Дисперсионный светофильтр

 

Q Il И C A H H E <„,807824

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 01.07,77 (2l ) 2502346/18-10 (5! )М. Кл.

002 8 5/20 с присоединением заявки М

Гесударствепвй квинтет

СССР вв илам вэебретенкй и еткрмтнй (2З) Приоритет

Опубликовано 23.01,83. Бюллетень М 3 (S3) УДК 535.345..6(0ф8.8) Дата опубликования описания 09.02.83

8-" 3. уй 44)4У Р

Ъ . (f с; ",л().. - @ЧС А

БИБАБО п r -.-:; (72) Авторы изобретения

А. П. Пришивалко и Н. И. Дудо А,.., Ордена Трудового Красного Знамени институт физики AH БССР (7I ) Заявитель (54) ДИСПЕРСИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР

1 \

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано для изготовления дисперсионных фильтpos для инфракрасной (ИК) и особенно далекой ИК-области спектра.

Известны фильтры, используемые в

ИК-области спектра, в которых изменение спектрального состава проходящего через них излучения происходит в результате его рассеяния на неоднородностях, размеры которых свавнимы с длиной волны излучения 11 . Как правило, такие фильтры предназначены отрезания коротковолновой области спектра. Однако для выделения узких спектральных полос пропускания они непригодны.

Иэ известных наиболее близкими по технической сущности являются рассеивающие днсперснонные фильтры, состоящие иэ связующей среды с помещенными в нее однородными частицами.

Фильтрующее действие основано на яв-, 2 лениях дисперсии и светорассеяния. Максимум полосы пропускаиия соответствует длине волны, для которой показатели преломления среды и частиц совпадают (точка пересечения кривых дисперсии) 2).

Смещение максимума полосы пропуокания по спектру достигается либо заменой одной из компонент фильтра (среды или частиц) веществом с другим

ip значением показателя преломления, либо изменением спектральной зависимости показателя преломления (кривой дисперсии) .одной из компонент фильтра под влиянием внешних факторов илн раэбав15 лением нммерснонной жидкости в фильтрах типа кристалл-жидкость другой жну костью.

Основным условием работы дисперро сионных фильтров с однородными частицами является наличие точки пересечения кривых дисперсии в нужной области спектра. С переходом в инфракрасную область это условие чаще всего выпол1О

20

3 80 няется вблизи полосы поглощения одной из компонент фильтра. Указанное обстоятельство приводит к заметному сниже нию величины пропускания фильтров и практически исключает возможность получения светофильтров для выделения узких спектральных полос высокой интенсивности, расположенных достаточно близко друг к другу в заданном интерваI ле спектра. В далекой ИК-области спектра резко уменьшается число веществ с пересекающимися кривыми дисперсии, что приводит в ряде случаев к невозможности монохроматизации излучения в требуемой спектральной области.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона монохроматизируемых излучений, особенно в сторону далекой ИК-области.

Поставленная цель достигается тем, что частицы выполнены в виде ядра и концентрической оболочки, причем в максимуме пропускания светофильтра. показатель преломления среды имеет промежуточное значение между показателями преломления ядра и оболочки, а внеш-. ний радиус частиц не превышает 1/10 длины волны излучения.

Для двухслойных частиц, например, показатели преломления среды 1 1,„-, ядра Д „ и оболочки 11,2 связаны соотношением \ Ъ

+(И .-И ) —

СР 2. " )2., Где Г1 - радИус ядра;

- радиус оболочки.

Фильтрующий эффект возникает npí равенстве среднего по объему показателя преломления частицы и показателя преломления среды. Прн этом смещение положения максимума полосы пропуска= ния достигается либо соответствующим подбором вещества ядра и оболочки (грубое смещение положения максимума полосы пропускаиия), либо изменением соотношения размеров ядра и оболочки (плавное смещение) °

На фиг. 1 показаны спектральные за= висимости показателя преломления четырех веществ, часто используемых в качестве компонент дисперсионных фильтров для ИК-области спектра: KBt, 411

KR5-5,9 уО (кривая 1) и вычисленные зависимости эффективного показателя преломления для двухслойных частиц с ядром изб "О и оболочкой из Ь1Г (кривая 2),с ядрами из )Ь УОи оболочками разной толщины из К -5 (кривые 3-5).ф

На фиг. 2 приведены спектральные зависимости безразмерного коэффициента ослабления (фактора эффективности ослабления) света для внедренных в среду из КВч однородйых частиц из Лф 0(крцвая 1) и соответствующих эффективным дисперсионным кривым фиг. 1 двухслойных частиц (кривые 2-5). Расчеты коэффициентов ослабления выполнены по формулам Ми для однородных частиц и по модифицированным формулам Ми для двухслойных частиц Поглощение считалось пренебрежимо малым

Из фиг. 2 видно, что расчеты факторов эффективности ослабления на основе точной теории дифракции элекчфоматцитного излучения на частицах подтверждают тот факт, что минимум ослабления соответствует именно тем длинам волн, для которых, эффективный показатель преломления двухслойной частицы равен показателю преломления среды. . При этом глубина минимума составляет

2-3 порядка величины.

На фиг. 3 представлены вычисленные аналегичным образом спектральные зависимости коэффициента ослабления внедренных Кфч двухслойных частиц с ядрами изб О и оболочками из lO5 -5, для

ЗО которых при различных .значениях радиусов ядра и оболочки отношение 1" 1 / V постоянно (в данном случае I jf =О 96).

Кривая 6 соответствует Г1 =0,55 мкм, " =0,576 мкм, кривая 7-)",1=0,85 мкм, =0,885 мкм, кривая 8- j"„=1,15 мкм, " =1,198 мкм. Указанному соотношению размеров ядра и оболочки соответ ствует эффективчая диснерсионная кри« вая 4 фиг. 1.

Из фнг. 3 видно, что минимум ослабления соответствует практически одной и той же длине волны =8,5мкм,,для которой эффективный показатель преломления равен показателю преломления среды. Однако с увеличением размера двухслойных частиц при неизменном отношеннк "Ефц коэффициент ооллоленнл возрастает. Например, для указанных выше внешних рамеров двухслойных часто тиц с .2=0,573; 0,885 и 1,198 мкм показатель ослабления в минимуме соответственно равен 2,089-10 6; 9,430,"

<10 ; 6,878.10 1. B соответствии с этим пропускание фильтра, состоящего из среды с помещенными в нее двухслой55 ными частицами, будет уменьшаться.

На фиг. 4 показаны спектральные зависимости пропускания фильтров, соответ5 ствуюшие спектральным зависимостям безразмерного коэффициента ослабления, изображенным на фиг. 2 и 3.

Расчет пропускания Т проведен по соотношению

807824 дит к некоторому повышению пропускани я также и для первых двух филь. тров (кривые 11 и 12). Однако при этом возрастает полуширина полосы пропускания, что не всегда допустиy) () р " (ослЖ огде l, 1о — интенсивности прошедшего и падающего излучения; и — числовая концентрация частиц;

6 — толщина слоя.

Для сопоставления результатов прои:->ведение концентрации частиц на толщину слоя (NG ) во всех случаях принято одинаковым, равным тому его значению, которое для фильтра из однородных ча<>тиц 9я Ов среде КВч обеспечивает на длине волны ) =7 мкм пропускание

Т 90%.

Иэ фиг. 4 видно, что пропускание фильтров с двухслойными частицами (кривые 2-5, соответствующие кривым

2-5 на фиг. 1), достаточно высокое,,вполне сопоставимо с пропусканием фильтров с однородными частицами (кривая

1), а в некоторых случаях и выше (кривая 6). Однако с увеличением размеров частиц пропускание фильтров уменьшается. Для кривой 7 фиг, 3 оно меньше 1%.

На фиг. 5 приведены аналогично рассчитанные спектральные зависимости пропускания внедренных в КВч двухслойных частиц с ядрами из ККБ-5 и оболочками иэ ЫР . Это как раэ тот случай, когда дисперсионные кривые всех трех компонентов фильтра не пересекаются (см фиг. 1).

Штриховыми кривыми показано пропускание фильтров из частиц укаэанного состава с t< = 0,5 мкм,P< =716 мкм (кривая 8) и ).л t0,5мкм, =0,776мкм (кривая 9) при том же значении Яф, как и в предыдуших случаях, приведенных на фиг. 4. Для радиусов ядра и оболочки, соответствующих значениям )"4 =0,5 мкм, 1 =0,832 мкм, пропускание фильтра оказалось меньше 1%. Сплошными кривыми показано пропускание для фильтров из тех же частиц, но при меньшей их концентрации. В этом случае произведение Щ выбрано с таким расчетом, чтобы пропускание фильтра с

7 =0,5 мкм, <=0,832 мкм (для А©=

=6,5 мкм) было равно 10% (кривая 10).

Уменьшение концентрации частиц приво1S фиг. 1-5 данных следует, что для цра20

2S

43 мо.

Из этого следует, что основным фактором для регулировки величины пропускания фильтра является не концентрация, а размер частиц. Повышение процуокания достигается уменьшением размеров частиц.

Таким образом, иэ всей совокупностн упомянутых выше и приведенных на вильного применения соотношения и получения фильтров с достаточно высоким пропусканием необходимо, чтобы параметр .дифракции используемых в фильтре час

ЖГа ю

Р тиц f = и удовлетворял условию

p l или V<< Л 110. При этом погрешность моделирования оптических свойств двухслойных частиц с помощью среднего

ri6 объему частицы показателя преломления Р)близка. к нулю.

Практическая реализация предлагаемого устройства упрощается с продвижением в далекую инфракрасную область, поскольку изготовление более крупных двухслойных частиц технологически npome, Предлагаемое устройство позволяет значительно расширить спектральный диапазон монохроматизируемых излучений в сторону далекой инфракрасной области, для которой в настоящее время фильтры практически отсутствуют. Располагая набором иэ трех веществ, среди которых хотя бы одно имеет возрастающий или убывающий ход дисперсии (пересечение кривых не обязательно), можно за счет небольших вариаций отношения )л ",2» получить множество фильтров для выделения понос пропускания с любым заранее заданным положением их макси мумов.

Аналогичным образом можно значительно пополнить перечень и ныне существ

: вуквцих фильтров для области длин. волн

)1 = 1-25 мкм, обеспечив монохроматиэацию в тех участках спектра, для которых невозможно подобрать пары веществ с кривыми дисперсии

Таким образом, предлагаемое устройство кардинально решает проблему моно7 807824 8 хроматизации излучения в .инфракрасной жуточное значение между показателями области спектра. преломления ядра и оболочки, а внешний радиус частиц не превышает 1/10 длины

Ф ормула изобретен ия

Дисперсионный светофильтр, состоящий 3 Источники информации, из связующей среды с помещенными в нее принятые во внимание при экспертизе частицами, о т л и ч а ю m и и с я тем, 1.Ar stro>g К4, and ьозч F.з.7am an&aчто, с целью расширения спектрального red 6И6 8 Utibr nq Sma36 par<1

807824

02Х аю

625

ВНИИПИ Заказ 1078 1/7 Тира 50 ираж 509 Подписное

Ф нляал ППП Патент, г. Ужг, г. Ума ород, ул. Проектная, 4