Дисперсионный светофильтр Советский патент 1983 года по МПК G02B5/20 

(54) ДИСПЕРСИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР

-1

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано для шлхгговления дисперсионных филь-гров для инфракрасной (ИК) и особенно далекой ИК-области спектра.

Известны фильтры, используемые в ИК-области спектра, в которых изменение спектрального состава проходящего через них излучения происходит в результате его рассеяния на неоднородностях, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения flj . Как правило, такие фильтры предназначены отрезания коротковолновой области спектра. Однако для выделения узких спектральных полос пропускания они н&пригодны.

Из известных наиболее близкими по технической сущности являются рассеивающие дисперсяонные фильтры, состоящие из связующей среды с помешевнными в нее однородными частицами. Фильтрующее действие основано на яв-,

лениях дисперсии и светорассеяния. Максимум полосы пропускания соответствует длине волны, для которой показатели преломления среды в частиц совпадают

(точка пересечения кривых дисперсии)2j.

Смещение максимума полосы пропускания по спектру достигается либо загменой одной из компонент фильтра (ср&ды или частиц) веществом с другим

значением показателя преломления, либо изменением спектральной зависимости показателя преломления (кривой диспе сии) одной из кокшонент фильтра под влиянием внешних факторов или разбавлениём иммерсионной жидкости в фильтрах типа кристалл-жидкость другой жщн костью.

Основным условием работы дисперсионнь№ фильтров с однородными част цами $шляется наличие точки пересечения кривых дисперсии в нужной области спектра. С переходом в инфракрасную область это условие чаше всего выпо/ няется вблизи полосы поглощения одной вз компонент фильтра. Указанное обстоятальстБО приводит к заметному сниж&нию величины пропускания фильтров и практически исключает возможность получения светофильтров для выделения узких спектральных полос высокой интен сивности, расположенных достаточно близко друг к другу в заданном интервале спектра. В далекой ИК-области спектра резко уменьшается число веществ с пересекающимися кривыми дисперсии, что приводит в р5ше случаев к невозмож ности монохроматизации излучения в тре буемой спектральной области. . Целью изобретения является расширение спектрал ьного диапазона монохро матизируемых излучений, особенно в сто рону далекой ИК-области. Поставленная цель достигается тем, что частицы выполнены в виде ядра и концентрической оболочки, причем в мак симуме пропускания светофильтра, показатель преломления среды имеет промежуточное значение между показателями преломления ядра и оболочки, а внеиьНИИ радиус частиц не превышает 1/10 длины волны излучения. Для двухслойных частиц, например, показатели преломления среды , ядpa И и оболочки И связаны соотношениемп,,.-иД); где Y - радиус ядра; 1 - радиус оболочки. Фильтрую.щий эффект возникает пря равенстве среднего по объему показател преломления частицы и показателя пре ломления среды. При этом смешение положения максимума поЛосы пропускания достигается либо соответствующим подбором вещества ядра и оболочки (гру бое смешение положения максимума полосы пропускания), либо изменением соотношения размеров ядра и оболочки (плавное смещение). На фиг. 1 показаны спектральные за внсимости показателя преломления четырех веществ, часто используемых в качестве компонент дисперсионных фильтров для ИК-области спектра: КЪ , LiF KR.5-5 , (кривая 1) и вычисленные зависимости эффективного показателя преломления для двухслойных частиц с ядром из и оболочкой (кривая 2), с ядрами из МрОи оболочками разной толщины из kR -5 (кривые 3-5) На фиг. 2 приведены спектральные зависимости безразмерного коэффициента ослабления (фактора эффективности ослабления) света для внедренных в среду вз КВч однородных частки из ( кривая 1) и соответствующих эффективным дисперсионным кривым фиг. 1 двухслойных частиц (кривые 2-5). Расчеты коэффициентов ослабления выполнены по формулам Ми для однородных частиц и по модифицированным формулам Мк для двухслойных частиц. Поглощение считалось пренебрежимо малым. Из фиг. 2 видно, что расчеты факторов эффективности ослабления на основе точной теории дифракции электфомагеи-гного излучения на частицах подтверж дают тот факт, что минимум ослабления соответствует именно тем длинам волн, для которых .эффективный показатель преломле1гая двухслойной частицы равен показателю преломления среды. При этом глубина минимума составляет 2-3 порядка величины. На фиг. 3 представлены вычисленные аналогичным образом спектральные зависимости коэффициента ослабления внедренных двухслойнь1Х частиц с ядрами оболочками из KR5 -5, для которых при различных значениях радиусов ядра и оболочки отношение К/; / Kj постоянно (в данном случае ,96). Кривая 6 соответствует ,55 мкм, О,573 мкм, кривая ,85 мкм, hj 0,885 мкм, кривая 8- К 1,15 мкм, Г,2.1,198 мкм. Указанному соотношению размеров ядра и оболочки соответ- сл-вует эффективная дисперсионная кривая 4 фиг, 1, Из фиг. 3 видно, что минимум ослабления соответствует практически одной и той же длине волны Хо мкм, для которой эффективный показатель прелок ления равен показателю преломления среды. Однако с увеличением размера двухслойных частиц при неизменном отношении коэффициент ослабления возрастает. Например, для указанных выше внешних рамеров двухслойных частиц с ,573i О,885 и 1,198 мкм показатель ослабления в минимуме соответственно равен 2,0891СГ ; 9,430, А10 ; 6,878-W. В соответствии с этим пропускание фильтра, состоящего из среды с помещенными в нее двухслойными частицами, будет уменьшаться. На фиг. 4 показаны спектральные завис ш 1ости пропускания фильтров, соответствуюшие спектральным зависимостям безразмерного коэффициента ослабления, изображенным на фиг. 2 и 3, Расчет пропускания Т проведен по соотношению ..„,,е- аКослме. где I , ID - интенсивности прошедшего и падающего излучения; N - числовая концентрация чао Z - толщина слоя. Для сопоставления результатов проиэ ведение концентрации частиц на толщину слоя (N ) во всех случаях принято одинаковым,равным тому его значению, которое для фильтра из однородных чаотиц МООв среде КВч обеспечивает на длине волны X 7 мкм пропускание Т 90%. Из фиг. 4 видно, что пропускание фильтров с двухслойными частицами (кривые 2-5, соответствующие кривым 2-5 на фиг. 1), достаточно высокое, .вполне сопоставимо с пропусканием фил тров с однородными частицами (кривая 1), а в некоторых случаях и выше (кри вая 6). Однако с увеличением размеров частиц пропускание фильтров уменьщается. Для кривой 7 фиг. 3 оно меш ше 1%. На фиг. 5 приведены аналогично рас считанные спектральные зависимости пр пускания внедренных в КВч двухрлойны частиц с ядрами из KRS-5 и оболочкам КЗ biF . Это как раз тот случай, когда дисперсионные кривые всех трех компонентов фильтра не пересекаются (см. фиг. 1). Штриховыми кривыми показано пропускание фильтров из частиц указанного состава cY 0,5 MKM, 716 мкм (кривая 8) и Ъ ЬО,5кжм, ,776MKM (кривая 9) при томже значении NC , ка и в предьщущих случаях, приведенных на фиг. 4. Для радиусов ядра и оболочки, соответствующих значениям f О,5 мкм f 0,832 мкм, пропускание фильтра оказалось меньше 1%. Сплошными кривыми показано пропускание для фильтров на тех же частиц, но при меньшей их концентрации. В этом случае произведение ЫБ выбрано с таким расчетом, чтобы пропускание фильтра с У О,5 мкм, r,j.O,832 мкм (для Ло 6,5 мкм) было равно 1О% (кривая 1О Уменьшение концентрации частиц првво46днт к некоторому повышению пропускания также и для первых двух филь- тров (кривые 11 и 12). Однако при этом возрастает полуширина полосы пропускания, что не всегда . Из этого следует, что основным фактором для регулировки величины пропускания фильтра является не концентра- дня, а размер частиц. Повышение пропускания достигается уменьшением размеров частиц. Таким образом, из всей совокупности упомянутых выше и приведенных на ФИГ. 1-5 данных следует, что для правильного применения соотношения и получения фильтров с достаточно высоким пропусканием необходимо, чтобы параметр дифракшш используемых в фильтре чаоIiif.Yi тиц у -j-Иср удовлетворяя условию ffi или А /10. При этом погрешность моделирования оптических свойств двухслойных частиц с помощью среднего по объему частицы показателя преломления ЖЛ)близка к нулю. Практическая реализация предлагаемого устройства упрощается с продвижонием в далекую ин4 ракрасную область, поскольку изготовление более крупных двухслойных частиц технологически проще. Предлагаемое устройство позволяет значительно расширить спектральный диапазон монохроматизируемых излучений в сторону далекой инфра1драсной области, для которой в настоящее время фильтры практически отсутствуют. Располагая набором из трех веществ, среди которых хотя бы одно имеет возрастающий или убывающий ход дисперсии (пересечение кривых не обязательно), можно за счет небольших вариаций отношения К /Га получить множество фильтров для выделения полос пропускания с любым заранее заданным положением их максимумов. Аналогичным образом можно значительно пополнить перечень и ныне сушествующих фильтров для области длин волн мкм, обеспечив монохромат. , зацию в тех участках спектра, для которых невозможно подобрать пары веществ с кривыми дисперсии, пересекающимися при нужной длине волны. Таким образом, предлагаемое устройство кардинально решает проблему моно}фоматвзацир излучения в ин4)акрасной области спектра. Формула изобретения Дисперсионный светофильтр состояший из связующей среды с помещенными в не частицами, отличающийся тем что, с целью расширения спектрального диапазона монозфоматизируемых излуче кий, частицы выполнены в виде ядра i концентрической оболочки, причем в максимуме пропускания светофильтра показатель преломления среды имеет промеШ

КЯ5-5

Ю HWIH жуточное значение между показателями преломления ядра и оболочки, а внешний радиус частиц не превышает 1/1О длины волны излучения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе lArmsirongr K.R. and Low F.j.Fat-эм гаed fietei-e utitiHMg swaBe PartideScotteH iQf avid Auiir-efEeciiw coatino-s.Appeied Optic 13.tJi2,p.41E-430.f974. 2. Борисевич H. A. Инфракрасные фильтры, Минск, Наука и техника, 1971, гл. 5.

.в

19

Ю Иипн

Фиг.2

/

/ /

X

v/

e /

1;

Д«д

Ф1Л.З