Бесполяризаторный акустооптический монохроматор

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии).

Известна конструкция неколлинеарного акустооптического фильтра (АОФ) для фильтрации оптических пучков (I.C. Chang. Appl. Phys. Lett., v. 25, №7, p. 370-372. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture).

Акустооптический (AO) фильтр для фильтрации оптических пучков содержит акустооптическую ячейку, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, т.е. поляризаторами, оптические оси которых взаимно перпендикулярны, так что свет, несущий спектральную информацию о наблюдаемом объекте, в отсутствие управляющего высокочастотного (ВЧ)-сигнала не проходит через систему.

АО ячейка представляет собой одноосный кристалл, к которому присоединен высокочастотный (ВЧ) излучатель ультразвуковых волн, позволяющий возбуждать в кристалле ультразвуковую волну регулируемой частоты. Кристалл АО ячейки ориентирован таким образом, что его оптическая ось лежит в плоскости дифракции, задаваемой падающим и дифрагировавшим световыми лучами.

Одна из компонент светового пучка, падающего на кристалл, длина волны которой соответствует условию анизотропной дифракции Брэгга на звуковой волне, изменяет в результате дифракции направление своего распространения и состояние своей поляризации. Вследствие того, что направление поляризации дифрагировавшего и падающего световых пучков взаимно ортогональны, указанный дифрагировавший световой пучок проходит через АО фильтр только при наличии управляющего ВЧ-сигнала, чем и обеспечивается спектральная фильтрация света, т.е. взаимнооднозначное соответствие между частотой управляющего ВЧ-сигнала и длиной волны дифрагировавшего светового пучка. Максимальная угловая апертура такого монохроматора равна угловой апертуре используемых поляризаторов - угловому интервалу входного светового пучка, в котором одновременно выполняются два условия:

1) дифрагировавший пучок проходит через выходной поляризатор,

2) недифрагировавший световой пучок не проходит через выходной поляризатор.

При этом он либо блокируется внутри поляризатора, либо выводится за его пределы под углом к прошедшему пучку, много большим угловой апертуры поляризатора. В результате обеспечивается высокий контраст АО фильтра - отношение интенсивности полезного сигнала к интенсивности фона при отсутствии управляющего ВЧ-сигнала.

Недостатком указанного АОФ является наличие внешних поляризаторов, усложняющих и удорожающих устройство, а также уменьшающих коэффициент пропускания фильтра, так как часть светового пучка, проходя через поляризаторы, поглощается и рассеивается в веществе, из которого они изготовлены, а часть теряется при отражении от поверхностей элементов поляризаторов. В том случае, когда внешние поляризаторы отсутствуют и используется пространственное разделение световых пучков, контраст фильтра снижается вследствие малой величины угла разделения пучков (обычно не более 7°), что ведет к увеличению погрешности при измерении спектров.

Известны различные конструкции акустооптических монохроматоров для фильтрации оптических изображений, содержащие акустооптический фильтр с внешними поляризаторами и элемент для компенсации дисперсии кристалла АОФ с целью минимизации спектрального дрейфа дифрагировавшего светового пучка и смещения спектрального видеоизображения на светочувствительной поверхности фотоприемной матрицы. В качестве элемента для компенсации дисперсии в этих технических решениях использованы дополнительная призма, установленная по ходу светового пучка за АОФ (US №5796512, опубл. 1998 г.); второй АОФ, идентичный первому АОФ и установленный с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого АОФ на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого АОФ (RU 2258206, опубл. 10.08.2005), либо выходная грань кристалла АОФ, повернутая в плоскости дифракции на некоторый угол к входной грани кристалла АО ячейки фильтра (RU 2532133, опубл. 27.10.2013).

Общим недостатком указанных технических решений также является необходимость использования внешних поляризаторов, усложняющих и удорожающих устройство, а также уменьшающих коэффициент пропускания фильтра. При отсутствии внешних поляризаторов и использовании пространственного разделения световых пучков контраст фильтра снижается вследствие малости угла между пучками, что ведет к увеличению погрешности при измерении спектров.

Решаемой настоящим изобретением задачей является устранение указанных недостатков.

Достигаемым техническим результатом, при использовании заявленного устройства, является увеличение коэффициента пропускания вследствие отсутствия внешних поляризаторов; упрощение и удешевление конструкции АО фильтра.

Данный технический результат достигается за счет того, что в акустооптическом монохроматоре для фильтрации световых пучков согласно изобретению для выделения полезного дифрагировавшего пучка использована выходная грань кристалла АОФ, образующая угол ϕ с оптической осью кристалла. Угол ϕ зависит от спектрального диапазона АОФ, направлений распространения ультразвукового пучка и светового пучков в кристалле фильтра, а также оптических свойств этого кристалла (коэффициентов преломления для обыкновенного nо и необыкновенного nе лучей). Угол ϕ имеет такое значение, при котором полезный дифрагировавший пучок проходит через АОФ. При этом все остальные световые пучки (непродифрагировавшие пучки взаимно-ортогональных поляризаций, а также не являющийся полезным дифрагировавший пучок) испытывают эффект полного внутреннего отражения (ПВО) от выходной грани АОФ. Таким образом, они блокируются внутри кристалла АОФ и поглощаются в результате рассеяния на его шлифованных гранях.

Указанное условие выделения отфильтрованного (полезного дифрагировавшего) пучка из совокупности всех имеющихся пучков выполняется для интервала углов падения падающего светового пучка на входную грань АОФ Δα, образующего угловую апертуру АОФ. Вне угловой апертуры это условие нарушается: через АОФ проходят дополнительные пучки, либо не проходят никакие световые пучки вовсе. Следовательно, падающий световой пучок должен быть сформирован таким образом, чтобы его расходимость не превышала величины Δα.

При фильтрации оптических изображений для компенсации спектрального дрейфа дифрагировавшего светового пучка за выходной гранью кристалла АОФ по ходу светового пучка устанавливается корректирующая призма из кристалла АОФ с углом ψ между входной и выходной гранями, так что выходная грань фильтра и входная грань призмы параллельны. Для того, чтобы эффект ПВО на задней грани кристалла АОФ для всех световых пучков, кроме полезного, не нарушался, воздушный промежуток между кристаллом АОФ и призмой должен иметь толщину h>λ, где λ - максимальная величина длины волны фильтруемого излучения в воздухе.

Величина угла ψ зависит от направления распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле АОФ, угла между оптическими осями кристалла АОФ и призмы, а также показателей преломления nо, nе этого кристалла. Исследования показали, что существует такое значение угла ψ, при котором спектральный дрейф выходного светового пучка за призмой является минимальным для заданного спектрального диапазона и заданной угловой апертуре АОФ.

Преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются прилагаемыми фигурами.

Фиг. 1 изображает диаграмму волновых векторов, иллюстрирующую дифракцию неполяризованного излучения в одноосном положительном (ne>nо) кристалле парателлурита (TeO2). Исходный неполяризованный световой пучок, попадая в двулучепреломляющий кристалл, разбивается на обыкновенный и необыкновенного лучи (волновые вектора о и е соответственно). Волновой вектор о имеет угол θо с осью Z. В результате дифракции на акустической волне с волновым вектором К, имеющим угол γ с осью [110], в кристалле распространяются недифрагировавшие пучки о и е, а также дифрагировавшие пучки е→о и ое, причем из всех перечисленных пучков полезным является ое, так как только для волновых векторов о и ое выполняется условие большой угловой апертуры АО фильтра (I.C. Chang. Appl. Phys. Lett., v. 25, №7, p. 370-372. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture). Поэтому именно этот пучок ое должен быть выделен из всех прочих и доставлен на фоточувствительную площадку видеокамеры.

Фиг. 2 схематично изображает заявленное устройство для падения светового пучка под углом α к нормали входной грани АОФ, где символом «ВЧ» обозначен управляющий высокочастотный вход. Здесь: 1 - падающий неполяризованный пучок, 2 - акустическая ячейка, 3 - корректирующая призма, 4 - дифрагировавший полезный пучок (ое), 5 - недифрагировавший пучок (о, е), 6 - дифрагировавший пучок, не являющийся полезным (ео). Толщина воздушного зазора между АОФ и призмой равна h>λ, где λ - максимальная длина волны фильтруемого излучения. Устройство блокирует световые пучки 5, 6 и пропускает полезный пучок 4, для которого спектральный дрейф изображения на фотоматрице минимален, что достигается выбором оптимального значения угла ψ корректирующей призмы.

В качестве примера в первой строке таблице 1 представлены результаты расчета углов наклона выходной грани фильтра ϕ и корректирующей призмы ψ для ортогонального падения пучка на входную грань и заданного спектрального диапазона (600-1100) нм. Оптические оси кристаллов АОФ и призмы полагались параллельными. Этот вариант АОФ имеет сравнительно небольшую угловую апертуру 3,6° (±1,8°) и очень малый спектральный угловой дрейф дифрагировавшего пучка 0,0025°.

Для увеличения угловой апертуры АОФ следует использовать наклонное падение светового пучка на входную грань. В качестве примера во второй строке таблицы 1 содержатся результаты расчетов для Δα=(45,8-53)°. В этом случае угловая апертура увеличивается вдвое до 7,2°. Вместе с тем спектральный угловой дрейф дифрагировавшего светового пучка в такой угловой апертуре возрастает на порядок и составляет 0,03°.

1. Акустооптический (АО) монохроматор, содержащий неколлинеарный АО фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована выходная грань одноосного двулучепреломляющего кристалла АО фильтра, образующая в плоскости дифракции АО фильтра угол ϕ с оптической осью кристалла АО фильтра, зависящий от спектрального диапазона АО фильтра, направлений распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле АО фильтра, а также оптических свойств этого кристалла, причем угол ϕ имеет значение, при котором полезный дифрагировавший световой пучок проходит через акустооптический фильтр, а недифрагировавший, равно как и дифрагировавший, но не являющийся полезным, световые пучки полностью отражаются от выходной грани и блокируются внутри кристалла АО фильтра для интервала углов падения фильтруемого светового пучка на входную грань АО фильтра, образующего угловую апертуру АО фильтра.

2. Акустооптический (АО) монохроматор по п. 1, отличающийся тем, что для компенсации спектрального дрейфа дифрагировавшего светового пучка при фильтрации оптических изображений за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу светового пучка установлена призма, выполненная из кристалла АО фильтра, с углом ψ между входной и выходной гранями, так что выходная грань АО фильтра и входная грань призмы параллельны, а воздушный промежуток между кристаллом АО фильтра и призмой имеет толщину больше максимальной длины волны фильтруемого излучения в воздухе, при этом угол ψ зависит от спектрального диапазона АО фильтра, направлений распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле АО фильтра, угла между оптическими осями кристаллов АО фильтра и призмы, а также оптических свойств этого кристалла, причем угол ψ имеет значение, при котором спектральный дрейф выходного светового пучка за призмой является минимальным для заданного спектрального диапазона и заданной угловой апертуре АО фильтра.



 

Похожие патенты:

Голографический способ автоматической регулировки усиления (АРУ) сигнала включает в себя обеспечение фокусировки светового потока внутри электрооптического элемента.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов включает в себя последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство, и цилиндрическую линзу, расположенную между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников.

Устройство селекции сигналов по частоте содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор (АОМ) света, первую интегрирующую линзу и пространственный фильтр, а также вторую интегрирующую линзу и линейку фотодиодов.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования лазерного растра систем управления, лазерных прицелов и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов по сложным фарватерам, обнаружении оптикоэлектронных приборов по «блику», дистанционном управлении робототехническими устройствами.

Изобретение относится к области прикладной оптики и спектрометрии и касается акустооптического монохроматора. Монохроматор содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра.

Устройство относится к области обработки сигналов и предназначено для использования во входных цепях радиоприемных систем. Устройство селекции сигналов содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, первый пространственный фильтр, последовательно соединенную вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света, оптически соединенный с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, второй пространственный фильтр и фотодетектор, выполненный в виде линейки фотодиодов.

Способ относится к области обработки сигналов и предназначен для использования во входных цепях радиоприемных систем. Способ селекции сигналов включает формирование пространственно-когерентного монохроматического светового потока, первую фазовую модуляцию этого потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу, пространственную фильтрацию светового потока, вторую фазовую модуляцию светового потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу и имеющим в два раза большую длину волны, чем при первой фазовой модуляции, интегрирование светового потока, вторичную пространственную фильтрацию и пространственно-дискретное детектирование.

Изобретение относится к оптике, к оптическим волноводным устройствам, в частности к микромеханическим оптическим коммутаторам оптических линий связи. Технический результат изобретения заключается в создании устройства матричного коммутатора оптических линий связи, имеющего размеры коммутационных ячеек много меньше, чем у электрооптических коммутаторов, что позволит создавать матричные коммутаторы большой сложности.

Изобретение относится к области изготовления жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов, которые могут быть широко использованы в различных информационных системах.

Изобретение относится к устройствам для модуляции и сканирования оптического излучения на основе дифракции Брэгга на акустических волнах. .

Группа изобретений относится к области косметологии и раскрывает систему получения индивидуализированной композиции для обработки волос, а также способ приготовления окрашивающей композиции с использованием вышеуказанной системы.

Изобретение относится к аналитическим измерениям. Способ классификации образца в одном из классов осуществляется на основании спектральных данных, причем спектральные данные содержат спектр комбинационного рассеяния, ближний инфракрасный спектр, ИК-Фурье спектр, масс-спектр MALDI или времяпролетный масс-спектр MALDI.

Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхности металлов и полупроводников, а именно к инфракрасной (ИК) амплитудной рефлектометрии. Устройство содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, два элемента преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, размещенный в окружающей среде в плоскости падения, и измерительный прибор, регистрирующий поступающие от приемника электрические сигналы.

Изобретение может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности для количественного определения в пластовых водах флуоресцентных и ионных индикаторов при их совместном присутствии.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к системе и способу для определения пригодности к применению смазочных материалов и времени, когда необходимо заменять смазочные материалы.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается акустооптического спектрополяриметра. Спектрополяриметр содержит телескоп и установленный после телескопа акустооптический фильтр (АО) на основе кристалла парателлурита.

Настоящее изобретение относится к способу термической стабилизации полимера, получаемого полимеризацией с раскрытием кольца, а также к способу получения полигидроксикислот, способу анализа остатков металла в полимере и к полилактиду.

Изобретение относится к области неразрушающих методов анализа и может быть использовано для определения содержания бета-излучающих радионуклидов в водных объектах.

Изобретение относится к области определения физико-химических свойств. .
Изобретение относится к способу получения количественных и качественных данных о материальных носителях культурных ценностей, музейных предметов, антиквариата, древностей, памятников истории и культуры, объектов средовой природы, предметов коллекционирования, нумизматических и фалеристических материалов и т.п.

Компонент спектрального разделения имеет две стороны – плоскую переднюю сторону, содержащую дихроичное покрытие, и заднюю сторону. Задняя сторона является выпуклой и формирует цилиндрическую поверхность, задаваемую образующей фиксированного направления, перемещающейся перпендикулярно по дуге круга, содержащей два конца.

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений. Устройство содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Наверх