Способ спектральной и пространственной селекции электромагнитного излучения

 

Использование: область оптического приборостроения в различных оптических приборах, в которых для селекции излучения требуемой длины волны используется диспергирующий элемент. Сущность изобретения: многократно направляют поток излучения на диспергирующий элемент посредством многоходовой отражательной системы, содержащей отражатели с криволинейной отражающей поверхностью, при этом диспергирующий элемент установлен или между отражателями или на место одного из отражателей, причем в последнем случае диспергирующий элемент используют как отражатель. Используют дополнительные диспергирующие элементы, при этом диспергирующие элементы установлены или между отражателями, или на месте отражателей, причем в последнем случае диспергирующие элементы используют как отражатели. 4 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных оптических приборах для селекции спектральных линий.

Известен способ спектральной селекции оптического излучения, заключающийся в том, что направляют поток оптического излучения на диспергирующий элемент, посредством которого падающее на него излучения раскладывается по длинам волн. Селекция излучения требуемой длины волны λ₀ осуществляется выделением с помощью диафрагмы потока излучения, распространяющегося по соответствующему λ₀ направлению [1] .

Недостатком способа аналога является недостаточное спектральное разрешение из-за относительно небольшой угловой дисперсии диспергирующего элемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (изобретению) является способ, заключающийся в том, что многократно пропускают поток оптического излучения через диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей k отражателей, при этом оптическая система обеспечивает n= k+1 проход излучения через диспергирующий элемент [2] .

Недостатком способа прототипа является пропорциональная зависимость числа проходов n излучения через диспергирующий элемент от числа отражателей k. Попытка увеличить спектральное разрешение требует наращивания числа отражателей k, что, в свою очередь, приводит к значительному усложнению конструкции устройства, реализующего способ прототип.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить до требуемого уровня спектральное разрешение практически не увеличивая количество отражателей.

Это достигается тем, что в способе спектральной и пространственной селекции электромагнитного излучения, заключающемся в том, что многократно направляют поток электромагнитного излучения по крайней мере на один диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей k отражателей, направляют поток электромагнитного излучения на диспергирующий элемент более k+1 раз посредством оптической системы, отражатели которой выполнены с криволинейной отражающей поверхностью, при этом диспергирующий элемент устанавливают или между отражателями или на место одного из отражателей, причем в последнем случае диспергирующий элемент используют как отражатель.

А так же тем, что устанавливают дополнительные диспергирующие элементы или между отражателями или на место отражателей, причем в последнем случае диспергирующие элементы используют как отражатели.

Спектральное разрешение повышается до требуемой величины без увеличения числа отражетелей за счет использования многоходовой оптической системы, обеспечивающей многократное прохождение излучения через диспергирующий элемент (большее чем k+1) без уменьшения светосилы по мере увеличения числа проходов.

В способе могут быть использованы многоходовые оптические системы с цилиндрическими или сферическими отражателями. (см. , например, White J. , Long Optical Path of Large Aperture, JOSA, 1942, v. 32, N 2, рр. 285-288), а. с. СССР N 206857, кл. G 01 S 3/16, 1967; а. с. СССР N 1082162, кл. G 02 B 17/06, 1985; а. с. СССР N 1091101, кл. G 02 B 17/06, 1984; а. с. СССР по заявке N 4916480/25 от 4.03.91, решение о выдаче от 18.11.91).

Сущность способа заключается в следующем. Пусть диспергирующий элемент обладает угловой дисперсией D(α_i) при угле падения α_i потока излучения на диспергирующий элемент. И пусть посредством многоходовой отражательной системы поток излучения многократно направляется на диспергирующий элемент. Тогда после n-кратного воздействия диспергирующего элемента суммарная угловая дисперсия D(α_i)_Σ будет составлять: D(α_i)_Σ = D(α_i) В свою очередь, суммарная угловая дисперсия устройства, реализующего способ прототип, при тех же углах падения α_i, имеет значение: D(α_i)^п_Σ^рот= D(α_i) В случае использования многоходовой отражательной системы, обеспечивающей n>k+1 взаимодействий потока излучения с диспергирующим элементом, угловая дисперсия D(α_i)_Σ устройства, реализующего предлагаемый способ, превысит угловую дисперсию D(α_i)_Σ^прот устройства, в котором реализован способ прототип. При этом, если в многоходовой отражательной системы число отражателей меньшем или равно k, то применение предлагаемого способа позволит увеличить спектральное разрешение без увеличения числа отражателей.

В тоже время, после n-кратного взаимодействия m-го числа диспергирующих элементов, суммарная угловая дисперсия будет составлять: D(α_i)_Σ = D(α_i)₁+D(α_i)₂+. . . +D(α_i) где D(α_i)₁, D(α_i)₂, D(α_i)_m - соответственно, угловая дисперсия 1-го, 2-го и m-го диспергирующего элемента.

Таким образом, введение дополнительных диспергирующих элементов приводит к дальнейшему увеличению суммарной угловой дисперсии и как следствие к повышению спектрального разрешения.

На фиг. 1-4 представлены возможные варианты конструкции устройств, реализующие предлагаемый способ спектральной и пространственной селекции электромагнитного излучения.

На фиг. 1, фиг. 2 показан вариант конструкции с диспергирующим элементом, выполненным в виде трехгранной призмы, установленной между отражателями многоходовой оптической системы. На фиг. 1 представлен основной вид чертежа устройства, на фиг. 2 сечение А-А и вспомогательные виды А, Б, В. Прямоугольниками на виде А обозначены области пересечения луча с отражающей поверхностью первого зеркала. Цифры на зеркалах соответствуют числу прохода луча между противолежащими отражающими поверхностями.

Устройство содержит призму с углом при вершине β, многоходовую оптическую систему, состоящую из трех цилиндрических зеркал с одинаковым радиусом кривизны цилиндрических поверхностей. В первом зеркале имеется два отверстия для входа и выхода излучения. Зеркала и призмы установлены следующим образом: оси цилиндрических отражающих поверхностей второго и третьего зеркал параллельны между собой и параллельны плоскости основного вида чертежа; оси цилиндрических поверхностей второго и третьего зеркал находятся друг от друга на расстоянии, равном половине шага между соседними областями пересечения луча с отражающей поверхностью первого зеркала; оптическая длина пути между первым и вторым зеркалом и первым и третьим зеркалом соответствует двойному фокусному расстоянию зеркал; ось цилиндрической поверхности первого зеркала развернута под углом Θ_о к плоскости, проходящей через оси цилиндрических поверхностей второго и третьего зеркал и параллельна плоскости основного вида чертежа; грани призмы перпендикулярны основному виду чертежа; угол Θ_о равен углу α, т. е. равен углу между плоскостью, перпендикулярной оси первого зеркала и плоскостью, перпендикулярной осям второго и третьего зеркал.

Устройство работает следующим образом. Пусть на вход устройства направляется пучок, содержащий две длины волны: λ₀= 5,3034 мкм и λ₁= 5,138 мкм; призма изготовлена из ВаF₂ и имеет показатель преломления n_о= 1,44904 для λ= λ₀ и n₁= 1,45012 для λ= λ₁. И пусть система настроена на длину волны λ₀= 5,3034 мкм, т. е. первое зеркало установлено таким образом, чтобы ось цилиндрической поверхности этого зеркала была развернута под углом Θ_о= 2 x x аrcsin [n_o sin ( β/2)] - β= 11,068^о по отношению к осям цилиндрических поверхностей второго и третьего зеркал. Тогда излучение с длиной волны λ₀, вошедшее в систему через входное отверстие, первый раз пройдет через призму и отразится от второго зеркала, второй раз пройдет через призму и отразится от зоны 2 первого зеркала, третий раз пройдет через призму и отразится от зоны 4 первого зеркала и т. д пока не выйдет через выходное отверстие, пройдя через призму (как это показано на фиг. 1) всего 16 раз. Т. к. , система настроена на λ₀, то все лучи, проходящие слева от призмы будут лежать в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической поверхности первого зеркала, а все лучи, проходящие справа от призмы, будут лежать в плоскости, перпендикулярной осям цилиндрических поверхностей второго и третьего зеркал, поскольку угол между этими плоскостями α= Θ₀. Луч с длиной волны λ₁ (из-за отличий в показателе преломления от луча с длиной волны λ₀) после первого прохождения через призму отклонится от плоскости, перпендикулярной осям второго и третьего зеркал на угол Δ Θ= Θ₀-Θ₁= 2,71459 ˙10^-5 град и сместится по оси Х на ΔХ= L˙ tg (Δ Θ), где L - расстояние от призмы до отражающей поверхности второго (третьего) зеркала. После третьего прохода через призму луч дополнительно сместится по оси Х на расстояние ΔХ= L ˙tg(3 Δ Θ) и т. д. После n проходов через призму суммарное смещение пучка Δ X_Σ и соответствующая этому смещению линейная дисперсия S будет составлять: ΔX_Σ = L[tg(ΔΘ)+tg(3ΔΘ)+. . . +tg[(n-1)·ΔΘ] +tg[(n-1)·ΔΘ] S = В рассматриваемом случае (при L= 600 мм и n= 16) Δ X_Σ≈2,1 мм, S= 7,9˙10^-2 мкм/мм. Очевидно, что если ширина выходного отверстия 1 будет ≅2мм, то излучение с λ≈λ₁ не попадет в выходное отверстие многоходовой оптической системы, т. е. произойдет спектральная и пространственная селекция излучения, проходящего через многоходовую систему.

На фиг. 3 и 4 показан вариант конструкции с дифракционной решеткой, установленной на месте одного из отражателей многоходовой оптической системы. На фиг. 3 представлен основной вид чертежа устройства, на фиг. 4 - сечение А-А и вспомогательные виды А, Б, В. На виде А прямоугольниками обозначены области пересечения с отражающей поверхностью дифракционной решетки лучей, падающих на решетку под автоколлимационным углом Θ. Цифры на дифракционной решетке и зеркалах соответствуют числу прохода луча между противолежащими отражающими поверхнос- тями.

Устройство содержит входное, выходное отверстия и многоходовую оптическую систему, состоящую из двух цилиндрических зеркал и цилиндрической дифракционной решетки с штрихами, нанесенными параллельно плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической поверхности решетки. Зеркала и дифракционная решетка имеют одинаковый радиус кривизны цилиндрической поверхности и установлены следующим образом: оси цилиндрических отражающих поверхностей первого и второго и зеркал параллельны между собой и параллельны плоскости основному виду чертежа; оси цилиндрических поверхностей первого и второго зеркал находятся друг от друга на расстоянии, равном половине шага между соседними областями пересечения луча с отражающей поверхностью дифракционной решетки, и пересекают поверхность дифракционной решетки в точках, принадлежащей секущей плоскости А-А; ось цилиндрической поверхности дифракционной решетки развернута под углом Θ к плоскости, проходящей через оси цилиндрических поверхностей первого и второго зеркал и расположена в плоскости основного вида чертежа.

Устройство работает следующим образом. Излучение, поступающее в устройство через входное отверстие, направляется первым зеркалом на дифракционную решетку в световую зону 2 (световая зона - область пересечения луча с отражающими поверхностями). В результате дифракции на решетке излучение разложится по длинам волн по следующему закону: sin(α) + + sin (β) = λ/d, где α-угол падения излучения на дифракционную решетку (здесь и далее под углом падения подразумевается угол между проекцией нормали к решетке и проекцией направления распространения падающего на решетку потока излучения на плоскость фронтальной проекции чертежа); β-угол дифракции; λ-длина волны излучения; d-период решетки. После отражения от дифракционной решетки излучение поступает на второе зеркало, которым излучение вновь направляется на дифракционную решетку в зону 4. Далее после дифракции на решетке излучение попадает на первое зеркало и т. д. , до тех пор пока после определенного числа проходов между решеткой и зеркалами излучение не выйдет за пределы оптической системы. При этом в процессе многократного прохождения луча между противолежащими отражающими поверхностями излучение с длиной волны λ₀= 2 ˙d ˙sin(Θ) будет падать на дифракционную решетку и отражаться от нее под одним и тем же автоколлимационным углом Θ, а излучение с длиной волны λ₁, отличной от λ₀, под углом α_k= 2 Θ±arcsin (λ/d- -α_k-1), где α_k-1 - угол падения в предыдущей серии проходов. Причем точка падения на дифракционную решетку излучения с длиной волны λ₁, будет смещаться по оси Х в каждой новой серии проходов к краю решетки (к левому или правому на виде А чертежа) с приращением ΔХ_k= 2˙L ˙tgx x (Θ-α_k), где L - расстояние между дифракционной решеткой и зеркалами. После n = N/2 - 1 отражений от дифракционной решетки, где N - число проходов луча между отражающими поверхностями, суммарное смещение пучка Δ X_Σ и соответствующая этому смещению линейная дисперсия S будет составлять: ΔX_Σ = X_k , S = Таким образом, после определенного числа проходов через выходное отверстие выйдет излучение с длиной волны λ₀, а излучение с длиной волны λ₁, отличной от λ₀, покинет оптическую систему, минуя выходное отверстие. Так, например, при использовании дифракционной решетки с периодом d= 10 мкм, ширине выходного отверстия l= 29 мм, расстоянии между дифракционной решетки и зеркалами L= 300 мм и настройке многоходовой оптической системы на N= 16 проходов, вышеописанное устройство позволяет отселектировать линию излучения СО₂-лазера Р₂₀( λ= 10,591035 мкм) от соседних линий излучения Р₁₈(λ= 10,571037 мкм) и Р₂₂(λ = 10,611385 мкм) ( Δ X_Σ = 29,4 мм; S= 6,8 ˙10^-4 мкм/мм для Р₂₀-Р₁₈ и Δ X_Σ = 30,6 мм; S= 6,7˙10^-4мкм/мм для Р₂₀-Р₂₂).

Следует отметить, что светосила вышеописанных устройств по координате Х не зависит от спектрального разрешения и определяется высотой h выходного отверстия (см. вид А на фиг. 2, 4). (56) В. А. Вагин, М. А. Гершун и др. , Светосильные спектральные приборы. /Под ред. К. И. Тарасова, М. : Наука, 1988, с. 19.

В. И. Малышев. Введение в экспериментальную спектроскопию, М. : Наука, 1979, с. 463-464.

Формула изобретения

1. СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в том, что направляют многократно поток электромагнитного излучения по крайней мере на один диспергирующий элемент посредством многозеркальной оптической системы, содержащей K отражателей, отличающийся тем, что направляют поток электромагнитного излучения на диспергирующий элемент более K + 1 раз посредством оптической системы, отражатели которой выполнены с криволинейной отражающей поверхностью, при этом диспергирующий элемент устанавливают или между отражателями, или на место одного из отражателей, причем в последнем случае диспергирующий элемент используют как отражатель.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устанавливают дополнительные диспергирующие элементы или между отражателями, или на место отражателей, причем в последнем случае диспергирующие элементы используют как отражатели.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4