Оптический спектрометр и акустооптическая ячейка, входящая в его состав

 

Использование: для спектрального анализа. Сущность: оптический спектрометр содержит по крайней мере один поляризатор, акустооптический фильтр, фотоприемник. Поляризатор установлен на направлении распространения первого светового луча перед одним из входов акустооптического фильтра, а фотоприемник - на его выходе. Согласно изобретению введен дополнительный поляризатор, а акустооптическая ячейка фильтра выполнена с дополнительным входом для второго светового луча. Акустооптическая ячейка содержит светозвукопровод, выполненный из монокристалла, и электроакустический преобразователь. Входная грань для светового поляризованного луча выполнена со скосом. Другая грань, расположенная смежно входной грани, выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с упомянутым первым световым лучом. Входная грань для первого светового луча выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча и распространения его вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны. Угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней равен углу падения на входную грань звуковой волны. Оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, преимущественно к устройствам спектрального анализа и может быть применено при спектрометрических исследованиях с использованием взаимодействия акустических и оптических волн в анизатропном кристалле.

Известны устройства спектрального анализа, которые выполнены двухвходовыми для обеспечения дополнительных возможностей при проведении исследований, например, калибровки частотной шкалы высокостабильным оптическим сигналом, сравнения оптических спектров различных источников при стационарных условиях, сравнения оптических спектров веществ при физическом воздействии на одно из веществ, исследования оптических спектров излучения и поглощения, выявления изменений в объекте наблюдения во временном интервале, и для решения других комплексных задач, связанных с возможностью одновременного анализа двух оптических сигналов.

Обычно в устройствах спектрального анализа для решения задачи объединения световых лучей используются система зеркал, см. например, а. с. СССР N 322752, G 02 B 27/14, опубл. в 1971 г. или а. с. СССР N 1136028, G 01 J 3/42, опубл. в 1985 г. или система призм, см. например, пат. США N 1994531, 88-1, опубл. в 1935 г. или пат. США N 3743383, 350-170, опубл. в 1973 г.

Системам объединения световых лучей при помощи зеркал присущи следующие ограничения: большие габариты, сложность фокусировки и юстировки лучей, чувствительность к внешним механическим воздействиям, вибрациям, колебаниям температуры.

Системам объединения световых лучей при помощи призм присущи следующие ограничения: относительно большие габариты, а также чувствительность к внешним механическим воздействиям.

Известные акустооптические спектрометры обычно содержат фотоприемник и акустооптический фильтр, включающий акустооптическую ячейку, один поляризатор (для устройств, работающих на отражение светового луча от задней стенки акустооптической ячейки), установленный перед входом акустооптической ячейки, или два поляризатора (для устройств, работающих на проход светового луча через акустооптическую ячейку), один из которых установлен на входе в акустооптическую ячейку, а другой на ее выходе. Фотоприемник в любом из этих случаев устанавливается на выходе излучения из акустооптического фильтра: или на выходе одного поляризатора для устройств с отражением светового луча или на выходе излучения после второго поляризатора для устройств, работающих на проход, см. например, пат. Российской Федерации N 1707484, G 01 J 3/18, опубл. в 1992 г.

Системы для обработки снимаемой с фотоприемника информации о спектре могут быть выполнены различным образом в зависимости от необходимой точности проведения исследования, используемого оборудования, требований к автоматизации проведения измерений и т. п.

Наиболее близким аналогом оптического спектрометра является спектрометр, содержащий фотоприемник и акустооптический фильтр, выполненный из по крайней мере одного поляризатора, электроакустического преобразователя и акустооптической ячейки, причем поляризатор установлен на пути первого светового луча перед первым входом акустооптической ячейки, а фотоприемник на выходе излучения из акустооптического фильтра, при этом направление распространения первого светового луча в акустооптической ячейке выбрано совпадающим с направлением распространения в ней групповой скорости звуковой волны, возбуждаемой в акустооптической ячейке электроакустическим преобразователем (пат. СЩА N 3644015, 350-149, опубл. в 1972 г.) Для создания двухвходового оптического спектрометра, в состав которого входит акустооптический фильтр, можно было бы идти традиционным путем, используя установку призмы (нескольких призм) на входе акустооптической ячейки для объединения световых лучей или введения системы зеркал для объединения световых лучей перед поляризатором. Однако этот путь привел бы к вышеперечисленным недостаткам, присущим указанным системам объединения световых лучей.

Известна акустооптическая ячейка, содержащая светозвукопровод, выполненный из монокристалла, и электроакустический преобразователь, установленный на одной из граней светозвукопровода с возможностью возбуждения в нем звуковой волны, при этом входная грань для светового поляризованного луча выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения светового поляризованного луча в светозвукопроводе вдоль оси направления распространения групповой скорости звуковой волны, а выходная грань для светового поляризованного луча расположена противоположно входной грани (пат. США N 3767286, 350-149, опубл. в 1973 г.) Это техническое решение не позволяет объединить два световых луча в одном светозвукопроводе, т. к. выбранные ориентация оптической оси монокристалла и угол скоса входной грани не позволяют произвести сложение световых поляризованных одинаковым образом лучей, поступающих от различных двух источников, установленных в разных пространственных точках.

Известен также акустооптический фильтр с коллинеарным взаимодействием, содержащий фотоупругий кристалл с двулучепреломлением, показатель преломления которого более 2, имеющий грань с закрепленным на ней электроакустическим преобразователем и скошенные торцевые грани, в котором гранью для ввода оптического луча в кристалл является грань, смежная с торцевыми гранями кристалла и противоположная грани с электроакустическим преобразователем (а. с. СССР N 805240, G 02 F 1/11, опубл. в 1981 г.) Это техническое решение также не позволяет объединить два световых луча, поскольку угол скоса грани выбран, исходя из условия только трансформации звуковой волны, и, кроме того, световой луч, входящий со стороны смежной грани, прежде чем отразится от упомянутой скошенной грани, претерпевает отражение от противоположной грани для ввода светового луча.

Наиболее близким техническим решением для акустооптической ячейки является ячейка, входящая в состав коллинеарного акустооптического фильтра, содержащего светозвукопровод, выполненный из монокристалла, и электроакустический преобразователь, установленный на одной из граней светозвукопровода с возможностью возбуждения в нем звуковой волны, при этом входная грань для светового поляризованного луча выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения светового поляризованного луча в светозвукопроводе вдоль оси направления распространения групповой скорости звуковой волны (а. с. СССР N 1406554, G 02 F 1/33, G 02 F 1/11, опубл. в 1988 г.) Это устройство, также как и предыдущие, не позволяет объединить два световых сигнала различных направлений в одном светозвукопроводе, т. к. выбранные угол скоса входной грани и ориентация оптической оси монокристалла не позволяют ввести в светозвукопровод два световых луча от источников света, расположенных в разных пространственных точках.

Цель изобретения создание двухвходового оптического спектрометра, позволяющего обеспечить высокую точность спектральных измерений, расширить функциональные возможности при проведении измерений, обеспечить высокую надежность и слабую чувствительность к внешним физическим воздействиям.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, улучшение точностных характеристик при внешних механических и температурных изменениях, уменьшение габаритов при объединении двух световых лучей в одном светозвукопроводе и обеспечении их коллинеарного взаимодействия со звуковой волной.

Для достижения цели и указанного технического результата в известный оптический спектрометр, содержащий фотоприемник и акустооптический фильтр, выполненный из по крайней мере одного поляризатора, электроакустического преобразователя и акустооптической ячейки, причем поляризатор установлен на пути первого светового луча перед первым входом акустооптической ячейки, а фотоприемник на выходе излучения из акустооптического фильтра, при этом направление распространения первого светового луча в акустооптической ячейке выбрано совпадающим с направлением распространения в ней групповой скорости звуковой волны, возбуждаемой в акустооптической ячейке электроакустическим преобразователем, согласно изобретению введен дополнительный поляризатор, акустооптическая ячейка выполнена с дополнительным входом для второго светового луча, направление которого на акустооптическую ячейку выбрано несовпадающим с направлением упомянутого первого светового луча, и дополнительный поляризатор установлен на пути распространения второго светового луча перед дополнительным входом акустооптической ячейки, а акустооптическая ячейка выполнена с возможностью изменения в ней направления второго светового луча на направление, совпадающее с направлением в ней первого светового луча.

Возможны варианты выполнения оптического спектрометра, в которых целесообразно, чтобы: акустооптическая ячейка включала в себя светозвукопровод, выполненный из монокристалла, при этом входная грань для первого светового луча была выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения первого светового луча в светозвукопроводе вдоль направления групповой скорости звуковой волны, грань, расположенная противоположно входной грани первого светового луча, была выполнена с возможностью отражения первого светового луча и на ней был установлен электроакустический преобразователь, другая грань, расположенная смежно входной грани для первого светового луча, была выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с первым световым лучом, причем входная грань для первого светового луча была выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча, угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней был равен углу падения на входную грань звуковой волны, а оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении; акустооптическая ячейка включала в себя светозвукопровод, выполненный из монокристалла, при этом входная грань для первого светового луча была выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения первого светового луча в светозвукопроводе вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны, а выходная грань для первого и второго световых лучей была расположена противоположно входной грани, был введен выходной поляризатор, который установлен на выходе излучения за выходной гранью, другая грань, расположенная смежно входной грани для первого светового луча, была выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с первым световым лучом, электроакустический преобразователь был установлен на грани, расположенной противоположно другой упомянутой грани для ввода второго светового луча, причем входная грань для первого светового луча была выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча, угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней равен углу падения на входную грань звуковой волны, а оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении; был введен лазер, который был бы установлен перед дополнительным поляризатором и оптически связан с акустооптической ячейкой посредством ее дополнительного входа; был введен узкополосный опорный фильтр, который был бы установлен на пути второго светового луча перед дополнительным поляризатором; была введена кювета с исследуемым веществом, которая была бы установлена на пути второго светового луча перед дополнительным поляризатором;
была введена кювета с исследуемым веществом, которая была бы установлена на пути первого светового луча перед упомянутым первым поляризатором;
был введен градуировочный эталон, который был бы установлен на пути второго светового луча перед дополнительным поляризатором;
в качестве градуировочного эталона была выбрана пластина из монокристалла неодим-галлиевого граната.

Для достижения поставленной цели и указанного технического результата в известную акустооптическую ячейку, содержащую светозвукопровод, выполненный из монокристалла, и электроакустический преобразователь, установленный на одной из граней светозвукопровода с возможностью возбуждения в нем звуковой волны, при этом входная грань для светового поляризованного луча выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения светового поляризованного луча в светозвукопроводе вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны, согласно изобретению другая грань, расположенная смежно входной грани для светового поляризованного луча, выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с упомянутым световым поляризованным лучом, причем входная грань для светового поляризованного луча выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча и распространения его вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны, угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней равен углу падения на входную грань звуковой волны, а оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении.

Возможны варианты выполнения акустооптической ячейки, в которых целесообразно, чтобы:
электроакустический преобразователь был установлен на грани светозвукопровода, расположенной противоположно входной грани для первого светового луча и эта грань была выполнена с возможностью отражения от нее первого и второго световых лучей;
электроакустический преобразователь был установлен на одной из граней светозвукопровода, расположенной противоположно другой грани для ввода второго светового луча, а грань, расположенная противоположно входной грани, для первого луча была выполнена с возможностью выхода светового излучения;
выходная грань была выполнена со скосом под углом, обеспечивающим возможность отражения и распространения звуковой волны к входной грани;
на грани для ввода второго светового луча была выполнена канавка, расположенная между местом ввода второго светового луча и входной гранью для ввода упомянутого светового поляризованного луча, а угол наклона стенки канавки, расположенной ближе к входной грани для ввода светового поляризованного луча, был выполнен с возможностью отражения от нее звуковой волны, отраженной от упомянутой входной грани, в направлении той части грани для ввода второго светового луча, которая расположена между этой стенкой канавки и входной гранью для светового поляризованного луча;
был введен акустопоглотитель, который был установлен на той части грани для ввода второго светового луча, которая расположена между канавкой и входной гранью для светового поляризованного луча, и на стенке канавки, которая расположена ближе к этой упомянутой входной грани;
был введен оптический поглотитель, который был установлен на стенке канавки, расположенной ближе к месту ввода второго светового луча;
был введен дополнительный поляризатор для создания одинаковой поляризации светового поляризованного луча и второго светового луча, который выполнен в форме призмы, которая расположена у грани для ввода второго светового луча и одна из ее граней была обращена к грани для ввода второго светового луча;
оптический поглотитель был установлен на одной из граней призмы, размещенной в одной плоскости со стенкой канавки, которая расположена ближе к месту ввода второго светового луча.

За счет выполнения описанным выше образом оптического спектрометра и акустооптической ячейки удалось достичь поставленной цели.

На фиг. 1 изображена функциональная схема оптического спектрометра с акустооптической ячейкой, работающей на отражение совместного светового луча; на фиг. 2 то же, что на фиг. 1, с акустооптической ячейкой, работающей на прохождение совместного светового луча; на фиг. 3 то же, что на фиг. 1, один из вариантов выполнения оптического спектрометра с введенным лазером; на фиг. 4 то же, что на фиг. 1, другой вариант с узкополосным фильтром; на фиг. 5 то же, что на фиг. 2, другой вариант с кюветой; на фиг. 6 то же, что на фиг. 2, другой вариант с кюветами, установленными перед обоими входами световых лучей; на фиг. 7 то же, что на фиг. 2, другой вариант с градуировочным эталоном; на фиг. 8 устройство акустооптической ячейки, работающей на отражение совместного светового луча (проекция ячейки в плоскости кристаллофизических осей X, Y); на фиг. 9 то же, что на фиг. 8, другой вариант акустооптической ячейки, работающей на проход совместного светового луча без его отражения, (проекция ячейки в плоскости кристаллофизических осей Y, Z); на фиг. 10 то же, что на фиг. 9, с введенным поляризатором.

Оптический спектрометр (фиг. 1) содержит фотоприемник 1 и акустооптический фильтр 2. Акустооптический фильтр 2 для устройств с возможностью отражения первого светового луча 3 имеет один поляризатор 4, электроакустический преобразователь 5 и акустооптическую ячейку 6. Поляризатор 4 установлен на пути первого светового луча 3 перед первым входом акустооптической ячейки 6, а фотоприемник 1 на выходе излучения из акустооптического фильтра 2, т. е. на выходе поляризатора 4. Направление распространения первого светового луча 3 в акустооптической ячейке 6 выбрано совпадающим с направлением распространения в ней групповой скорости звуковой волны 7 (показанной на фиг. 1 пунктирной линией), которая возбуждается в светозвукопроводе акустооптической ячейки 6 электроакустическим преобразователем 5.

Согласно заявленному техническому решению введен дополнительный поляризатор 8, акустооптическая ячейка 6 выполнена с дополнительным входом для второго светового луча 9. Направление второго светового луча 9 на акустооптическую ячейку 6 выбрано несовпадающим с направлением первого светового луча 3, и дополнительный поляризатор 8 установлен на пути распространения второго светового луча 9 перед дополнительным входом акустооптической ячейки 6. Акустооптическая ячейка 6 выполнена с возможностью изменения в ней направления второго светового луча 6 на направление, совпадающее с направлением первого светового луча 3. Под совпадением направлений первого и второго световых лучей 3, 9 в акустооптической ячейке 6 с направлением звуковой волны 7 понимается совмещение их вдоль одной и той же оси. На фиг. 1 также показаны источники 10 и 11 для первого и второго светового лучей 3, 9 соответственно.

Поскольку совмещение первого и второго световых лучей 3, 9 осуществлено непосредственно в акустооптической ячейке 6, а не до поступления их на один из ее входов, удается улучшить точностные характеристики при внешних механических и температурных изменениях, уменьшить габариты устройства, поскольку указанные выше технические характеристики определяются непосредственно параметрами выбранного материала, из которого изготовлена акустооптическая ячейка 6, а погрешности измерения спектра, связанные с различными температурными и механическими коэффициентами материалов, из которых изготовлены поляризаторы 4, 8 и акустооптическая ячейка 6, и упругие связи между отдельными элементами сведены к минимуму.

Для варианта выполнения устройства с отражением первого и второго световых лучей 3 и 9 (фиг. 1) акустооптическая ячейка 6 включает в себя светозвукопровод, выполненный из монокристалла. Входная грань 12 для первого светового луча 3 выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения первого светового луча 3 в светозвукопроводе вдоль направления групповой скорости звуковой волны. Грань 13, расположенная противоположно входной грани 12, выполнена с возможностью отражения от нее первого светового луча 3 и на ней установлен электроакустический преобразователь 5.

Другая грань 14, расположенная смежно входной грани 12, выполнена с возможностью введения второго светового луча 9, поляризованного одинаково с первым световым лучом 3. Входная грань 12 выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча 9. Угол падения α второго светового луча 9 на входную грань 12 первого светового луча 3 относительно нормали к ней равен углу падения b на эту входную грань 12 звуковой волны 7. Оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани 12 с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча 9 при его отражении.

Электронная система 15 обработки сигналов с фотоприемника 1 и управления сигналом электроакустического преобразователя 5 может быть выбрана по желанию потребителя в соответствии с ранее известными техническими решениями, касающимися этих систем, и такие системы не являются предметом данного изобретения. В частности, такие системы могут быть выбраны в соответствии с техническим решением, описанным в указанном пат. Российской Федерации N 1707484, обеспечивающем высокую точность измерений и их автоматизацию по произвольной программе.

При осуществлении устройства (фиг. 2), основанного на прохождении совместного светового луча через грань 13, введен выходной поляризатор 16, который установлен на выходе излучения из акустооптической ячейки 6 за выходной гранью 13. Электроакустический преобразователь 5 установлен на одной из граней, например 14 или 17, расположенной между входной гранью 12 и выходной гранью 13. В этом случае скос выходной грани 13 может быть выполнен под углом g, обеспечивающим отражение звуковой полны 7 и направление поперечной звуковой волны 7 в направлении к входной грани 12.

Однако возможно и выполнение устройства, в котором электроакустический преобразователь 5 установлен ближе к входной грани 12, в этом случае скос под углом g выполняется, например, между входной гранью 12 и гранью, на которой установлен электроакустический преобразователь 5, например, гранью 17 (на фиг. 2 не показано).

Работа оптических спектрометров, выполненных в соответствии с различными функциональными схемами (фиг. 1 или 2), принципиально не отличается от работы известного оптического спектрометра, однако введение дополнительного входа в акустооптическую ячейку 6 позволяет получить ранее неосуществленный технический результат, а именно значительно повысить точность измерений при одновременном снижении габаритов.

На фиг. 3 показана функциональная схема оптического спектрометра с лазером 18, который установлен перед дополнительным поляризатором 8 и излучение которого связано с акустооптической ячейкой 6 через ее дополнительный вход.

Введение лазера позволяет произвести калибровку оптического спектрометра с высокой точностью, поскольку удается исключить погрешности измерения спектра, связанные с температурной нестабильностью параметров материала, из которого изготовлена акустооптическая ячейка 6.

Фиг. 4 изображает функциональную схему, в которой введен узкополосный опорный фильтр 19. Фильтр 19 установлен на пути второго светового луча 9 перед дополнительным поляризатором 8. При известности характеристики узкополосного фильтра 19 можно выделить именно ту частотную составляющую спектра, которая необходима для проведения дальнейших исследований, и, соответственно, сравнить с ней спектр, соответствующий первому световому лучу 3.

На фиг. 5 показан оптический спектрометр, позволяющий анализировать спектральные характеристики каких-либо веществ, например, жидкостей или газов.

Для проведения таких измерений введена кювета 20 с исследуемым веществом, которая установлена на пути второго светового луча 9 перед дополнительным поляризатором 8.

Для сравнения оптических спектров различных веществ может быть использована функциональная схема, изображенная на фиг. 6. Дополнительно введена кювета 21 с исследуемым веществом, которая установлена на пути первого светового луча 3 перед поляризатором 4. В этом случае возможен также анализ оптических спектров одного и того же вещества при физическом воздействии на одну из кювет для изменения состояния вещества, например, при воздействии на вещество температурой, давлением, введения в него различных примесей и т. п.

Может быть введен градуировочный эталон 22 (фиг. 7), который устанавливается на пути второго светового луча 7 перед дополнительным поляризатором 6. В качестве градуировочных эталонов могут быть использованы различные вещества с известными оптическим спектральными характеристиками. В частности, в качестве градуировочного эталона 22 может быть выбрана пластина из монокристалла неодим-галлиевого граната Nd₃Ga₅O₁₂. Возможность использования монокристаллических пластин неодим-галлиевого граната в качестве градуировочных эталонов обусловлена особенностями спектров поглощения ионов неодима Nd³⁺ в гранатовой матрице, в первую очередь наличием узких стабильных интенсивных линий поглощения известных в широком диапазоне длин волн от 0,25 до 8 мкм. Поскольку линии поглощения иона неодима имеют очень малую ширину и большую интенсивность, точность определения положения максимума характеристической линии поглощения возрастает в 5-10 раз, что увеличивает точность градуировки.

Акустооптическая ячейка 6, входящая в состав оптического спектрометра, может иметь в общем случае различные конструктивные особенности, связанные с используемым материалом монокристалла, с выбором угла скоса входных граней для световых лучей 3 и 9 и ориентацией оптической оси (оси поляризации) монокристалла (т. е. выполнением определенного его среза).

Однако такая двухвходовая акустооптическая ячейка должна удовлетворять с целью ее реализации следующим специфическим условиям.

Такая акустооптическая ячейка (фиг. 8) должна иметь светозвукопровод 30, выполненный из монокристалла, и электроакустический преобразователь 31, установленный на одной из граней 32 светозвукопровода 30 с возможностью возбуждения в нем звуковой волны 33. Входная грань 34 для светового поляризованного луча 35 (на фиг. 8 показан сплошной линией) должна быть выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения светового поляризованного луча 35 в светозвукопроводе 30 вдоль оси направления распространения групповой скорости звуковой волны 33.

Грань 36, расположенная смежно входной грани 34 для светового поляризованного луча 35, должна быть выполнена с возможностью введения второго светового луча 37 (на фиг. 8 показан сплошной линией), поляризованного одинаково с упомянутым световым поляризованным лучом 35. Входная грань 34 должна быть выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча 37 и распространения отраженного луча 37 вдоль оси направления распространения групповой скорости звуковой волны 33. Угол падения a второго светового луча 37 на входную грань 34 относительно нормали к ней должен быть равен углу падения b на входную грань 34 звуковой волны 33 (на фиг. 8 показана пунктирной линией). Оптическая ось монокристалла должна быть ориентирована относительно входной грани 34 с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча 37 при его отражении от нее.

Для первого варианта выполнения устройства (фиг. 8) электроакустический преобразователь 31 установлен на грани 32 светозвукопровода, расположенной противоположно входной грани 34 для первого светового луча 35, и эта грань 32 выполнена с возможностью отражения светового излучения, для чего, например, она выполнена со светоотражающим покрытием 38.

Светозвукопровод 30 выполнен из кварца X-среза (на фиг. 8 стрелками показаны кристаллофизические оси X и Y, а ось Z показана крестиком и ортогональна плоскости чертежа).

Для второго варианта выполнения устройства (фиг. 9) грань 32, расположенная противоположно входной грани 34, для первого светового луча 35 выполнена с возможностью выхода светового излучения. Электроакустический преобразователь 31 установлен на одной из граней светозвукопровода 30, расположенной между входной гранью 34 первого светового луча 35 и упомянутой выходной гранью 32, например, на грани 39.

Угол ввода q светового поляризованного луча 35 и угол ввода j второго светового луча 37 выбирается из известных условий, в том числе, они могут быть выбраны так, чтобы удовлетворялись условия Брюстера. Однако для второго светового луча 37, если по нему производится градуирование, интенсивность прошедшего через монокристалл луча может быть выбрана в том числе малой, но достаточной для регистрации полос спектральных характеристик.

Конечно же, электроакустический преобразователь 31 (фиг. 9) для реализации изобретения может быть расположен и ближе к входной грани 34, чем к выходной грани 32, или на какой-либо иной грани, однако для уменьшения степени взаимодействия отраженной звуковой волны 33 от входной грани 34 со вторым еще непродифрагировавшим световым лучом 37 и обеспечения поглощения отраженной звуковой волны 33 целесообразно электроакустический преобразователь 31 устанавливать на грани 39 светозвукопровода 30, расположенной противоположно грани 36 для ввода второго светового луча 37. При этом пространственное положение плоскости входной грани 34 может быть выбрано с возможностью отражения поперечной звуковой волны 33 от этой грани 37 вдоль оси, которая не совпадает с осью распространения второго светового луча 37, например, в направлении одной из граней, расположенной в плоскости рисунка.

Поэтому электроакустический преобразователь 31 (фиг. 9) можно установить поблизости от выходной грани 32, а она может быть выполнена со скосом под углом g, обеспечивающим возможность отражения и распространения поперечной звуковой волны 33 к входной грани 34.

Как для первого, так и для второго вариантов могут быть выполнены следующие технические усовершенствования акустооптической ячейки (которые для простоты изложения показаны только на фиг. 9).

Может быть введена канавка 40, расположенная между местом ввода второго светового луча 37 и входной гранью 34 для ввода светового поляризованного луча 35. Наклон стенки 41 канавки 40, расположенной ближе к входной грани 34 для ввода светового поляризованного луча 35, выполнен с возможностью отражения от нее звуковой волны 33, отраженной от упомянутой входной грани 34, в направлении той части 42 грани 36 для ввода второго светового луча 37, которая расположена между этой стенкой 41 и входной гранью 34 для светового поляризованного луча 35. Введение канавки 40 позволяет сформировать в монокристалле "ловушку" отраженной звуковой волны 33.

Акустопоглотитель 43 установлен на части 42 грани 36, которая расположена между канавкой 40 и входной гранью 34 для светового поляризованного луча 35, и на стенке 41 канавки 40, которая расположена ближе к этой упомянутой входной грани 34. В качестве акустопоглотителя 43 может быть использован, например, сформированный на части 42 и стенке 41 слой эпоксидной смолы с наполнителем из мелкодисперсной меди. Выполнение канавки 40 и введение акустопоглотителя 43 позволяет исключить взаимодействие отраженной от входной грани 34 звуковой волны 33 со световым поляризованным лучом 35 и вторым световым лучом 37 до отражения последнего от входной грани 34 и осуществить только необходимое взаимодействие световых лучей 35 и 37 со звуковой волной 33 вдоль направления ее распространения до входной грани 34.

Оптический поглотитель 44 установлен на стенке 45 канавки 40, расположенной ближе к месту ввода второго светового луча 37, для того чтобы подавить рассеянные в объеме монокристалла лучи света. В качестве оптического поглотителя 44 может быть использован черненый поглощающий слой. Этот слой может быть нанесен на все грани монокристалла, кроме тех входных и выходных частей, куда входят лучи 35 и 37.

На фиг. 9 показан светозвукопровод 30, выполненный из кварца со специальным срезом под углом 11,3^o, соответствующим показанной ориентации кристаллофизических осей X, Y, Z (ось X на фиг. 9 показана крестом и ортогональна плоскости чертежа). Основная оптическая ось поляризации выбрана для достижения удовлетворительного коэффициента отражения (t 6-10) второго светового луча 37 от входной грани 34 для светового поляризованного луча 35.

Для данной ориентации оптической оси кварца полученные величины углов между гранями, удовлетворяющие вышеперечисленным условиям, обозначены на фиг. 9. Угол 64,2^o в данной геометрии расположения электроакустического преобразователя 31 выбран из условия отражения звуковой волны 33 вдоль направления светового поляризованного луча 35. "Ловушка" для отраженной звуковой волны 33 и габаритные размеры определены для угла 116,5^o с учетом сноса групповой скорости звуковой волны 33 и из условий разделения звукового отраженного пучка и второго светового луча 37.

Грани 36 и 39 выполнены параллельными только из технологических соображений для удобства крепления акустооптического преобразователя 31, например, диффузионной сваркой или приклеиванием. В качестве электроакустического преобразователя 31 выбран пьезопреобразователь из ниобата лития LiNbO₃ с соответствующей ориентацией. Особенностью такого выполнения акустооптической ячейки для указанного материала является непараллельность входящего светового поляризованного луча 35 и выходящего через выходную грань 32 дифрагированного луча света. Однако данная непараллельность (около 1^o) чуть больше, чем у известных акустооптических ячеек (около 0,4^o), может быть учтена при установке на пути выходного дифрагированного луча выходного поляризатора 16 и фотоприемника 1 (фиг. 2).

Конструкция удобна также тем, что позволяет ввести поляризатор 46 (фиг. 10) для создания одинаковой поляризации светового поляризованного луча 35 и второго светового луча 37. Поляризатор 46 может быть выполнен в форме призмы, например, из кальцита CaCO₃, которая расположена в непосредственной близости от грани 36 светозвукопровода 30 и прикреплена к нему слоем 47 клея, что позволяет уменьшить габариты устройства и выполнить его как единый конструкционный узел. Призма может быть расположена у грани 36 для ввода второго светового луча 37 с зазором и одна из ее граней обращена к грани 36. В этом случае оптический поглотитель 44 (фиг. 10) может быть установлен и на одной из граней призмы, размещенной в одной плоскости со стенкой 45 канавки 40, которая расположена ближе к месту ввода второго светового луча 37. Такое размещение оптического поглотителя 44 позволяет дополнительно устранить воздействие рассеянных и отраженных от граней призмы световых лучей.

Работает акустооптическая ячейка по первому варианту (фиг. 8) следующим образом.

Звуковая продольная волна, возбуждаемая в светозвукопроводе 30, распространяется по направлению к входной грани 34. Второй световой луч 37 отражается без изменения поляризации от входной грани 34 для светового поляризованного луча 37 в направлении грани 32. Таким образом, одинаково поляризованные световые лучи 35 и 37 распространяются в светозвукопроводе 30 коллинеарно звуковой волне 33. За счет фотоупругого эффекта происходит коллинеарное акустооптическое взаимодействие световых лучей 35 и 37 и звуковой волны 33. Точно так же, как для второго варианта (фиг. 9), в светозвукопроводе 30 может быть выполнена "ловушка" для уничтожения сдвиговой звуковой волны 33, отраженной от входной грани 34.

Акустооптическая ячейка по второму варианту (фиг. 9,10) работает следующим образом.

Второй световой луч 37 отражается без изменения поляризации от входной грани 34 для светового поляризованного луча 35 в направлении выходной грани 32. Одинаково поляризованные световые лучи 35 и 37 распространяются в светозвукопроводе 30 коллинеарно звуковой волне 33 за счет отражения поперечной звуковой волны 33 от выходной грани 32 и распространения ее к входной грани 34. В результате происходит коллинеарное акустооптическое взаимодействие световых лучей 35 и 37 и поперечной звуковой волны 33.

Сдвиговая звуковая волна 33, отражаясь от входной грани 34, распространяется в направлении грани 36 и попадает в "ловушку", образованную одной из стенок 41 канавки 40 и частью 42 грани 36, и попадает на акустопоглотитель 43. Та часть звуковой волны 33, которая из-за разности акустических импедансов отразилась от поверхностей раздела монокристалл-акустопоглотитель, многократно переотражается в "ловушке" до полного ее поглощения. Таким образом, достигается отсутствие областей взаимодействия с паразитными акустическими пучками и аппаратная функция не имеет паразитных окон пропускания.

При распространении лучей 35 и 37 по светозвукопроводу 30 рассеянные пучки света поглощаются оптическим поглотителем 44, за счет чего происходит развязка между рассеянными лучами и основным дифрагированным лучом, который излучается через выходную грань 32.

Наиболее успешно заявленные оптический спектрометр и акустооптическая ячейка могут использоваться в различных устройствах для спектрального анализа.

Формула изобретения

1. Оптический спектрометр, содержащий фотоприемник и акустооптический фильтр, выполненный из по крайней мере одного поляризатора, электроакустического преобразователя и акустооптической ячейки, причем поляризатор установлен на пути первого светового луча перед первым входом акустооптической ячейки, а фотоприемник на выходе излучения из акустооптического фильтра, при этом направление распространения первого светового луча в акустооптической ячейке выбрано совпадающим с направлением распространения в ней групповой скорости звуковой волны, возбуждаемой в акустооптической ячейке электроакустическим преобразователем, отличающийся тем, что введен дополнительный поляризатор, акустооптическая ячейка выполнена с дополнительным входом для второго светового луча, направление которого на акустооптическую ячейку выбрано несовпадающим с направлением упомянутого первого светового луча, и дополнительный поляризатор установлен на пути распространения второго светового луча перед дополнительным входом акустооптической ячейки, а акустооптическая ячейка выполнена с возможностью изменения в ней направления второго светового луча на направление, совпадающее с направлением первого светового луча.

2. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что акустооптическая ячейка включает в себя светозвукопровод, выполненный из монокристалла, при этом входная грань для первого светового луча выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения первого светового луча в светозвукопроводе вдоль направления групповой скорости звуковой волны, грань, расположенная противоположно входной грани первого светового луча, выполнена с возможностью отражения света и на ней установлен электроакустический преобразователь, другая грань, расположенная смежно входной грани для первого светового луча, выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с первым световым лучом, причем входная грань для первого светового луча выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча, угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней равен углу падения на входную грань звуковой волны, а оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении.

3. Спектометр по п. 1, отличающийся тем, что акустооптическая ячейка включает в себя светозвукопровод, выполненный из монокристалла, при этом входная грань для первого светового луча выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения первого светового луча в светозвукопроводе вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны, в выходная грань для первого и второго световых лучей расположена противоположно входной грани, введен выходной поляризатор, который установлен на выходе излучения за выходной гранью, другая грань, расположенная смежно входной грани для первого светового луча, выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с первым световым лучом, электроакустический преобразователь установлен на грани, расположенной между входной гранью для первого светового луча и выходной гранью, причем входная грань для первого светового луча выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча, угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней равен углу падения на входную грань звуковой волны, а оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении.

4. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что введен лазер, который установлен перед дополнительным поляризатором, оптически связан с акустооптической ячейкой посредством его дополнительного входа.

5. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что введен узкополосный опорный фильтр, который установлен на пути второго светового луча перед дополнительным поляризатором.

6. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что введена кювета с исследуемым веществом, которая установлена на пути второго светового луча перед дополнительным поляризатором.

7. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что введена кювета с исследуемым веществом, которая установлена на пути первого светового луча перед упомянутым первым поляризатором.

8. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, введен градуировочный эталон, который установлен на пути второго светового луча перед дополнительным поляризатором.

9. Спектрометр по п.8, отличающийся тем, что в качестве градуировочного эталона выбрана пластина из монокристалла неодим-галлиевого граната.

10. Акустооптическая ячейка, содержащая светозвукопровод, выполненный из монокристалла, и электроакустический преобразователь, установленный на одной из граней светозвукопровод с возможностью возбуждения в нем звуковой волны, при этом входная грань для светового поляризованного луча выполнена со скосом, обеспечивающим возможность распространения светового поляризованного луча в светозвукопроводе вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны, отличающаяся тем, что другая грань, расположенная смежно входной грани для светового поляризованного луча, выполнена с возможностью введения второго светового луча, поляризованного одинаково с упомянутым световым поляризованным лучом, причем входная грань для светового поляризованного луча выполнена с возможностью отражения от нее второго светового луча и распространения его вдоль направления распространения групповой скорости звуковой волны, угол падения второго светового луча на входную грань относительно нормали к ней равен углу падения на входную грань звуковой волны, а оптическая ось монокристалла ориентирована относительно входной грани с обеспечением возможности сохранения поляризации второго светового луча при его отражении.

11. Ячейка по п.10, отличающаяся тем, что электроакустический преобразователь установлен на грани светозвукопровода, расположенной противоположно входной грани для первого светового луча, и эта грань выполнена с возможностью отражения от нее первого и второго световых лучей.

12. Ячейка по п. 11, отличающаяся тем, что на грани для ввода второго светового луча выполнена канавка, расположенная между местом ввода второго светового луча и входной гранью для ввода упомянутого светового поляризованного луча, а угол наклона стенки канавки, расположенной ближе к входной грани для ввода светового поляризованного луча, выполнен с возможностью отражения от нее звуковой волны, отраженной от упомянутой входной грани, в направлении той части грани для ввода второго светового луча, которая расположена между этой стенкой канавки и входной гранью для светового поляризованного луча.

13. Ячейка по п.12, отличающаяся тем, что введен акустопоглотитель, который установлен на той части грани для ввода второго светового луча, которая расположена между канавкой и входной гранью для светового поляризованного луча, и на стенке канавки, которая расположена ближе к этой упомянутой входной грани.

14. Ячейка по п.12, отличающаяся тем, что введен оптический поглотитель, который установлен на стенке канавки, расположенной ближе к месту ввода второго светового луча.

15. Ячейка по п.10, отличающаяся тем, что грань, расположенная противоположно входной грани для первого светового луча, выполнена с возможностью выхода светового излучения, а электроакустический преобразователь установлен на одной из граней светозвукопровода, расположенной между входной гранью первого светового луча и упомянутой выходной гранью.

16. Ячейка по п.15, отличающаяся тем, что выходная грань выполнена со скосом под углом, обеспечивающим возможность отражения и распространения звуковой волны к входной грани.

17. Ячейка по п. 15, отличающаяся тем, что на грани для ввода второго светового луча выполнена канавка, расположенная между местом ввода второго светового луча и входной гранью для ввода упомянутого светового поляризованного луча, а угол наклона стенки канавки, расположенной ближе к входной грани для ввода светового поляризованного луча, выполнен с возможностью отражения от нее звуковой волны, отраженной от упомянутой входной грани, в направлении той части грани для ввода второго светового луча, которая расположена между этой стенкой канавки и входной гранью для светового поляризованного луча.

18. Ячейка по п. 17, отличающаяся тем, что введен акустопоглотитель, который установлен на той части грани для ввода второго светового луча, которая расположена между канавкой и входной гранью для светового поляризованного луча, и на стенке канавки, которая расположена ближе к этой упомянутой входной грани.

19. Ячейка по п.17, отличающаяся тем, что введен оптический поглотитель, который установлен на стенке канавки, расположенной ближе к месту ввода второго светового луча.

20. Ячейка по п. 10, отличающаяся тем, что введен поляризатор для создания одинаковой поляризации светового поляризованного луча и второго светового луча, который выполнен в форме призмы, расположенной у грани для ввода второго светового луча и одна из ее граней обращена к грани для ввода второго светового луча.

21. Ячейка по пп.14 и 20, отличающаяся тем, что оптический поглотитель установлен на одной из граней призмы, размещенной в одной плоскости со стенкой канавки, которая расположена ближе к месту ввода второго светового луча.

22. Ячейка по пп.19 и 20, отличающаяся тем, что оптический поглотитель установлен на одной из граней призмы, размещенной в одной плоскости со стенкой канавки, которая расположена ближе к месту ввода второго светового луча.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10