Оптический узкополосный фильтр, модулирующий полосу поглощения вещества

 

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.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 02 В 5/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{21) 4840094/10 (22) 18.06.90 (46) 15.07.92. Бюл, N. 26 (71) Институт физики им. Б,И.Степанова (72) Т,С.Голубь, И.Д.Грачев, В,А.Лойко и

П, Н,Чумаков (53) 535.345.67 (088,8) (56) Патент США М 3914023, кл. G 02 В 5/28, 1975.

Dobrovolski l.À.— АррИеб Optics; к 9, N

6; р. 1396, 1970, (54) ОПТИЧЕСКИЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ

ФИЛЬТР, МОДУЛИРУЮЩИЙ ПОЛОСУ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (57) Использование: для избирательного подавления излучения заданнйх спектральИзобретение относится к оптике, а именно к интерференционным тонкослойным оптическим покрытиям, и может быть использовано для избирательного подавления излучения звданнйх спектральных интервалов, в частности при изготовлении поверочных устройств промышленных фотометрических анализаторов.

В промышленности находят широкое применение фильтровые фотометрические анализаторы концентрации примесей или отдельных ком по нент вы пускаемых ве- ществ. Принцип работы анализаторов состоит в том, что.интенсивность света заданной длины волны Я, проходящего через контролируемое вещество, зависит от концентрации контролируемых примесей.

Чтобы точно измерить концентрацию примесей, находят другую длину волны А1, на

„„.Я2„„1748113 А1 ных 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) аВП(сВбН) fB, (aBbH) aBll{cBdH) fN; (aHbB) aHfl(cHdb) fH; (aHbB)M аНП (cHdB) fB, где ((a + о) М) + а = ({с + d)) N + f

+ 1; П вЂ” подложка с показателем преломления Пп; В и Н вЂ” четвертьволновые слои материала с высоким nb и низким пн показателями преломления соответственно; а, Ь, с, d — нечетные; f, М, N — целые числа. 2 с, и 1 з.п, ф-лы, 3 ил. 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 и A.1. 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

1748113 простые образцы, имеющие разное ослаб- шению к основной полосе. и расширение ление на длине волны (42 и одинаковое íàh. диапазона моделируемых поглощений в обОпыт показывает, что подбор таких эквива- ласть меньших ослаблений, лентов из стабильных веществ(стекла, кри- Цель достигается тем, что в оптическом сталлов и т.д,) крайне труден и далеко не 5 фильтре, моделирующем полосу поглощевсегда возможен. Поэтому актуальной явля- ния, содержащем прозрачную на заданной ется задача целенаправленного изготовле- длийе волны подложку с показателем прения эквивалентов. Наиболее" часто ломления пп с нанесенным на нее многоиспользуемый для ее решения путь — приме- слойным интерференционным покрытием нение интерференционных покрытий. 10 из чередующихся слоев с показателями преИзвестен широкополосный оптический ломления пь и пн интерференционное поинтерференционный многослойный крытие нанесено на обе стороны подложки. фильтр, в котором частично подавлены по- причем показатели преломления материалосы ослабления высших порядков, имею- ловслоев удовлетворяютсоотношению п(2— щий структурыABCD DCBA, где А, B,С,0 — 15-пн",nff — 1, а общая конструкция фильтра отдельные слои оптйческой толщины 1/4, соответствует одной из структур а показатели преломления аллее удоалетао- (еВЬН) аВП (cBdHI fB, и ()

1 или(аВЬН) аВП(сВОН) fH, (2)

2 2 или (aHbB)M аНП(СНОВ(н fH, . (3)

У 2Ух — х + — — 1 = О, 20 (sHbB)M aHII(cHdB) fB (4)

= и /A0; у = пь/п где П вЂ” подложка; В и Н вЂ” соответственно четвертьволновой слой материала с высоНедостатки этого фильтра — невозмож- ким и низким показателям преломления; а, ность получения узкой полосы поглощения b, с, d — нечетные: f — любое целое число. и низкая степень подавления осцилляций 25 указывающее кратность оптической толщиослабления, обусловленная трудностью ны слоя величине Й/4; М и N — целые числа, подбора вещества с показателями прелом- указывающие количество пар cnoee, охааления,удовлетворяющимитребуемымусло- ченных скобками, в данном покрытии, при Виям с высокой точностью. чем коэффициенты в (1) — (4) дожны

Наиболее близким к предлагаемому 30 удовлетворять соотношению является интерференционный фильтр, со- ((a+ Ь) М+ а) = ((с+ d) N)+ f + 1. (5) держащий подложку с системой интерфе- В основу предлагаемого интерференциренционных слоев„имеющих структуры онного фильтра, характеризующегося малы(aBbH) аВП, где П вЂ” подложка; В и Н вЂ” ми осцилляциями интенсивности четвертьволновой слой материала с высо- 35 прошедшего света за пределами основной

"ким и низким показателями преломления интерференционной полосы, положен соответственно; а и Ь вЂ” нечетные числа, принцип компенсации осцилляций пропууказывающиекраткостьоптическойтолщи- скания путем последовательного взаимоны слоя величине 1/4 4„M — целое число, действия света с ослабля ющей и указывающее количество пар слоев, охва- 40 просветляющей на длине волны системами, ченных скобками, в системе. осцилляции пропускания которых близки по

Такая структура системы интерферен- величине и противоположны по фазе. ционного фильтра позволяет управлять ши- Формулы (1)-(4) задают структуру сложриной и глубиной полосы ослабления. ногофильтра, содержащегоослабляющуюи имитирующей полосу поглощения вещества 45 просветляющую интерференционные сисзаданной концентрации. темы, расположенные на противоположных

Однако проблема существенного сии- поверхностях подложки. Параметры интержения уровня осцилляции интенсивности ференционных полос (полуширина и максипрошедшего излучения сохраняется и для мум ослабления просветления) каждого из данного фильтра, что не позволяет получать 50 этих фильтров определяются величиной hn.качественные эквиваленты малых концент- = /nb — пн/ и коэффициентами d, Ь, M и С, d, раций вещества, когда ослабление излуче- f, N соответственно, ния 25 и менее, - Условие (5); накладываемое на коэффи Цель изобретения — умейьшение осцил- циенты в (1)-(4) в предлагаемом устройстве, ляций величины пропускания фильтра, по 55 есть условие противофазности осцилляций крайней мере в интервале от первой корот- пропускания указанных интерференционковолновой полосы более высокого йорядка нйх систем, входящих в фильтр. противоподо первой длиноволновой полосы более ложность осцилляций может быть получена низкого порядка интерференции по отно- только в том случае, когда количества чет1748113 6

5 вертьволновых слоев в системах отличают- формулой; (В9Н) ВП, где П вЂ” подложка из

5 ся на единицу. - стекла К8;  — слой материала с высоким

Число экстремумов осцилляций пропу- показателем преломления пь = 1,45 (окись скания между основными полосами для кремния); Н вЂ” слой материала с низким помногослойной интерференционной систе- 5 казателем преломления nH"- 1,38 (фторимы определяется ее общей оптической тол- стйй магний); на фиг.1б — спектральная щиной, характеристика покрытия, нанесенного на

Равенство (5) означает, что оптические вторую сторону подложки. Его конструкция толщины ослабляющей и просветляющей описывается формулой A(89H); на фиг.1в— систем отличаются не более, чем íà @/4, f0 спектральнаяхарактеристика предлагаемоУсловие и)) — nH .g пГ)- 1, установленное го фильтра, выйолненйогО из тех же материэмпирически на основе метода математиче- алов. Его констручкция описывается ского моделирования, также является необ- формулой (В9Н) ВП(В9Н); на. фиг.2 — схема ходимым для достижения положительного предлагаемого фильтра; на фиг,3 — Спектры эффекта. Всамомделе, компенсацияосцил- 15 пропускания конкретных фильтров, обесляций пропускания ослабляющей системы печивающих ослабление на длине волны противофазными осцилляциями просветля- Аз соответственно 5, 10, 15, 257, струкющей системы возможны только в том слу- тура которых (а) — (9HB) 9Н8 9НП) ; (б)— чае, когда величины этих ооцилллцие (ЗВВН)ЗВПРВВН) 2Н;(в) ВВН) ВП(ЗВЗН) сравнимы,: 20 и (г) — (ВБН)15ВП (SSH)i для подложки из

Амплитуда осцилляций коэффициента стекла К8 (n() - 1,5), Слои с высоким показапропускания просветляющей системы огра- телем преломления изготовлены из фториничена сверху величиной коэффициента от- стого бария (пь = 1;46), а слои с йизким ражения просветляемой поверхности показателем преломления — из фтористого подложки. Поэтомудля компенсации осцил- 26 кальция (nH = 1,42). Приведенные íà фиг.3 ляции необходимо, чтобы амплитуда осцил- результаты показывают,.возможность варьляций ослабляющей системы имела ирования моделируемой полосы поглощеаналогичные ограничения. Амплитуда ос- иия(глубийы и ширины полосы ослабления) цилляций интерференцйонной системы оп- при поддержании низкого ypîâíÿ осцилляределяется разностью Лп коэффициентов 30 ций в области пропусканйя, прилегающей к преломления материалов интерференцион- рабочей полосе ослабления, ных слоев и при больших Лп стайовится Сравнение прототипа и предлагаемого больше коэффициента отражения от повер- фильтра показывает, что последний харакхности подложки, т.е. принципиально ос- теризуется существеннымуменьшениемосцилляции не могут быть компенсированы. 35 цилляций в области пропускания, Методомматематическогомоделирова- прилежащей к основной полосе ослабления было установлено, что коэффициент ния, так в прототипе они составляют 5-;10;(,, пропускания ослабляющей сйстемы в обла- а в предлагаемом фильтре 0,1 — О,ЗО «оэффисти пропускания становится равным коэф- циента пропускания. фициенту отражения от одной поверхности 40 Достоинством предлагаемагоч фильтра

ПОдЛОжКИ ПрИ П)з — Пн «<р 1. ОтСЮда ЯСЕН . яВЛяЕтСя таКжЕ раСШИрЕНгИЕ ВОЗМОжНОСтвй смысл рассматриваемого условия,: управленйяг контуром полосы ослабления

Рассмотренные признаки являются до- благодаря сочетанию в одном фильтре осстаточными для существенного снижения лаблягющей и просветляющей систем, что уровня осцилляций интенсивности света в 45 также немаловажно как для моделирования спектральной облагстй пропускания предла- полос поглощения, так и для ряда других гаемого интерференционного фильтра, т.е. задач, обеспечивают достижение положительно- Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

roo эффекта. 1. Оптический узкополосйычй фильтр, На фиг.1 представлены спектральные 50 модулирующигй полосупЬглкощения вещестхарактеристики известного и предлагаемо- ва; содержащий прозрачную на заданной

ro фильтров. Поосиординатотложена вели- . длине волны i4, подложку c êàíåñåííûì на чина коэффициента отражения R = 1 — Т, где нее многослойным интерференционным поТ вЂ” коэффициент пропускания, по оси абс- крытием, при-этом общая конструкция фильцисс — относительная длина волныЯ/Q, где 55 тра соответствует структуре

Ло- заданная длина волны максимума поло-: (аВЬН) аВП или.(аНЬВ) аНП, M М сы ослабления; на фиг,1а — спектральная re П вЂ” подложка с показателем преломлехарактеристика фильтра, сделанного по Hii> nt), В, Н вЂ” четвертьволновые слои матепрототипу. Его конструкция выражается риала с высоким пь и низким пн

1748113 показателями преломления соответственно; а и Ь вЂ” нечетныечисла, отл ич а ю щ ий с я тем. что, с целью уменьшения осцилляций коэффициента пропускания фильтра в интервале от первой коротковолновой полосы более высокого порядка до первой длиноволновой полосы более низкого порядка интерференции rio отйошению к основной полосе и расширения диапазона моделируемых поглощений, на другую сторону подложкидополнительно нанесеноинтерференционное покрытие, причем общая конструкция фильтра соответствует структуре (аВЬН) аВП(сВбН) .fB или (аВЬН) аВП(с8бй) М, или (aHbB)M аНП (cHdB)NfH, или (аНЬВ) аНП (eHdB) " fB,где f(a+ b) М)+ а = ((с + б) й)+ (+ 1, с, d — нечетные числа;

f, M u N — целые числа, при этом показатели преломления материалов слоев удовлетворяют соотношению пь—

-nH ",n -1.

5 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения осцилляций коэффициента пропускания, первый от подложки слой у обоих покрытий наносится из материала, показатель преломления кото10 рого по величине ближе к показателю преломления подложки, 3. Фильтр по п,1, о тл и ч à ю щи и с я тем, что, с целью уменьшейия осцилляций

15 коэффициента пропускания, общая конструкция может быть выражена в виде (BaH) ВП (ВаН) и и (аНВ) аНП(аНВ М+, или (НаВ) НП (НаВ), или

2О (ВН) аВП(ВН)м".

17481 t3

И

У7 . 7б

Ë7 Ьг 5

Составитель В.Кондратюк

Техред М.Моргентал Корректор С,Юско

Редактор С.Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 103

Заказ 2504 Тираж :. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

313035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5