Решетка-поляризатор

 

Использование: в конструкциях поляризаторов оптического ИК-излучения в области спектра с длинами волн 1-100 мкм, Сущность изобретения: выполнение тонкого оптического слоя решетки-поляризатора, прозрачного в заданной области спектра, выпуклой фо рмы, гладкой поверхности - плоской, а заштрихованной поверхности - сферической выпуклой с радиусом кривизны R, связанным соотношением с размером заштрихованной поверхности, показателем преломления оптического слоя в области его прозрачности и наибольшей длиной волны заданного спектрального диапазона. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, (s>)s G 02 В 5/30, 5/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМС ГВО СССР (ГОСПАТЕНТ:CCPj

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) РЕШЕТКА-ПОЛЯРИЗАТОР (21) 4876341/10 (22) 22,10.90 (46).15.12.92. Бюл. № 46 (71) Ленинградское оптико-механическое объединение им. В,И,Ленина и Институт химии высокомолекулярных соединений. АН

УССР (72) А.И.Сомсиков и В,Н.Ватулев (56) Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения, M,: Мир, 1970, с, 205, .

Авторское свидетельство СССР

¹ 1283685, кл. G 02 В 5/30. 5/18, 1985.

Изобретение относится к спектральному приборостроению и может использоваться в конструкциях поляризаторов оптического излучения ИК-спектрофотометров, работающлх в спектральном диапазоне длин волн 1-100 мкм.

Известна решетка-поляризатор, выполненная в виде оптического плоско-параллельного слоя, прозрачного 8 заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные плоскости, ориентированные в направлении штрихов, с толщиной d (мм) слоя. удовлетворяющей соотношению:

d 5 (1)) где, n — показатель преломления вещества слоя;

Л (см ) — заданное спектральное .1 разрешение спектрофотомстра.

„„ Ж „„1781659 А1

2 (57) Использование: в конструкциях поляризаторов оптйческого ИК-излучения в области спектра с длинами волн 1 — 100 мкм, Сущность изобретения: выполнение тонкого оптического слоя решетки-поляризатора, прозрачного в заданной области спектра, выпуклой формы, гладкой поверхности— плоской, а заштриховайной поверхности— сферической выпуклой с радиусом кривизны R, связанным соотношением с размером заштрихованной поверхности, показателем преломления оптического слоя в области его прозрачности и наибольшей длиной волны заданного спектрального диапазона. 3 ил.

Недостатком известной решетки-поляризатора является наличие у нее спектра интерференции, снижающего точность или производительность спектрофотометрирования.

Известна решетка-поляризатор; выполненная в виде вогнутого оптического слоя, прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные полоски, ориентированные внаправлени,и штрихов с толщиной d слоя, удовлетворяющей соотношейию (1), заштрихованная поверхность которого выполнена плоской, а гладкая— сферической вогнутой, — прототип.

Преимуществом прототипа в сравнении с аналогом является устранение спектра интерференции в его тонком оптическом слое, удовлетворяющем соотношению (1), за счет ее усреднения вдоль поверхности этого

1781659

3 . слоя с регулярно изменяющейся толщиной б.

Недостатком прототипа является ограниченный спектральный диапазон применения, определяемый составом оптического слоя и технологией его изготовлейия. Оптический слой изготавливают из термопластичного материала, например, полиэтилена, при температуре его перехода в пластичное состояние с использованием оптической прижимной пластины, "зада ощей вогнутую сферическую форму гладкой поверхности слоя, помещаемого между прижимной пластиной и заштрихованной копируемой поверхностью дифракционной решетки-матрицы.

Известное устройство непригодно для изготовления из материала оптического слоя, формируемого из жидкого раствора, например, фторопласта в этилацетате, наносимого на поверхность решетки-матрицы с последующим испарением растворителя, поскольку при этом использование оптической прижимной пластины препятствует испарению, а само оно сопровождается непрерывным уменьшением толщины слоя раствора, мешающим получению заданной формы гладкой поверхности.

Этим ограничивается спектральный диапазон применения известной решетки-поляризатора с учетом того, что ее оптический слой на основе полиэтилена используется в области спектра с длинами волн Ь "7-25 мкм, а на основе фторопласта — в области спектра Л2-7 мкм, Целью изобретения является расширение спектрального диапазона использования решетки-поляризатора и повышение ее технологичности, Цель достигается благодаря изменению формы оптического слоя, обеспечивающему возможность его изготовления как по технологии термопластичного прессования с помощью оптической прижимной пластины, так и из жидкого раствора без прижимной пластины, с использованием различных материалов этого слоя, имеющих различные спектральные диапазоны его использования, при одновременном устранении, аналогично прототипу, спектра интерференции за счет ее усреднения вдоль: поверхности оптического слоя с регулярно изменяющейся толщиной d.

Положительный эффект при этом выражается в скачкообразном расширении реализуемого спектрального диапазона . использования решетки-поляризатора и повышении технологичности ее изготовления в найденной форме оптического слоя.

Сущность изобретения заключается в том, что решетка-поляризатор, выполненная ввиде оптического слоя,,прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нане5 сенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого иэ которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллель10 ные полоски, ориентированные в направлении штрихов, с толщиной d (мм) слоя. удовлетворяющей соотношению (1), одна из поверхностей которого плоская, а другая — сферическая, выполнена с заштри15 хованной поверхностью. оптического слоя в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны

R, удовлетворяющим соотношениям:

An А и

2202,„4 „„„ где А (мм) — размер заштрихованной повер-. хности, il пах (мкм) — наибольшая длина волны заданного спектрального диапазона.

Отличительными от прототипа признаками решетки-поляризатора являются: выпуклая форма оптического слоя, обеспечивающего, как и вогнутый слой в прототипе, устранение спектра интерференции за счет ее усреднения вдоль поверхности этого слоя с регулярно изменяющейся толщиной d; искривлени6 заштрихованной поверхности при выполнении гладкой поверхности плоской, совмес " но обеспечивающие йовышение технологичности изготовления выпуклого . оптического слоя, а также оптимизация рМдиуса кривизны R выпуклой заштриховайной сферической поверхностй, обеспечивающая минимальное изменениЮ

b, d толщины d оптического слоя, определяющее прочность или прозрачность этого слоя при заданных спектральном диапазе не использования решетки-поляризатора и точности спектрофотометрирования, 45 . 8 решетке поляризаторе как u s npoTo типе спектр интерференции устраняется путем ее усреднения вдоль поверхности оптического слоя с переменной толщиной d, но в отличие от йего реализуется скачкообразное расширение спектрального диапазона работы за счет использования различных материалов оптического слоя, изготавливаемого по разной технологии, т,е. обеспечивается суммирование положительных признаков обоих известных устройств — (возможность изготовления из разных материалов, используемых в разных спектральных диапазонах) и (устранение спектра интерференции.в оптическом тон1781 659 ком слое) при вычитании их недостатков (наличие спектра интерференции в устройстве и невозможность изготовлейия из жидкого раствора в устройстве.

На фиг. 1 изображена решетка-поляри- 5 затор; на фиг. 2 — то же, в стадии формирования ее оптического слоя с использованием или без использования оптической прижимной пластины; на фиг, 3— спектральные характеристики пропускания 10 известной и предлагаемой решеток-поляризаторов, изготавливаемых из раствора, т.е, в расширенном в сравнении.с решеткой поляризатором спектральном диапазоне.

Решетка-поляризатор (см.фиг. 1) обра- 15 зована оптическим тонким слоем 1, удовлетворяющим соотношению (1): d -„- — „—, с

< 5

П Ю гладкой поверхностью 2 в виде плоскости, (т.е. с радиусом кривизны R> = о0 ) и эа- 20 штрихованной поверхностью 3 в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны Rz, .удовлетворяющим соотношениям (2):

An..An

-г0- — — R< :.-ц †--., и нэнесенной на 25 ней системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной из граней каждого из которых. нанесено металлическое отражающее покрытие, образующее параллельные полоски 4, ориентированные в направлении треугольных штрихов, При этом незначительное отклонение гладкой поверхности 2 от плоскостности, вызываемое исходной формой поверхности жидкого слоя или допускаемыми погрешностями изготовления оптической прижимной пластины, слабо влияет на усреднение интерференции в оптическом слое 1 в различных точках этой поверхности.

Основную роль при устранении интер- 40 ференции за счет ее усреднения в различных точках пове рхности играет заштрихованная поверхность 3; выполненная в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R2, удовлетворяющем соотношениям (2). Эта же поверхность 3 реализует одновременно фуйкцию поляризации проходящего через нее оптического излучения с помощью системы штрихов треугольного профиля, содержащей периодическую 50 структуру из металлических токопроводящих полосок 4.

Придание заштрихованной поверхности 3 формы выпуклой сферы с радиусом кривизны Rg обеспечивает возможность как сохранения гладкой поверхности 2 плоской формы, не требующей для ее формирования обязательного применения оптической прижимной пластины, т.е. с возможностью ее изготовления из раствора, так и одновременно устранения интерференции в оптическом слое 1 переменной толщины б слоя за счет ее усреднения в-различных точках поверхности 3 в спектральном диапазоне длин волн А 4„,.

На фиг. 2 показан оптический слой 1 решетки-поляризатора в стадии его формирования методом копирования при размещении поверх копируемой заштрихованной металлической поверхности 5 дифракционной решетки-матрицы 6 с использованием оптической прижимной пластины 7 (формирование термопластического оптического слоя 1 с использованием его нагревания и

Механического прижатия) или без использования этой пластины 7(формирование из жидкого, раствора с выпариванием растворителя).

Форма копируемой заштрихованной поверхности 5 дифракционной решеткиматрицы 6 геометрически дополнительна к сопрягаемой заштрихованной поверхности

3 решетки-поляризатора, т,е, имеет вид вогнутой сферы с таким же как и поверхность 3 решетки-поляризатора значением"радиуса кривизны Rz. Этим обеспечивается предотвращение произвольного растекания жидкого слоя 1 произвольной вязкости по заштрихованной копируемой поверхности 5 дифракционной решетки-матрицы 6, т,е. повышение воспроизводимости геометрии слоя 1, определяющей технологичность его изготовления,.

При этом устранение спектра интерференции в оптическом слде 1 решетки-поляризатора реализуется как в параллельном, так и слабо сходящемся или расходящемся оптическом излучении с характерной для

И К-спектрофотометров угловой апертурой пучка лучей" 0,1.

Решетка-поляризатор работает следующим образом;

При установке в оптическом электромагнитном излучении и расположении оси излучения под заданным углом, например, перпендикулярно к ее поверхности, излучение, электрический вектор которого параллелен металлическим полоскам 4 .(фиг. 1) индуцирует сильные токи, создающие отраженное электромагнитное поле почти такое же, как и поле от сплошной металлической поверхности. Когда электрический вектор перпендикулярен к металлическим полоскам 4 падающая волна стремится возбудить токи, текущие поперек элементов, однако вследствие малого поперечного сечения индуцированные токи и создаваемое

1781659 ими попе малы и волна беспрепятственно проходит через решетку-поляризатор.

Выполнение гладкой и заштрихованной поверхностей в формах плоской и выпуклой сфер с радиусами кривизны Ri =no и Rz, удовлетворяющими соотношению (2), обеспечивает предотвращение регистрации интерференционных спектров вследствие уменьшения их интенсивности за счет aseдения переменной толщинй d оптического слоя 1 в направлении сечения решетки-поляризатора, При этом найденная форма гладкой и заштрихованной поверхности обеспечивает возможность их изготовления одновременно с самим тонким оптическим слоем 1 как по технологии с использованием оптической прижимной пластины, так и без нее, t.е. по технологии выпаривания из раствора.

Найденное соотношение (2) . обеспечивает устранение спектра интерференции за счет ее усреднения вдоль поверхности оптического,слоя с переменной толщиной d слоя при минимальном ее изменении Л4; удовлетворяющим соотношениям: мах д1 .. 5 мах (3)

rn . rn соответствующим числу К колец Ньютона, К = 1-5 дпя А щах, При этом в коротковолновой ИК-области спектра с длинами волн А <10 м км, удовлет-. воряющими соотношению: 2 «< 0,1d, выбираемое значение, К может быть максимальным (К = 5) для любого класса точности применяемых ИК-спектрофотометров в диапазоне 1 — 0,1% и даже выйти за рамки соотношения (3) при К > 5, хотя при этом спектр интерференции устраняется уже при меньшем значении К = 5, т.к, это не вызывает черезмерного изменения b, d толщины d оптического слоя 1, существенно ограничивающего его прочность или прозрачность, В длинноволновой же ИК-области спектра С длинами волн 50- 100 мкм. соответствующими il. d. и ри заданных dms>, определяющем прочность оптического слоя

1, и dmax, определяющем его прозрачность, выбираемые значения К, соответствующие условиям (3), в зависимости от класса точности применяемого ИК-спектрофотометра могут быть: К =- 1-2, — для класса точности

1%; К = 3 — 4, — для класса точности 0,65% и

К = 4 — 5, — для класса точности 0,1-0,3%, Пример 1, Решетка-поляризатор с плотностью штрихов 1200 мм для области

-1 спектра 2,5-7 мкм (1 пах а 7 10 мм) на основе фторопласта с наибольшей толщиной d оптического слоя

dmax = 0.07 мм и полем А = 45 мм. оптического слоя

10 ляриэатора, соответствующий радиусу со прягаемой заштрихованной вогнутой поверхности копируемой дифракционной . решетки-матрицы, составляет В (1,2—

15 1,4).10 мм; Ьб 20мкм; бп л50мкм; К 5, )ах т,е. обеспечивается эффективное усреднение интерференции для любого класса точности применяемого спектрофотометра при близости остальных

25 из того же ипи другого непогпощающего материала, применяемого в тонком слое. и с той же геометрией, йо с увеличенной до

1800-2400 мм-1 плотностью штрихов.

30 Пример 2. Решетка-поляризатор с плотностью штрихов 1200 мм для области

-1 спектра 7 — 25мкм(il max 2,510 мм) на осйове полиэтилена с наибольшей толщи" ной б оптического слоя dmax = 0,09 мм и

35 полем А = 35 мм

Технология изготовления решетки-поляризатора — из 8 раствора фтороппаста-в этилацетате, без оптической .прижимной пластины, с вывариванием растворителей с открытой незаштрихованной поверхности

Гладкая поверхность решетки-поляризатора — плоская, с остаточной сферичностыо R) .6.10 мм.. Радиус выпуклой

9 заштрихованной поверхности решетки-поэксплуатационных характеристик к соответствующим в известной решетке-поляризаторе с толщиной d плоскопараллельного. оптического слоя d 0,06 мм.

В спектральном диапазоне 1-2 мкм мо>кет использоваться . решетка-поляризатор

Технология изготовления решетки-поляризатора — нагреванием до температуры

110 С с переходом вещества слоя в пластичное состояние и припрессовыванием оптического слоя копируемой заштрихованной поверхности дифракционной решетки-матрицы под давлением 1 кг/см, реализуемым через оптическую прижимную пластину".

Гладкая поверхность формируемого оптического слоя, сопрягаемая с оптической прижимной пластиной, плоская. с Остаточной сферичностью, определяемой допускаемым отклонением от плоскостности оптической прижимной пластины и составляющей 3 колец Ньютона для видимого света с длиной волны 10,5 мкм, что соответствует стрелке прогиба -10 мм и Оста-з точной сферичности Ri 10 мм.

При этом, аналогично примеру 1, может быть выполнено:

Rz-10 мм, Ad = 0,02 мм.

Для области спектра 25-100 мкм можс-, использоваться решетка-поляризатор иэ >о10

1781659

Для области спектра 25-100 мкм может использоваться решетка-поляризатор из того же или другого непоглощающего материала, применяемого в тонком слое, и hd0,3 мм; Яр0,8.10 мм, с возможностью умень- 5 шения плотности штрихов до 600 мм в области спектра 25-50 мкм и 300 мм в области спектра 50 —,100 мкм.

На фиг. 3 показаны кривые пройускания

8 аналога и 9 — предлагаемой решетки-поля- 10 ризатора для области спектра 2,4-7 мкм, Охватываемой изготавливаемым из раствора материалом оптического слоя 1.

Сопоставление этих кривых наглядно показывает, что предлагаемая решетка-по- 15 ляризатор, в отличие от известной. обеспечивает устранение интерференционных помех в области спектра, не охватываемой. прототипом, чем и обеспечивается требуе- . мое расширение ее спектрального диапаэо- 20 на и повышение технологичности, Формула изобретения

Решетка-поляризатор, выполненная в виде слоя, прозрачного в заданном спект. ральном диапазоне, с нанесенной на одну 25 из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профиля, на часть одной иэ граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные полоски, ориентированные в найравлении штрихов, с толщиной б слоя, удовлетворяющей соотношению: (5 и Ж где n — показатель преломления вещества . слоя;

Ьи — заданное спектральное разрешение спектрофотометра, см .. причем одна иэ поверхностей слоя выполнена плоской, а другая — сферической, о т л ич а ю щ а я с я тем;что; с целью расширения спектрального диапазона и использования и повышения технологичности, заштрихованная поверхность оптического слоя выполнена в виде выпуклой сферй с радиусом кривизны R, удовлетворяющим соотношению где А — размер заштрихованной поверхности; макс — наибольшая длина волны- заданного спектрального диапазона.

1781659

Составитель А,Сомсиков

Техред М,Моргентал . Корректор В.Петраш

Редактор

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

Заказ 4274 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ho изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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