двойной акустооптический монохроматор

Формула изобретения

Двойной акустооптический монохроматор, содержащий два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом второго акустооптического фильтра, отличающийся тем, что один из акустооптических фильтров выполнен с полосой пропускания в 1,35-1,55 раз шире, чем другой акустооптический фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прикладной оптике и может быть использовано в акустооптических спектрометрах, газоанализаторах и в спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния.

Известны различные конструкции акустооптических монохроматоров (US №3756689, опубл. 1973 г.; US №4052121, опубл. 1977 г.; SU №1340395 А1, опубл. 1988 г; SU №1406554, опубл. 1988 г.; US №4720177, опубл. 1988 г.; US №5329397, опубл. 1994 г.; RU №2169936 С2, опубл. 2001 г.).

Акустооптические (АО) монохроматоры относятся к перестраиваемым оптическим фильтрующим устройствам, которые предназначены для выделения из широкополосного спектрального светового потока части излучения, лежащей в узкой спектральной области - полосе пропускания. АО монохроматоры характеризуются функцией пропускания Т( ), которая определяет коэффициент пропускания света на любой длине волны . Одной из главных характеристик акустооптических монохроматоров является спектральный контраст С, равный отношению коэффициента пропускания Т₀ основного максимума (полосы пропускания) к наибольшему из боковых максимумов Т_макс:

С=Т ₀/Т_макс.

Для АО фильтра максимальным является ближайший, первый максимум (и симметричный “минус первый” максимум), т.е. Т_макс=T₁. Монохроматор с более высоким спектральным контрастом обеспечивает более низкий уровень излучения, регистрируемого вне полосы пропускания, и соответственно лучшее качество фильтрации, а в применении к задачам спектрометрии более высокую точность измерения спектра.

Следует отметить, что форма функции пропускания и величина боковых максимумов, а значит и спектральный контраст, зависят от мощности звука, возбуждаемого в АО фильтре: при малой мощности, когда максимальный коэффициент пропускания невысок Т₀<50% (режим низкой рабочей эффективности дифракции), контраст выше (С=21), чем при большой мощности (С=9), когда максимальный коэффициент пропускания Т₀ 100% (режим высокой рабочей эффективности дифракции).

Следует отметить также, что характерный масштаб функции пропускания, в частности расстояние между максимумами, определяется такими параметрами АО фильтра, как разность показателей преломления кристалла n, из которого он выполнен, длиной акустооптического взаимодействия L, а также геометрией акустического взаимодействия, определяемой углами между световым и звуковым пучками. Все эти параметры является фиксированными для каждого АО фильтра и определяются его конструкцией. Например, полоса пропускания АО фильтра , определяемая на половине высоты функции пропускания (T=T ₀/2), дается формулой

= ²( L n),

где - геометрический множитель.

Ограничением АО монохроматоров, содержащих один АОФ, является недостаточно высокий для некоторых задач спектральный контраст.

Известен двойной акустооптический монохроматор (ДАОМ), содержащий два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого АО фильтра оптически связан с оптическим входом второго АО фильтра (Мазур М.М. и др.. Двойной акустооптический монохроматор на СаМоO₄; Оптика и спектроскопия, том 67, вып.3, 1989 г.; Мазур М.М. и др. Спектрометр с двойным акустооптическим монохроматором; Оптика и спектроскопия, том 81, вып.3, 1996 г.).

Двойная монохроматизация излучения, при которой излучение пропускают последовательно через пару одинаковых АО фильтров, позволяет повысить спектральный контраст. При этом функция пропускания T^пар( ) пары АО фильтров определяется формулой:

Т^пар ( )[Т^од( )]²,

где Т^од( ) - функция пропускания одиночного фильтра. Как видно из этой формулы, контраст пары АО фильтров С^пар превосходит контраст одиночного АО фильтра С^од:

C^пap =(С^од)²>>C^од>>1.

В результате у монохроматора, состоящего из пары одинаковых АО фильтров, контраст составляет С=450 - при низкой рабочей эффективности дифракции АО монохроматора (Т₀ 100%) и С=74 при высокой (Т₀<50%).

Однако такое увеличение спектрального контраста является недостаточным для некоторых приложений, например, для задач спектроскопии комбинационного рассеяния, где стоит задача регистрации низкоинтенсивых линий рассеяния на фоне мощной линии излучения лазера, которая вследствие наличия боковых максимумов функции пропускания ведет к появлению ложных линий в спектре регистрируемого рассеянного излучения. В этой и подобных задачах спектральный контраст является основной характеристикой регистрирующей системы и его повышение непосредственно улучшает качество системы (прибора).

Решаемая настоящим изобретением задача - повышение качества (эффективности) фильтрации и в применении к задачам спектрометрии повышение точности регистрации спектров.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - увеличение спектрального контраста, подавление паразитных окон пропускания АО монохроматора.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в двойном акустооптическом монхроматоре, содержащем два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого АО фильтра оптически связан с оптическим входом второго АО фильтра, согласно изобретению АО фильтры выполнены из разных материалов и/или имеют разную геометрию акустооптического взаимодействия и/или имеют разную длину акустооптического взаимодействия, так что отношение полос пропускания ₂/ ₁ этих АО фильтров лежит в диапазоне ₂/ ₁=1,35-1,55, где ₁ - полоса пропускания одного из акустооптических фильтров; ₂ - соответственно, другого.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на чертежи.

Фиг.1 схематично изображает заявленное устройство, где символами “ВЧ” показан управляющий высокочастотный вход АО фильтров;

Фиг.2 - функциональную схему спектрометра, в состав которого входит заявленный ДАОМ;

Фиг.3 - нормированную функцию пропускания (в логарифмическом масштабе) разных АО монохроматоров, выполненных из одинакового материала, при низкой рабочей эффективности дифракции;

Фиг.4 - нормированную функцию пропускания (в логарифмическом масштабе) разных АО монохроматоров, выполненных из одинакового материала, при высокой рабочей эффективности дифракции.

ДАОМ (фиг.1) содержит два акустооптических фильтра 1 и 2, у которых оптический выход первого акустооптического фильтра 1 оптически связан с оптическим входом второго акустооптических фильтра 2 (показано на фиг.1 стрелкой). Для примера показаны два АО фильтра, выполненные из одного материала и использующие одинаковую геометрию акустооптического взаимодействия. Один из АО фильтров (например, 2-й) выполнен с меньшей длиной акустооптического взаимодействия L₂, чем длина акустооптического взаимодействия L ₁ другого АО фильтра (в данном случае 1-го). Длины L ₁ и L₂ выбраны таким образом, что их соотношение лежит в диапазоне L₁/L₂=1,35-1,55, что обеспечивает величину отношения полос пропускания АО фильтров, лежащую в диапазоне ₂/ ₁=1,35-1,55, где ₁ - полоса пропускания 1-го АО фильтра, а ₂ - 2-го АО фильтра.

Работает устройство (фиг.1) следующим образом.

Так как АО фильтры 1 и 2 выполнены с различной длинами L₁ и L₂, обеспечивающими отношение полос в диапазоне ₂/ ₁=1,35-1,55, то, как показывают расчеты и эксперименты, для разных по конструкции и/или материалов АО фильтров боковые максимумы АО фильтра 2 практически совпадают с минимумами пропускания первого АО фильтра 1, а его минимумы соответственно совпадают с боковыми максимумами АО фильтра 1. Поэтому уменьшается высота максимумов боковых окон и, соответственно, увеличивается спектральный контраст пропускания монохроматора. АО фильтры 1 и 2 могут быть выполнены из различных материалов, например, один - из SiO ₂, а другой - из СаМоO₄. Также фильтры 1 и 2 могут использовать разную геометрию акустооптического взаимодействия, например, один -коллинеарную, а другой - неколлинеарную. Следует заметить, что АО фильтр с большей полосой пропускания может стоять по ходу луча как первым, так вторым - результат от этого не изменится. Устройство обеспечивает увеличение спектрального контраста в 2-4 раза по сравнению с ДАОМ, выполненным на паре одинаковых АО фильтров. Это иллюстрируется графиками, приведенными на фиг.3 и 4.

При определенном соотношении длин L₁/L ₂ 1,4 ( ₂/ ₂)=1,35-1,55), величина контраста возрастает в 4 раза, что иллюстрирует кривая 1 фиг.3. На фиг.3 приведены функции пропускания нескольких разных монохроматоров при низкой рабочей эффективности дифракции (T₀=30%). Кривая 1 соответствует ДАОМ, состоящему из двух АО фильтров 1 и 2, имеющих соотношение длин акустооптического взаимодействия, равное L₁/L₂=1,38, которое соответствует максимальному контрасту ДАОМ при данной эффективности дифракции Т₀. Кривые приведены в логарифмическом масштабе и нормированы на максимальный коэффициент пропускания. По оси абсцисс отложена (в произвольных единицах) отстройка длины волны падающего излучения от длины волны, на которую настроен монохроматор. Для сравнения приведены функции пропускания одинарного АО фильтра (кривая 2) и пары одинаковых фильтров (кривая 3), длины которых равны L₁. Контраст ДАОМ в этом случае составляет С=1750, что почти в 4 раза превышает контраст пары одинаковых АО фильтров.

На фиг.4 приведены функции пропускания таких же монохроматоров при эффективности дифракции Т₀=100%. Кривая 1 соответствует ДОАМ, состоящему из двух разных фильтров, имеющих соотношение длин акустооптического взаимодействия, равное L₁/L ₂=1,51, которое соответствует максимальному контрасту ДАОМ при данной эффективности дифракции Т₀. Для сравнения приведены функции пропускания одинарного АО фильтра (кривая 2) и пары одинаковых фильтров (кривая 3), длины которых равны L ₁. Контраст ДАОМ в этом случае составляет С=300, что более, чем в 4 раза превышает контраст пары одинаковых АО фильтров.

Как следует из фиг.3-4, при разной рабочей эффективности АО фильтров соотношение длин акустооптического взаимодействия, отвечающее максимальному контрасту, различается, меняясь от 1,38 при низкой эффективности дифракции до 1,51 при высокой. Как показывают расчеты и эксперименты, выполнение условия ₂/ ₁=1,35-1,55 обеспечивает полезный эффект при любой величине эффективности дифракции.

Аналогичные результаты получаются и при использовании двух АО фильтров 1 и 2, выполненных из разных материалов, например из кварца и молибдата кальция, а также при использовании двух АО фильтров 1 и 2, использующих разную геометрию акустооптического взаимодействия, например, коллинеарную и неколлинеарную. Единственным условием решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата является то, что соотношение полос пропускания ₂/ ₁ АО фильтров 1 и 2 должно находиться в диапазоне ₂/ ₁=1,35-1,55.

Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение контраста в 2 и более раз по сравнению с монохроматором, имеющем пару одинаковых АО фильтров.

На фиг.2 показан пример конкретного выполнения - один из возможных вариантов использования заявленного устройства в схеме акустооптического спектрометра. Спектрометр содержит два коллинеарных АО фильтра 1 и 2, выполненных из кристаллов молибдата кальция (СаМоO ₄). Первый АО фильтр имеет длину акустооптического взаимодействия (длину кристалла) 6 см, а второй - 4 см. Оптическая схема содержала следующие элементы, расположенные по ходу светового луча последовательно: входной поляризатор 3, первый АО фильтр 1, промежуточный поляризатор 4, второй АО фильтр 2, выходной поляризатор 5 (на фиг.1 не показаны: входной объектив, формирующий световой пучок и фотоприемный блок, устанавливаемые соответственно на входе и выходе монохроматора обычным образом). Промежуточный поляризатор 4 выполняет функцию выходного поляризатора для фильтра 1 и одновременно входного поляризатора для фильтра 2. Входной поляризатор 3 и выходной поляризатор 5 предназначены, как и в одиночном АО фильтре, для выделения дифрагированного светового излучения. Для этого их оси поляризации расположены ортогонально к оси поляризации промежуточного поляризатора.

Испытания показали, что величина первого бокового максимума при низкой эффективности дифракции, составлявшей 30%, равна приблизительно 0,1%, а при высокой, составлявшей 80%, - около 0,4%, что соответствует величине контраста С=1000 и С=250 соответственно.

Наиболее успешно заявленный двойной акустооптический монохроматор промышленно применим в акустооптических спектрометрах и в спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния.