Интерференционно-поляризационный фильтр

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике спектроскопии Солнца, и может быть использовано для исследования и прогнозирования солнечной активности в интересах радиосвязи, космонавтики, медицины. Изобретение позволяет повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен путем увеличения контраста фильтра. Фильтр содержит интерференционный фильтр предварительной монохроматизации и три многокомпонентных интерференционно-поляризационных ступени. Первая ступень содержит входной и выходной поляризаторы, плоскости пропускания которых ортогональны, и п кристаллических пластин одинаковой толщины И, оси которых ориентированы относительно входного поляризатора под углами о (-1) -450/п. Величина п. толщина li и толщина 12 пластин второй ступени определяются методом итерации их математических выражений. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 02 В 5/ЗО (71 99 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4828899/10 (22) 24.05.90 (46) 07,06.92. Бюл. N 21 (71) Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова (72) Т.А. Виноградова. Н,П. Депман, Е.П. Родионов и А,А. Сидоренко (53) 535.345.675 (088.8) (56) Оптико-механическая промышленность. 1987, М 5. с, 43.

Оптико-механическая промышленность. 1979, N 6, с. 4-6. (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО-ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике спектроскопии Солнца, и может быть использовано для исследования и прогнози<

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике спектроскопии Солнца, и может быть использовано для исследования и прогнозирования солнечной активности в интересах радиосвязи, космонавтики. медицины.

Известен интерференционно-проляризационный фильтр (ИПФ) с полосой пропускания по уровню 0,5 дало,5 = 0,08 нм для наблюдения короны Солнца в излучении с длиной волны = 530,28 нм. В качестве двупреломляющего материала в нем используются кристаллы кварца, исландского шпата, АДР. Всего прибор содержит 18 кристаллических пластин,.7 поляроидов и интерференционный фильтр (ИФ) предварительной монохроматизации.

„„ Ы,, 1739332 А1 рования солнечной активности в интересах радиосвязи, космонавтики, медицины. Изобретение позволяет повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен путем увеличения контраста фильтра. Фильтр содержит интерференционный фильтр предварительной .монохроматизации и три многокомпонентных интерференционно-поляриэационных ступени. Первая ступень содержит входной и выходной поляризаторы, плоскости пропускания которых ортогональны, и и «ристаллических пластин одинаковой толщины

1, оси которых ориентированы относительно входного поляризатора под углами а =

=(-1) 45 /n. Величина и, толщина I> и толщина lz пластин второй ступени определяются методом итерации их математических выражений. 6 ил.

<АЗ

Основными недостатками прибора яв- О ляются невысокое (5,5 ) пропускание в (Э основном интерференционном максимуме (Д и недостаточная величина контраста ИПФ (не более 20). . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ИПФ для наблюдения короны Солнца, содержащий

ИФ предварительной монохроматизации и три многокомпонентные интерференционно-поляризационные ступени.

Каждая из ступеней содержит входной и выходной поляризаторы и набор из 7 кристаллических кварцевых пластин одинаковой толщины. В каждой из ИП ступеней входной и выходной поляризаторы параллельны один другому, а кристаллооптиче1739332

10 плоскости пропускания поляризаторов П1 и

Пг равны о = (-1) 45 /n, где — номер пластины в ИП-ступени.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого фильтра; на фиг. 2-6 — графическое изо15 бражение спектральных пропусканий.

В отличие от. известного фильтра результирующая область свободной дисперсии формируется первой ступенью. Толщина отдельной пластины 1 определяет об20 ласть свободной дисперсии ЬА ИП-ступени

Шольца около рабочей длины волны излучения, а все п пластин в совокупности — спектральное расстояние от максимума пропускания ступени до первого минимума

25 дil., величина которого несколькоотличается от полуширины полосы пропускания ИПступени — дМ0,ь, Число пластин и в первой

ИП-ступени определяется расчетным путем (на ЭВМ) с помощью специальной програм30 мы. Критерием правильности определения величины и является равенство величины и суммарной области свободной дисперсии дЛ второй и третьей ИП-ступеней фильтра.

Первая оценка значения и производится с

35 помощью формулы

50 ские оси пластин ориентированы под углами ai = (-1) 45 /n относительно плоскости пропускания поляризаторов, где — номер пластины в ИП-ступени, à n — общее число пластин в ступени. 5

Btopàÿ и третья ИП-ступени обеспечивают величину области свободной дисперсии ИПФ (Ь1), а первая ИП-ступень— полуширину полосы пропускания ИПФ д Ао,g, Отношение, областей свободных. дисперсий 2-й и 3-й ступеней

ЛЪ/ЛЯз = 1,246 = 1,250, что обеспечивает результирующую область свободной дисперсии ИПФ ЛА =. 4 64.

В рассматриваемом ИПФ около основного интерференционного максимума имеются по одному вторичному интерференционному максимуму пропускания справа и слева, интенсивность которых составляет

8% от основного.

Недостатком такого фильтра является относительно малая величина контраста фильтра (отношение пропускания в главном максимуме к пропусканию во вторичных интерференционных максимумах). В результате оказывается невозможным, например, достаточно точно регистрировать магнитные поля в*районах солнечных пятен при исследовании активности Солнца. Кроме того, при разработке фильтра не принимались во внимание структура вторичных интерференционных максимумов отдельных

ИП-ступеней, что привело к завышенному расходу кристаллического материала.

Целью изобретения является повышение точности регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен.

Эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении контраста ИПФ по сравнению с известным фильтром без усложнения схемы прибора и снижения его пропускания в главном максимуме, что позволяет существенно повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен. Поставленная цель дости- 4 гается тем, что в ИПФ, включающем интерференционный фильтр предварительной монохроматизации и три многокомпонент-. .ных интерференционно-поляризационных ступеней, каждая из которых содержит входной.и выходной поляризатор и набор кристаллических пластин одинаковой толщины, причем плоскости пропускания поляризаторов второй и третьей ступеней взаимно параллельны, а кристаллооптические оси пластин первой ступени ориентированы относительно плоскости пропускания ее входного поляризатора под углами и - (-1) 450/и, где I — номер пластины в ступени, n — общее число пластин в первой ступени, плоскости пропускания поляризаторов в первой ступени ориентированы ортогонально содержится п плоскопараллельных кристаллических пластин К1, Kz, ..., l4 одинаковой толщины I>, вырезанных так, что кристаллооптическая ось Z параллельна их поверхностям, углы ориентации кристаллооптической оси пластин относительно

nI>—

08 Ло 1

ЖЯ,и,,и

ЗХ где,и — двулучепреломление кристаллического материала;

",4 — длина волны света, на которую настраивается фильтр; д Я0д — полуширины полосы пропускания ИП-ступени.

Так как величины Ail и д Мо1 несколько отличаются одна от другой, то окончательное равенство величины д il и ЛА g достигается изменением и около оценочного значения или незначительным изменением !1. Спектральное пропускание в относительных единицах первой ИП-ступени приводится на фиг. 2, наиболее сильными являются первый (-12,5%) и второй (5,1%) вторичные интерференционные максимумы. Спектральное расстояние между минимумами интерференционной картины практически постоянно и равно Л3 $, = дЛ =д30,5 .

1739332.Основное назначение второй и третьей

И П-ступеней — сформировать заданную полуширину полосы пропускания ИПФ с малым фоном вблизи основного максимума пропускания, Вторая и третья ступени име- 5 ют одинаковую оптическую схему, они выполнены трехкомпонентными, т. е. содержат входной и выходной поляризаторы, плоскости пропускания которых параллельны, и по три кристаллические пластины одина- 10 ковой толщины Ь и 1з соответственно. Ориентация кристаллооптических осей пластин относительно плоскости пропускания поляризаторов во второй и третьей ступенях одинаковая и составляет соответственно 15 нетрадиционные углы 17, 45 . 73 . Порядок следования углов ориентации компонент в

ИП-ступени может быть прямым 170. 450, 73 и обратным 73, 450, 170. Спектральное пропускание в относительных единицах 20 второй ступени ИПФ приводится на фиг. 3. третьей — на фиг. 4. Каждая из трехкомпонентных ИП-ступеней имеет на выходе интер- ференционную картину. близкую к интерференционной картине эквивалент- 25 ного (по толщине используемого кристаллического материала и области свободной дисперсии) двухступенчатого фильтра Лио.

Происходит уширение контура по уровню

0.5 в 1,05 раза, но пропускание во вторич- 30 ных максимумах интерференции снижается с 7,5 до 3,5%, т. е. более чем в 2 раза.

50

В результате совместного действия второй и третьей ИП-спутеней формируется интерференционная картина, приведенная на фиг. 5. Отношение толщин отдельных компонент 12/1з выбирается равным 0,66. Тогда суммарная область свободной дисперсии второй и третьей ИП-ступеней равна 2 h i, а полуширины полосы пропускания определяется из произведения контуров основных интерференционных максимумов отдельных ИП-ступеней и составляет согласно расчетам величину 0,14 Мг . Толщина компонент второй ИП ступени Определяется методом подбора с использованием формулы где и — двупреломление кристаллического материала;

4 - длина волны света. на которую настраивается фильтр;

Iz — толщина отдельной пластины второй ИП-ступени;

hilz — область свободной дисперсии второй ИП-ступени.

Для каждого из значений lg величина 1з равна Ig/0,66. Условием выхода из интерференционной процедуры является выполнеХ, ние равенства д® =дАО5 No,5 — требуемая величина полуширины пропускания

ИПФ в целом. Углы ориентации компонент во второй и третьей ИП-ступенях оригинальны, их значения получены в результате решения вариационной задачи, критерием выхода из итерационной процедуры служит получение минимально возможного и одинакового уровня вторичных интерференционных максимумов на выходе двух

ИП-ступеней с отношением толщины компонент 0,66 и максимально допустимым уширением контура пропускания íà 5% по сравнению с эксвивалентным фильтром

Лио, Максимальный уровень вторичных интерференционных максимумов на выходе второй и третьей ступеней (при их совместном действии) не превосходит 3% от основного. В результате совместного действия всех трех ИП-ступеней получено спектральное пропускание ИПФ, вид которого в относительных единицах показан на фиг. 6.

Пропускание в наиболее сильных вторичных интерференционных максимумов не превосходит 2,1%. . Пример. По предлагаемой схеме рассчитывают и изготавливают ИПФ с рабочей длиной волны света = 610,27 нм. В качестве двулучепреломляющего материала в нем используются кристаллы кварца и исландского шпата. Всего прибор содержит 12 пластин из кварца и 6 пластин из исландского шпата. В трехкомпонентных ИП-ступенях использованы пластины иэ исландского шпата с толщинами !г = 3,012 мм и 1з = 4,563 мм, углы ориентации кристаллооптических . осей относительно плоскостей пропускания поляризаторов (все.оси параллельны одна другой) составляют 17", 450, 73", отношение

12/Iз = 0,66, Результирующая область свободной дисперсии второй и третьей ИП-сту-. пеней составляет величину ЛАg = 1,28 нм, полуширины пОлОсы пропускания. д ilo,5

=0,09 нм, максимальный уровень вторичных максимумов пропускания не превышает 3% от основного. Первая ИП-ступень содержит

12 пластин из кварца толщиной i> = 3,123 мм каждая. Углы ориентации кристаллооптиче.— ских осей относительно входного аоляризатара равны а; = (-1) 3,75 (i =- 1...., 12).

Поляризаторы П2. Пз. П в фильтре параллельны адин другому..а П1 и П2 скрещены, спектральное расстояние от максимума пропускания ИП-ступени до первого мини1739332 мума дА=- 1.18 нм, Область свободной дисперсии ЛА1 = 12,4 нм. Таким образом, нерабочие максимумы. пропускания второй и третьей ИП-ступеней достаточно точно попадают на минимумы интерференционной картины первой ступени около рабочей длины волны излучения, о = 610,27 нм. Интерференционный фильтр предварительной монохроматизации с полушириной полосы прог!ускания 2,7 нм служит дпя обрезания нерабочих максимумов пропускания первой

ИП-ступени. На расстоянии ЛЪ 12,4 нм ИФ имеет пропускание не более 2 g от пропускания в максимуме. В результате совмест, ного действия ИФ и трех ИП-ступеней в пределах видимой области спектра ИПФ имеет один интерференционный максимум с полушириной полосы пропускания 030,5 =

=0,08 нм, при этом уровень пропускания в наиболее сильных вторичных интерференционных максимумах и нерабочих максимумах пропускания первой ИП-ступени не превосходит 2% от основного максимума пропускания.

Технический эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении контрастности ИПФ по сравнению с известным . фильтром в 4 раза без усложнения схемы прибора и снижение его пропускания в главном максимуме, что позволяет существенно повысить точность регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен.

Формула изобретения

Интерференционно-поляризационный фильтр преимущественно для изучения и прогнозирования солнечной активности, включающий интерференционный фильтр предварительной монохроматизации и три многокомпонентных интерференционнополяризационных ступени, каждая из которых содержит входной и выходной поляризаторы и набор кристаллических . пластин одинаковой толщины, причем плоскости пропускания поляризаторов второй . и третьей ступени взаимно параллельны, а кристаллооптические оси пластин первой ступени ориентированы относительно плоскости пропускания ее входного поляризатора под углами а! =(-1) 45 /и, где — номер пластины в ступени; и — общее число пла5 стин в первой ступени, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности регистрации магнитных полей в районах солнечных пятен путем увеличения контраста фильтра, плоскости пропускания поля10 ризаторов первой ступени ориентированы ортогонально, величина и, толщина I; пластин первой ступени и толщина !г пластин второй ступени определяются методом итерации из выражений

0,8- !г 1 -!Оол Р (1 р

4 д

25 при условии д Яо.5 = Л Л g = 2 ЛЛг где 4,— длина волны света, на которую на30 страивается фильтр; дно,в — полуширина полосы пропускания первой интерференционно-поляризационной ступени; р- двулучепреломление материала пла35 стин;

ЛАг — область свободной дисперсии второй интерференционно-поляризационной ступени;

62 — суммарная область свободной

40 дисперсии второй и третьей ступеней, вторая и третья ступени вкл|очают по три пластины, кристаллооптические оси которых ориентированы относительно плоскости пропускания поляризаторов этих

45 ступеней под углами 17, 45 . 73 соответственно, а толщина пластин третьей ступени равна !3 - !г/0,66.

1739332

1739332

Составитель H.Äåïìàí б,г

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор М,Максимишинец

Редактор И.Горная

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2002 Тираж Подписное

В НИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб.. 4/5