способ спектральной фильтрации диффузного излучения

Формула изобретения

Способ спектральной фильтрации оптического излучения, основанный на явлении интерференции при взаимодействии светового потока с многослойными структурами с периодически меняющимся значением коэффициента преломления, отличающийся тем, что с целью производить эту фильтрацию в световых потоках с произвольно высокой расходимостью общий световой поток разделяют на всей толщине интерференционного фильтра ячеистой структурой с вертикальными стенками, обеспечивающими светоизоляцию ячеек, на отдельные световые потоки, каждый из которых имеет сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости в анализируемом световом потоке, и в этих отдельных световых потоках раздельно производят спектральную фильтрацию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу выделения и регистрации определенной спектральной составляющей излучения в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока выделяемого излучения и может найти применение в спектральном анализе (люминесцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, анализ слабосветящейся плазмы, диффузно рассеивющих поверхностей и т.п.) и лазерном зондировании рассеивающих и поглощающих природных сред (туман, растительность, водоемы) в условиях дневного освещения.

Отражающие и пропускающие интерференционные фильтры (ИФ) широко используются на практике для выделения отдельных участков спектра, для ширины которых могут быть достигнуты значения / ~10^-3-10^-4, определяемые конструкцией фильтров ( / ~N^-1, где N -число в фильтре слоев, содержащих скачок коэффициента преломления) при почти стопроцентном пропускании в центре выделяемого спектрального интервала [1].

При использовании ИФ по традиционным схемам (см., например, рис.1, где 1 - фронт падающего на ИФ светового потока, 2 - ИФ, 3 - собирающая линза, 4 - фотоприемник) для реализации такого спектрального разрешения и пропускания в выделяемом спектральном интервале необходимо освещение фильтра исследуемым потоком, направленным точно под определенным углом (чаще всего прямым) к поверхности фильтра с расходимостью внутри фильтра , не превышающей по полуширине при нормальном падении ( при этом максимальна) [1]

Если в падающем на фильтр потоке расходимость превышает это значение, все части этого потока, не удовлетворяющие вышеприведенным условиям, «не работают», т.е. не подвергаются спектральной фильтрации.

Условие (1) накладывает ограничение на интенсивность I выделенного фильтром светового потока

,

где B - спектральная яркость падающего на фильтр светового потока, d - размер ИФ. С практической точки зрения, рассчитанные по формуле (1) углы достаточно велики (см. таблицу), что делает ИФ весьма светосильным прибором

Но в ряде случаев использования интерференционных фильтров важно по возможности и повысить I, и уменьшить 8Х. Для высококачественного лазерного ИФ с N=10⁴ в соответствии с таблицей и формулой (2) в этом случае теряется при фильтрации 99% падающего на фильтр рассеянного лазерного излучения. Поскольку причиной этих потерь является ограничение, накладываемое формулой (1) на расходимость фильтруемого пучка, следует понять и устранить причину этого ограничения.

Формула (1) выведена на основе представления падающего на ИФ излучения как совокупности плоских волновых фронтов со случайной фазой, ориентированных в пределах . Далее будет использовано другое известное и легко объяснимое представление.

При расходимости падающего на поверхность (например, интерференционного фильтра) излучения вокруг любой точки этой поверхности существует область пространственной когерентности размера порядка

,

в пределах которой фаза колебаний монохроматического излучения меняется незначительно. Если представить падающее на ИФ излучение как мозаичный набор таких фрагментов плоских волн со случайной фазой и перпендикулярным к поверхности ИФ волновым вектором, расположенные под этими фрагментами участки фильтра можно рассматривать как отдельные независимые интерференционные фильтры (мини-ИФ). Интенсивность отфильтрованного каждым из них излучения определяется формулой (2) при замене d на 1, а суммирование по всем фрагментам дает саму формулу (2).

Но модель эта справедлива до тех пор, пока излучение в каждом из этих мини-ИФ распространяется через всю толщину интерференционного фильтра h (h=N /2), не перемешиваясь. Т.е. размер перекрывающихся частей соседних фрагментов на выходе из ИФ, равное h , должно остаться меньше самого размера 1.

что соответствует формуле (1) для . Этому же пределу = соответствует 1=1 , которое приводится в таблице.

Т.о. причиной ограничений на допустимую расходимость является перемешивание излучения от соседних фрагментов плоских волн со случайной фазой в пределах самого фильтра. Для устранения этого фактора необходимо излучение этих фрагментов при 1<1 (и, соответственно, > ) изолировать друг от друга на всей толщине ИФ.

С этой целью в данной заявке предлагается традиционную одноканальную схему использования интерференционного фильтра (рис.1) заменить на многоканальную, один из вариантов которой для отражающего ИФ представлен на рис.2, где 5 - элемент ячеистой структуры (см. ниже), а остальные обозначения те же, что на рис.1.

Основой новой конструкции интерференционного фильтра является ячеистая структура с непрозрачными стенками высотой h и с поперечным размером полых ячеек 1, связанным с задаваемой величиной формулой (3). При изготовлении такой структуры за основу могут быть приняты процедуры изготовления микроканальных пластин [2] или фотокристаллического оптического волокна [3]. Полости в ячейках должны быть заполнены фоторефрактивным материалом, например, фотополимером, а затем экспонированы сформированными в интерферометре встречными когерентными равными по интенсивности световыми пучками, монохроматизированными до необходимого уровня ( ). Образовавшееся во встречных пучках поле стоячей световой волны сформирует в ходе экспозиции в каждой ячейке периодическую по коэффициенту преломления структуру - структуру интерференционного фильтра. Такая технология уже давно используется при создании брегговских решеток в световодах [4]. Предлагаемая структура похожа на световоды еще в одном отношении: при 1<<h проникающий в ячейку свет до выхода из нее испытывает множество отражений и необходимо, чтобы соотношение коэффициентов преломления материала ячеек и полимера обеспечивало для распространения света в канале ячейки полное внутреннее отражение и угол отсечки, равный /2. В этом случае в каждой ячейке в силу соотношения (3) автоматически устанавливается режим одномодового световода с угловой апертурой . Самое же существенное отличие этого канала от типичного оптического световода - малая толщина стенки ячейки: толщина кладинга световода должна была бы быть на порядок больше 1, чтобы обеспечить низкие потери на километровых трассах, но при h~1 мм для изоляции соседних каналов оказывается достаточно стенки с толщиной менее 2 мкм. (При монтаже предлагаемой системы из обычных световодов площадь самого ИФ занимала бы менее 1% площади конструкции).

Очевидно, что интенсивность, выделяемая брэгговской решеткой в каждой ячейке ИФ оценивается формулой

I=В ( )²l² B ²,

а для всего ИФ, построенного по предлагаемому многоканальному принципу, формулой

Для уменьшениия 1 существует дифракционный предел

l ,

и в этом идеализированном случае предельный выигрыш в интенсивности при N=10⁴ по формулам (2) и (4) составляет 5 10³.

Опыт изготовления фотокристаллического волокна показывает, что в ячеистых структурах 1 может достигать 2 мкм, что соответствует ~¼ при =0,5 мкм. Тогда оценка по формулам (3), (2) и таблице предсказывает существенный выигрыш в допустимых значениях угла расходимости (порядок) и интенсивности (2 порядка) фильтруемого диффузного светового потока по сравнению с одноканальным вариантом использования интерференционного фильтра с той же площадью и спектральным разрешением.

Таблица
N	l	H	l	град	= /1 при 1 равном град		( / )2 при 1 равном
	Å	мм	мкм
					8 мкм	2 мкм	8 мкм	2 мкм
102	50	0,05	4	8	3,6	14		3
103	5	0,5	11	2,5			2	30
104	0,5	5	36	0,8			20	320

=0,5 мкм

Т.о. предлагается новый способ спектральной фильтрации оптического излучения, основанный на явлении интерференции при взаимодействии светового потока с многослойными структурами с периодически меняющимся значением коэффициента преломления, при котором световой поток разделяют на всей толщине интерференционного фильтра ячеистой структурой с вертикальными светоизолирующими стенками. Это позволяет производить эту фильтрацию в световых потоках с произвольно высокой расходимостью при условии, что ячейки имеют сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости в анализируемом световом потоке

Литература

1. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972. 375 с.

2. Кулов С.К., Романов ГЛ., Петровский Г. Т., Попов М.Н. Микроканальные пластины // Электронная промышленность. 1989. № 3. С.13-17.

3. Russell P. St. J. Photonic-crystal fibers // J. Lightwave Technol. 2006. 24(12), P. 4729-4749.

4. Lam D. K. W., Garside В. K. Characterization of single-mode optical fiber filters // Appl. Opt. 1981. Vol.20, No. 3 P.440 44.