Ло Лгр ;,

Лгрмин, Агрмакс - диапазон перестройки фильтра, причем угол поворота призм равен:

# 1 (Дгр) arcsln {n(Arp) sin (a- arcsin 1/n (Л-p)} ,

а толщина а призм и длина b отражающих граней связаны с толщиной стколлимиро- ванного пучка фильтруемого света соотношениями

,МИН1

f(2m-1)tg рзмаТ(2т+1 tg & и ,15 cr tg a.

где

змаксхсгагсз}п „ /1МЭКС

П (Лгр

).

sin{o;-arcsint1/n

П ) xtV13 0)}. а м агс5Ш 1/п(Амингр)m- число отражений в одной призме: п - показатель преломления материала призм.

Использование: фильтрация излучения, в частности, в лазерной оптической спектроскопии. Сущность изобретения: способ фильтрации линейно поляризованного оптического излучения осуществляется использованием двух расположенных зеркально относительно плоскости, перпендикулярной оси светового пучка, призм из прозрачного материала, выполненных в виде параллелепипеда, с поглощающими слоями вдоль боковых граней воздушным промежутком. Призмы установлены с возможностью поворота вокруг осей, проходящих через центр входной грани первой и выходной грани второй призм перпендикулярно основаниям призм. Плоскости главного сечения призм фильтра расположены в плоскости поляризации фильтруемого света; величина острого угла призм и расположение граней призм относительно пучка света, а также соотношение размеров граней призм и сечения фильтруемого пучка света рассчитываются по формулам. 2 ил.

Фиг. I

WU2.2