JPH06167389A - レ−ザ検出器エタロン用の被覆 - Google Patents

レ−ザ検出器エタロン用の被覆

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JPH06167389A
JPH06167389A JP5067094A JP6709493A JPH06167389A JP H06167389 A JPH06167389 A JP H06167389A JP 5067094 A JP5067094 A JP 5067094A JP 6709493 A JP6709493 A JP 6709493A JP H06167389 A JPH06167389 A JP H06167389A
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JP
Japan
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etalon
coating
coatings
refractive index
profile
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JP5067094A
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Edward T Siebert
エドワード・ティー・シーバート
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • G02B5/28Interference filters
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  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、レ−ザ検出エタロンのエタロン階
段の位相変化による帯域端部の望ましくない劣化を除去
し、最少化することを目的とする。 【構成】 少なくとも1つの階段を有する第1の主表面
と反対側の第2の主表面とを有する基体10と、この基体
の主表面の少なくとも1つに形成される複数の分散被覆
12a,12b とを具備し、それらの複数の分散被覆12a,12b
はそれぞれ深さを通じて空間的に変化する屈折率プロフ
ィルを有し、そのプロフィルは階段における放射の位相
シフトのため前記エタロンの変調の低下を減少するよう
に選択されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学装置特にエタロン
用の光学被覆に関する。
【0002】
【従来の技術】コヒ−レントの放射の分析器および/又
は検出器用のエタロンの使用は従来技術で知られてい
る。例えばE. T. Siebert の“Analyzer for Coherent
Radiation ”(8/20/85 )と題する米国特許第4,536,08
9 号明細書は複数の検出器チャンネルに結合する複数の
放射検出器で使用される多段エタロンとして図4で示さ
れている。別の文献は例えばC. R. Fencilの“Apparatu
s for Analyzing CoherentRadiation”(10/9/79 )と
題する米国特許第4,170,416 号明細書である。この特許
明細書は部分反射の段をなす表面を有する平坦ガラスス
ペ−サを具備するファブリ−ペロ−干渉計又はエタロン
を示す。
【0003】Robert Crane Jr.の“Coherent Light Sou
rce Detector”と題する米国特許第3,824,018 号明細書
(7/16/74 )もこれに関係している。
【0004】ここで使用されているように「エタロン」
という用語は光公差で互いに平行な2つの部分的反射表
面を有する光学装置又は素子を含む。2つの反射被覆の
間の空間は空気又は光学的材料であり、厚くも薄くもで
きる。スペ−サが厚くなる程エタロンの解像度は高くな
る。図1aはスペ−サが厚い光学材料である「固体」エ
タロンを示している。スペ−サが固体固体で薄いときエ
タロンは干渉フィルタの形態と考えられる。
【0005】図1aを参照すると既知のエタロンレ−ザ
検出器はエタロンを通過する放射線に対して位相シフト
を生成するため物理的階段(a−d)を有するエタロン
1を使用する。特定の階段を横切る位相シフトは次式に
より与えられる。 β=2ks;k=2πncosθ' /λ (1) ここでs=階段の高さであり、n、θ´は屈折率と内角
であり、λ=波長である。
【0006】中間帯域でβは公称上π/2又は90°であ
りこれは最適の値である。しかし波長(又は角度)が変
化するとき、位相は最適値から移動し、変調(又は階段
を横切る信号)はsinβにしたがって減少する。直角
位相シフトについても同様に当てはまる。この低下が非
常に大きくなるとコヒ−レント源の適切な識別は停止
し、検出「穴」が帯域端部又は視野(FOV)端部で生
じる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】既知の通常の被覆レ−
ザ検出エタロンは帯域端部でこの望ましくない劣化を示
す。劣化は(a)エタロン階段を横切る位相変化と、
(b)エタロン階段を横切る位相変化による同位相と直
角位相チャンネルとの間の位相変化と、(c)FOVに
よる位相変化の結果である。
【0008】通常の被覆では波長/FOVを有する変調
の典型的な低下が図1bに示されている。この低下は
(a)視野の検出穴と、(b)限定されたスペクトル範
囲、(c)レ−ザ検出システムに価格と複雑性を増す付
加的な検出チャンネルの必要性の生成に大きく影響す
る。
【0009】従って本発明の1つの目的は、エタロン階
段の前述した位相変化による帯域端部の望ましくない劣
化を除去し、最少化するレ−ザ検出エタロンの改良され
た被覆を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】前述の問題とその他の問
題は克服され、本発明の目的は波長又はFOVの関数と
しての相対的な変調の低下を除去し、最少化するエタロ
ンの実施例により達成される。第1の実施例はエタロン
階段を横切る位相シフトを補正するための分散被覆を使
用する。第2の実施例は位相シフトが被覆により生成さ
れる階段のないエタロンを提供する分散被覆を使用す
る。
【0011】さらに本発明はエタロン被覆を設計する2
つの方法を提供する。第1の方法はル−ゲ−トの位相が
所望の結果を与えるために制御されたル−ゲ−ト被覆技
術を使用する。第2の方法は所望の特性を有する被覆が
公称上の開始点と標準的は被覆の適切なル−チンを使用
して好適な近似により生成される相互動作被覆設計技術
を使用する。
【0012】本発明は波長と同位相の変化を与えるル−
ゲ−ト被覆の使用を開発する。即ち位相は分散される。
このような分散ル−ゲ−ト被覆を設計する重要な要因
は、ル−ゲ−トにおいて反射の位相シフトがル−ゲ−ト
被覆内の正弦屈折率プロフィルの位相に直接関連され、
一方屈折率プロフィルの正弦屈折率周波数は位相シフト
が生じる波長を決定することである。従って正弦波屈折
率変化の期間が変化されたとき正弦波屈折率変化の位相
を変化することにより入射放射の位相シフトが生成さ
れ、これは入射放射の波長の関数である。
【0013】本発明の前述した特徴とその他の特徴は添
付図面を参照して本発明の詳細な説明を参照することに
より明白である。
【0014】
【実施例】文献(W. H. Southwell による“Spectral R
esponse Calculation of RugateFilters Using Coupled
-wave Theory ”、Journal of the Optical Society of
America 、Vol.5(9)1558〜1564頁、1988年)には基
体に垂直な方向で正弦的に変化する屈折率を有する勾配
屈折率の干渉フィルタ被覆について記載されている。狭
い帯域幅の反射装置はル−ゲ−トの被覆で達成され、帯
域幅は屈折率の変化に比例することが示されている。
【0015】図6ではル−ゲ−トの屈折率プロフィルの
1例が示されている。図では基体は右であり、光は左か
ら入射し、nS は基体の屈折率であり、nA は典型的に
は空気である入射媒体の屈折率であり、nO はル−ゲ−
トを通じる平均屈折率で、n1 は屈折率の変化のピ−ク
でこれは典型的にはnO と比較すると小さい。Phi
(φ)は屈折率の変化の開始又は初期位相である。
【0016】ル−ゲ−トという用語は名詞として使用さ
れると屈折率プロフィルが正弦波である勾配屈折率干渉
フィルタを定義する。形容詞として使用されると用語ル
−ゲ−トは被覆の正弦波の屈折率プロフィルを示すもの
である。
【0017】本発明は波長と同位相の変化を与えるル−
ゲ−ト被覆の使用を開発する。即ち位相は分散される。
このような分散性のル−ゲ−ト被覆を設計する重要な要
素はル−ゲ−トにおいて反射の位相シフトがル−ゲ−ト
被覆内の正弦波屈折率プロフィルの位相に直接関連さ
れ、一方正弦波屈折率プロフィルの周波数は位相シフト
が生じる波長を決定する実施形態である。従って正弦波
屈折率変化の期間が変化されたとき正弦波屈折率変化の
位相を変化することにより入射放射の位相シフトが生成
され、これは入射放射の波長の関数である。即ち位相シ
フトは分散にされる。
【0018】単一波長の垂直入射ではル−ゲ−トは次式
の屈折率プロフィルを有する。 n(x)=n0 +n1 sin(Kx+φ) ,K=4πn0 /λ (2) ここでnO は平均屈折率であり、n1 はピ−クの屈折率
の変化で、Kは最大反射が生じるときの波長λを決定
し、φは屈折率の変化の開始位相で、xは領域(0≦x
≦L)内の厚さである。このプロフィルにより生成され
る振幅の反射(r)は次式のようになる。
【0019】r=tanh(u/4) exp(iφ) R=|r|2 =強度反射 u=KLn1 /nO =2πn1 /nO (3) Δλ/λ=n1 /n0 は分数の帯域幅でNは通常の半分
の整数である被覆のサイクル数で、Lは被覆の物理的厚
さである。λにおける最大反射は分数の屈折率変化とサ
イクル数とを掛けた積であるuにより決定され、一方反
射の位相シフトは屈折率プロフィルφの位相シフトによ
り与えられる。前述の分析は図5のaで示された単一波
長で使用するル−ゲ−ト設計の基本を提供する。
【0020】広く分離される(λi −λj >>Δλ)の
多重波長に対しては、ル−ゲ−トは屈折率プロフィルを
合計することにより図5bで示されているように各波長
に対して得られる。
【0021】
【数3】 Southwell の分析では0≦x≦1ならばH(t)=1で
あり、さもなければH=0である。しかしより一般的に
Hは反射測波帯を最少化し有限の範囲(被覆の厚さ)を
有するように選択されたアポダイジング(apodizing) 関
数である。Hの可能な形態は方形波(Southwell 切
断)、フ−リエ変換ウィンドウ関数(Hanning, Kaiser-
Bessel等)又は他のアポダイジング関数(例えば切断ガ
ウス又は長球関数)である。Hに対するこれらの種々の
アポダイジング関数の使用は本発明の技術的範囲内であ
る。
【0022】連続的波長帯域に亘るル−ゲ−トを設計す
るため式(4)の合計は積分により置換えられる。
【0023】
【数4】 ここでnO は平均的な屈折率と等しく、K=4πnO
λ、θ´は被覆の内角であり、λは波長で、u(K)=
4tanh-1[R(K)]1/2 は望ましい反射R(K)
を達成するための被覆のサイクル数で、n1 は単一波長
のnO からの屈折率のピ−ク偏差であり、φ(K)はK
の関数としての反射光の位相であり、xは被覆への距離
であり、Hは範囲が波長λで屈折率の領域を限定するx
O に位置するエンベロ−プ又はアポダイジング関数であ
る。積分するとdK/ΔKにより乗算した式(4)が得
られ、ΔK=ni K/nO は反射帯域の幅である。
【0024】KにおいてNが一定でφが一定または線形
であるとき(即ち全ての波長で同一屈折で分散がな
い)、ΔKが平均Kと比較して小さいときおよびH=1
のとき以下の積分が与えられる。
【0025】
【数5】 ここでφ´はK(一定又はゼロと仮定する)に関してφ
の導関数であり、KM、φM はK、φの平均値である。
このことは、Δxは2π/ΔKにほぼ等しく、2π/Δ
K=λ2 /(2(nO )Δλ)の範囲の大きな屈折率を
通常限定するエンベロ−プ(正弦関数)により正弦波が
乗算されることを除いて単一波長の前述の場合に類似す
る。スペクトル帯域幅が増加すると屈折率が著しく変化
する領域は小さくなる。このエンベロ−プを切断するこ
とは可能であり、これは図5cで見られるようにNのサ
イクル後、Lより技術的に大きい。
【0026】φが僅かに分散されると式(6)はφ
(K)により置換されたφでほぼ有効であり、従って同
一の結論に達する。
【0027】nO からの屈折率のピ−ク偏差がsin
(KM x+φM )=1で生じることが理解される。H=
1でsinc=1(最大)ならば、np =n1 ΔK/K
1 =nO ΔK/Kである。分数の帯域幅ΔK/Kが大き
くなるとピ−ク屈折率は物理的実現を超過するのに十分
な大きさになる。この場合sinc関数は(1)より少
なくなければならない。このことは全ての被覆に対して
規定した分散を加えることにより達成できる。実際の被
覆位相は相違が制御される(図5)限りレ−ザ検出エタ
ロンに対して重要でなく、等しい位相分散は各階段に加
えられる。位相分散は被覆(φ´)からsinc関数の
ピ−クを移動するか或いはsinc関数を小さいピ−ク
(例えばSi関数の差を与える直角位相)を有する別の
関数に変化するように選択されることができる。またφ
はn1K(dφ/dK)<<πnO であるように十分低
速に変化されるべきであり、又はn1 は十分小さく選択
されるべきである。n1 が小さくなると所定の反射と製
造公差に必要とするNを増加する。予め定められた達成
可能な値に必要なピ−ク屈折率を限定するように選択さ
れた位相分散を有する被覆を使用することは本発明の技
術的範囲内である。
【0028】前述したことを基本として拡張したスペク
トル領域にわたる分散したル−ゲ−ト被覆を実施する技
術が提供される。所望の応用のための好ましい分散と反
射を使用して式(5)は公称の被覆設計を決定すること
に使用される。エンベロ−プは(通常sinc関数のゼ
ロにおいて)切断されるか又は無限の領域にそれを限定
するようにアポダイジングされる。被覆の厚さは分数の
帯域幅と必要なサイクル数を提供するのに十分大きくな
ければならない。設計は切断と端部整合効果を除去する
ため必要ならば繰返される。結果的な傾斜屈折率の設計
を標準的な技術を用いて個々の多重層の実施例に変換す
ることも本発明の技術的範囲内である。製造は根本的に
標準的なル−ゲ−ト(又は多重層)の構造から変化され
ない。ル−ゲ−トでは以下の点が注目されるべきであ
る。第1に(基体における)被覆の開始点はnO ではな
いかも知れない。しかしsinc関数のゼロにおける切
断又はアポダイジングは開始点をゼロに戻す。第2に平
均周波数は根本的に中間帯域から変化されない。第3に
顕著なブロック領域が通常エタロン線周辺で望ましいの
で、ル−ゲ−ト反射帯域は比較的広い。このことはル−
ゲ−トの帯域幅がル−ゲ−トの厚さが増加するに従って
減少するので、ル−ゲ−ト被覆が比較的薄いことを示
す。比較的薄いル−ゲ−ト被覆は製造制御の必要性を緩
和し、被覆で生じた応力を減少する。従って標準的な被
覆製造技術は応用可能である。
【0029】本発明によると第1の被覆方法はβの変化
を補償するためにφを使用することである。図2のaは
上部および下部の主表面にそれぞれ供給されるル−ゲ−
ト被覆12aと12bを有する透明な基体10を含み、βと2
βの階段の高さを有するエタロン2を示す。βの位相変
化を補償するため次式が選択される。
【0030】 φ1´−φ2´=2β´=2dβ/dk=4(s+(k/n)(dn/dk) (7) この結果を与えるφの全ての組合わせは許容できる。従
ってφ2´=0およびφ1´=2β´、又はφ2´=−
φ1´=β´が選択される。同様の関係がφ3´とφ4
´にも当てはまる。分散の厚さと屈折率は両者とも補償
されることが明白である。式(7)ではプライム符号を
有する項はkに関して導関数である。複数の放射検出器
13は前述の米国特許第4,536,039 号明細書を参照するよ
うにコヒ−レント放射を検出するためにエタロン2に関
して位置されている。
【0031】図2では上部主表面にのみ供給されたル−
ゲ−ト被覆16を有する透明な基体14を含む均一な階段の
高さβを有するエタロン3を示しており、ル−ゲ−ト被
覆16は示された特性を有する。
【0032】図3のaとbは1以上の主表面にそれぞれ
供給されているル−ゲ−ト被覆20a,20b,24 とをそれ
ぞれ有する基体18,22 を具備するエタロン4、5の別の
実施例を示している。これらの実施例は位相シフトを生
成するためエタロン階段を減少し、ル−ゲ−ト被覆20
a,20b,24 を使用する。この場合φ´は式(6)のゼ
ロに等しく設定され、φは被覆位相を決定するために使
用される。r被覆でφ=0であるならば逆位相被覆(−
r)ではφ=180 °で、直角被覆で90°であり、負の直
角被覆では270 °である。図3のbでは記号(i)はマ
イナス1の平方根であり90°位相シフトを示すために使
用される。図3のaとbではr、−rは位相シフトφを
与え、ゴ−ルは不変の180 °位相シフトを有する2つの
被覆を提供することである。
【0033】図2と図3のいずれの実施例でも、放射は
上部又は下部表面に入射され、結果は図4で示されてい
る改良された被覆変調特性である。
【0034】通常のエタロン被覆を本発明のル−ゲ−ト
被覆への置換が現在の被覆技術を使用して達成されるこ
とを明白にするのは重要である。このことに関してはエ
タロン10と12の基体はガラスからなり、被覆材料は例え
ばThF4 、ZnSe、Six y 、TiO2 およびそ
れらの組合わせからなる。現在の好ましい被覆付着方法
は、基体が選択された被覆源材料を有する排気されたチ
ャンバに置かれる蒸着技術を使用し、材料源は深さによ
る傾斜した屈折率変化又はそれに類似する多重層を提供
するように基体表面に制御可能に蒸着され沈殿される。
【0035】本発明のエタロンは例えば米国特許明細書
に記載されているタイプのコヒ−レントな分析器と検出
器の部品として使用される。
【0036】本発明は特別に示され好ましい実施例に関
して記載されたが形態および詳細の変化は本発明の技術
的範囲を逸脱することなく当業者によって変化できるこ
とが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】通常の階段を有するエタロンの断面図およびそ
の中間帯域および帯域端部の伝送特性ならびに通常のエ
タロン用の波長又はFOVの関数としての相対的変調の
低下を示したグラフ。
【図2】階段を有するエタロンの第1の実施例と第2の
実施例の断面図。
【図3】階段のないエタロンの第1の実施例と第2の実
施例の断面図。
【図4】図2および図3のエタロンの伝送特性の改良を
示したグラフ。
【図5】単一波長で使用したル−ゲ−ト、波長帯域で使
用したル−ゲ−ト、エンベロ−プのゼロ位置で切断した
ル−ゲ−トの説明図。
【図6】厚さの関数としてのル−ゲ−トの屈折率プロフ
ィルのグラフ。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放射信号変調用のエタロンにおいて、 少なくとも1つの階段を有する第1の主表面と反対側の
    第2の主表面とを有する基体と、 前記基体の前記主表面の少なくとも1つに形成される複
    数の分散被覆とを具備し、前記複数の分散被覆はそれぞ
    れ深さを通じて空間的に変化する屈折率プロフィルを有
    し、そのプロフィルは前記少なくとも1つの階段におけ
    る放射の位相シフトのため前記エタロンの変調の低下を
    減少するように選択されていることを特徴とするエタロ
    ン。
  2. 【請求項2】 プロフィルが前記少なくとも1つの階段
    の高さの関数として選択される請求項1記載のエタロ
    ン。
  3. 【請求項3】 前記複数の分散被覆が正弦関数に応じて
    変化する空間的変化の屈折率プロフィルn(x)を有す
    るル−ゲ−ト被覆であり、n(x)は次式により与えら
    れ、 【数1】 ここで、nO は平均屈折率に等しく、K=4πnO
    λ、θ´は被覆の内角、λは波長、u(K)=4tan
    -1[R(K)]1/2 は所望の反射R(K)を達成する
    ための被覆のサイクル数、n1 は単一波長に対するnO
    からの屈折率のピ−ク偏差、φ(K)はK関数としての
    反射光の位相、xは被覆への距離、Hはエンベロ−プ又
    は範囲が波長λにおける屈折率変化領域を限定するxO
    に位置するアポダイジング関数である請求項1記載のエ
    タロン。
  4. 【請求項4】 前記複数の被覆が多重層被覆として形成
    されている請求項1記載のエタロン。
  5. 【請求項5】 放射信号変調用のエタロンにおいて、 第1の主表面と反対側の第2の主表面を有する基体と、 前記基体の少なくとも1つの前記主表面上に形成される
    複数の分散被覆とを具備し、前記複数の分散被覆はそれ
    ぞれ深さを通じて空間的に変化する屈折率プロフィルを
    有し、そのプロフィルは2つの隣接した被覆の間で予め
    定められた位相シフトを導入するように選択されている
    ことを特徴とするエタロン。
  6. 【請求項6】 前記複数の分散被覆が正弦関数に応じて
    変化する空間的に変化する屈折率プロフィルn(x)を
    有するル−ゲ−ト被覆であり、n(x)は次式により与
    えられ、 【数2】 ここで、nO は平均屈折率に等しく、K=4πnO
    λ、θ´は被覆の内角、λは波長、u(K)=4tan
    -1[R(K)]1/2 は好ましい反射R(K)を達成す
    るための被覆のサイクル数、n1 は単一波長のnO から
    の屈折率のピ−ク偏差、φ(K)はK関数としての反射
    光の位相、xは被覆への距離、Hはエンベロ−プ又は範
    囲が波長λで屈折率変化領域を限定するxO に位置する
    アポダイジング関数である請求項5記載のエタロン。
  7. 【請求項7】 前記複数の分散被覆は多重層被覆として
    形成されている請求項5記載のエタロン。
  8. 【請求項8】 コヒ−レント放射検出用装置において、 少なくとも1つの階段を有する第1の主表面と反対側の
    第2の主表面とを有する基体を含み、コヒ−レント放射
    の受信のために位置するエタロンと、 それぞれ深さを通じて空間的に変化する屈折率プロフィ
    ルを有し、プロフィルは前記少なくとも1つの階段でコ
    ヒ−レント放射の位相シフトのため前記エタロンの変調
    特性の低下を減少するように選択されている前記基体の
    少なくとも1つの前記主表面上に形成された複数の分散
    被覆と、 コヒ−レント放射の存在を検出するための前記エタロン
    に関連して配置されている検出手段とを具備することを
    特徴とするコヒ−レント放射検出用装置。
  9. 【請求項9】 コヒ−レント放射検出用装置において、 第1の主表面と主表面と反対の第2の表面とを有するコ
    ヒ−レント放射受信用に位置するエタロンと、 前記複数の分散被覆はそれぞれ深さを通じて空間的に変
    化する屈折率プロフィルを有し、プロフィルは2つの近
    接した被覆の間のコヒ−レント放射で予め定められた位
    相シフトを導入するように選択される前記基体の少なく
    とも1つの前記主表面で形成される複数の分散被覆と、 コヒ−レント放射の存在検出用の前記エタロンに関して
    位置される検出手段とを具備するコヒ−レント放射検出
    用装置。
JP5067094A 1992-03-25 1993-03-25 レ−ザ検出器エタロン用の被覆 Pending JPH06167389A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US857345 1992-03-25
US07/857,345 US5289314A (en) 1992-03-25 1992-03-25 Coatings for laser detector etalons

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH06167389A true JPH06167389A (ja) 1994-06-14

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ID=25325787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5067094A Pending JPH06167389A (ja) 1992-03-25 1993-03-25 レ−ザ検出器エタロン用の被覆

Country Status (10)

Country Link
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