Способ фильтрации оптического излучения

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 02 В 5/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

Щ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) м " А/л; в

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABT0PCКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4878995/10 (22) 31.10.90 (46) 23.04.93. Бюл. М 15 (71) Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л. Я. Карпова (72) В.В. Некрасов, А.В, Никитин и M,Ô. Щапов (56) Авторское свидетельство СССР

hL.637767, кл. G 02 В 5/20.

Авторское свидетельство СССР

М 718818, кл, G 02 В 5/20. (54) СПОСОБ ФИЛЪТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Использование: фильтрация излучения, в частности, в лазерной оптической спектро скопии. Сущность изобретения: способ фильтрации линейно поляризованного оптического излучения осуществляется исИзобретение 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 заявля„„Я2„„1810868 А1 пользованием 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 распопожение граней призм относительно пучка света, а также соотношение размеров граней призм и сечения фильтруемого пучка света рассчитываются по формулам. 2 ил. емому способу, .сечение; на фиг. 2 — спектральная характеристика фильтра (сплошная линия) в сравнении с прототипом (пунктир) для пучков с угловой апертурой 2х х10 з рад.

Коллимированный пучок света с коротковолновой компонентой (т.е. для А,р), поляризованной в плоскости падения, падает на входную грань призмы-фильтра со стороны тупого угла призмы под углом р1 (kp), близким к углу Брюстера В= p) po)= ч агстдп(4), где п(Я ) — показатель преломления для некоторой длины волны ) 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

1810868

ti = yrp2 +д4 rs2 ") Ехр(- а (Л) 2 Х), 55 где m — число отражений от отражающих граней в одной призме, Х- длина пути луча света в одной призме, преломляющую грань практически без потерь. а. неполяризованный длинноволновый частично отражается. Величина острого угла призмы а определяется выражением а =

= а(1вЛ)+у (в,4) = arctg (1/и (i4)) +

+arcsin (1/и (4)). где pz (1в, Q) = аrctg (1/и (4))

- Гв — угол преломления на входной грани призмы лучей с длиной волны Л = Ло при падении под у глом p1 = 1в, а р (iB, .

4) =arcsin(1/п(Л )) — предельный угол пол10 ного внутреннего отражения для лучей с длиной волны iL = Л . При падении на входную грань призмы-фильтра под углом

Р1 =4Р1 (Я,р) лУчи с длинами волн Л 4р по15 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 щ (pt, Л)), близкими к углу Брюстера Гв = щ (ie. Ло) для света с длиной волны iL = Л», и проходят через эту грань практически без потерь. Лучи различных длин волн выходят иэ первой призмы параллельно йсходному 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 Я р. будут падать на отражающие грани под углами, меньшими предельного угла полного внутреннего от- 35 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- 45 полнительное отрезание неполяризованного длинноволнового света происходит благодаря отражению от преломляющих, граней призм фильтра, Коэффициент пропускания фильтра в области Л р < Л для неполяризованного света и идеально сколлимированного пучка определяется выражением а (Л ) — коэффициент светопоглощения материала призмы. коэффициент гр=-гр(Р1, Л), ris=ds(P1, Л) и г — rs(P1 ..Л ) опРеделЯютсЯ фоРмУлами ФРенеля и равны соответственно 4 (Я1 Я

tg2 (Pa (Р1, Л) + cP4 (Р1, Л)) л1 „

sin (р +у (p1, Л))

Х4 Ы1 Я)

sin2 (рз (pt Л) + у4 (pt, Л)) где р4 (p1, Л) = arcsin (n (iL) sin (а - arcsin x

x(— 74-)} — угол преломления на отражаюsin et

Пф щей 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 Ь фильтра связаны с толщиной аколлимированного пучка соотношениями;

b= (2т — 1)lg /з"""+(2m+1)ig газ ") и а 1,15 o tg а, и @max где рз а агсз1п(. sin(a -агсз!п(1/и х и (Лгр ) х(Жр" ") ), а ъ" "=агсз1п(1/n(Лгр ")); 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

m=4 и пучке круглого сечения. Расходимость пучка-210 рад, Сплошнымилиниямидана характеристика фильтра, реализованного в соответствии с заявляемым способом; пунктиром — прототипа. Знаками "//" и "/." 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-прототипа в плоскости поляризации фильтруемого света. но и в более высоком пропускании именно поляризован,ного в плоскости падения коротковолнового излучения. увеличивается и угол перестрой1810868 . ки фильтра; при перестройке от 4р-.488 нм до Я Р=514,5 нм необходимо повернуть каждую призму фильтра в заявляемом устройстве на 46 1,2", а в прототипе — на

14 34.2 .

Формула изобретения

Способ фильтрации оптического излучения, заключающийся в пропускании излучения через две расположенные зеркально относительно плоскости, перпендикуляр-. ной оси светового пучка, призмы, установленные с возможностью поворота вокруг осей, проходящих через центры входной грани первой призмы и выходной грани второй призмы перпендикулярно основаниям призм, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности фильтрации путем увеличения коутизны 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/и Q)j + агсз1п (1/и ()), мин < < 1 макс)

5 (Жр"",Ягр " ) — диапазон перестройки фильтра, причем угол поворота призм равен; р 1 (Мгр) = a resin (ngp) з1 и (а10 — arcs in (1/n (kp))}, а толщина а призм и длина Ь отражающих граней связаны с толщиной стколлимированного пучка фильтруемого света соотно15 шениями

= — ((2m — 1) tg рз" " (2п1+1 т,ц (р" "j и

4 а<115o tg а где

20. макс ф"а" ха arcsin(n r . sin(a — arcsin(1/и мин) х х(4р"." )}), а р " =arcsin(1/n(+„,"Р )), m — число отражений в одной призме;

n — показатель преломления материала призм.

1810868

Составитель В. Некрасов

Техред M.Моргентал Корректор С. Лисина

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1445 .Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4!5