Бесполяризаторный акустооптический монохроматор

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 n_о и необыкновенного n_е 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 n_о, n_е 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 (n_e>n_о) 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 θ_о 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 о→е, причем из всех перечисленных пучков полезным является о→е, так как только для волновых векторов о и о→е 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 о→е 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 (о→е), 5 - недифрагировавший пучок (о, е), 6 - дифрагировавший пучок, не являющийся полезным (е→о). 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°.