RU1781659C - Решетка-пол ризатор - Google Patents

Abstract

Использование: в конструкци х пол ризаторов оптического ИК-излучени  в области спектра с длинами волн 1-100 мкм, Сущность изобретени : выполнение тонкого оптического сло  решетки-пол ризатора, прозрачного в заданной области спектра, выпуклой фо рмы, гладкой поверхности - плоской, а заштрихованной поверхности - сферической выпуклой с радиусом кривизны R, св занным соотношением с размером заштрихованной поверхности, показателем преломлени  оптического сло  в области его прозрачности и наибольшей длиной волны заданного спектрального диапазона. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к спектральному приборостроению и может использоватьс  в конструкци х пол ризаторов оптического излучени  ИК-спектрофотомет- ров, работающ/ix в спектральном диапазоне длин волн 1 -100 мкм.

Известна решетка-пол ризатор, выполненна  в виде оптического плоско-параллельного сло , прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профил , на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие , образующее параллельные плоскости , Орион™рованные в направлении штрихов, с толщиной d (мм) сло  удовлетвор ющей соотношению

ТШГГО

где п - показатель преломлени  вещества сло ;

Av (см ) - заданное спектральное разрешение спектрофотометра

Недостатком известной решетки-пол ризатора  вл етс  наличие у нее спектра интерференции, снижающего точность или производительность спектрофотометриро- вани .

Известна решетка-пол ризатор, выполненна  в виде вогнутого оптического сло , прозрачного в заданном спектральном диапазоне , с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профил , на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующеепараллельныеполоски , ориентированные в направлении штрихов с толщиной d сло , удовлетвор ющей соотношению (1), заштрихованна  поверхность которого выполнена плоской, а гладка  - сферической вогнутой, - прототип.

Преимуществом прототипа в сравнении с аналогом  вл етс  устранение спектра интерференции в его тонком оптическом слое, удовлетвор ющем соотношению (1), за счет ее усреднени  вдоль поверхности этого

VI 00

о ел ю

сло  с регул рно измен ющейс  толщиной d.

Недостатком прототипа  вл етс  ограниченный спектральный диапазон применени , определ емый составом оптического сло  и технологией его изготовлени . Оптический слой изготавливают из термопластичного материала, например, полиэтилена, при температуре его перехода в пластичное состо ние с использованием оптической прижимной пластины, задающей вогнутую сферическую форму гладкой поверхности сло , помещаемого между прижимной пластиной и заштрихованной копируемой поверхностью дифракционной решетки-матрицы.

Известное устройство непригодно дл  изготовлени  из материала оптического сло , формируемого из жидкого раствора, например, фторопласта в этилацетате, на- носимого на поверхность решетки-матрицы с последующим испарением растворител , поскольку при этом использование оптической прижимной пластины преп тствует испарению , а само оно сопровождаетс  Непрерывным уменьшением толщины сло  раствора, мешающим получению заданной формы гладкой поверхности.

Этим ограничиваетс  спектральный ди- апазон применени  известной решетки-по- л ризатора с учетом того, что ее оптический слой на основе полиэтилена используетс  в области спектра с длинами волн мкм, а на основе фторопласта - в области спектра мкм,

Целью изобретени   вл етс  расширение спектрального диапазона использовани  решетки-пол ризатора и повышение ее технологичности.

Цель достигаетс  благодар  изменению формы оптического сло , обеспечивающему возможность его изготовлени  как по технологии термопластичного прессовани  с помощью оптической прижимной пластины, так и из жидкого раствора без прижимной пластины, с использованием различных материалов этого сло , имеющих различные спектральные диапазоны его использовани , при одновременном устранении, аналогично прототипу, спектра интерференции за счет ее усреднени  вдоль поверхности оптического сло  с регул рно измен ющейс  толщиной d,

Положительный эффект при этом выражаетс  в скачкообразном расширении pea- лизуемого спектрального диапазона использовани  решетки-пол ризатора и повышении технологичности ее изготовлени  в найденной форме оптического сло .

Сущность изобретени  заключаетс  в том, что решетка-пол ризатор, выполненна  в виде оптического сло , прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профил , на часть одной из граней каждого из которых нанесено отражающее металлическое покрытие, образующее параллельные полоски, ориентированные в направлении штрихов, с толщиной d (мм) сло , удовлетвор ющей соотношению (1), одна из поверхностей которого плоска , а друга  - сферическа , выполнена с заштрихованной поверхностью оптического сло  в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R, удовлетвор ющим соотношени м:

А2п

R

tf

-(2)

2 0 Ямах4 АМЭХ

где А (мм) - размер заштрихованной поверхности ,

A max (мкм) - наибольша  длина волны заданного спектрального диапазона.

Отличительными от прототипа признаками решетки-пол ризатора  вл ютс : выпукла  форма оптического сло , обеспечивающего, как и вогнутый слой в прототипе, устранение спектра интерференции за счет ее усреднени  вдоль поверхности этого сло  с регул рно измен ющейс  толщиной d; искривление заштрихованной поверхности при выполнении гладкой поверхности плоской, совмест- но обеспечивающие повышение технологичности изготовлени  выпуклого оптического сло , а также оптимизаци  рй- диуса кривизны R выпуклой заштрихованной сферической поверхности, обеспечивающа  минимальное изменений Ad толщины d оптического сло , определ ющее прочность или прозрачность этого сло  при заданных спектральном диапазв не использовани  решетки-пол ризатора точности спектрофотометрировани .

В решетке-пол ризаторе, как и в прототипе спектр интерференции устран етс  путем ее усреднени-  вдоль поверхности оптического сло  с переменной толщиной d, но в отличие от него реализуетс  скачкообразное расширение спектрального диапазона работы за счет использований различных материалов оптического сло , изготавливаемого по разной технологии, т.е. обеспечиваетс  суммирование положительных признаков обоих известных устройств - (возможность изготовлени  из разных материалов, используемых в разных спектральных диапазонах) и (устранение спектра интерференции в оптическом тонком слое) при вычитании их недостатков (наличие спектра интерференции в устройстве и невозможность изготовлени  из жидкого раствора в устройстве.

На фиг. 1 изображена решетка-пол ризатор; на фиг. 2 - то же, в стадии формировани  ее оптического сло  с использованием или без использовани  оптической прижимной пластины: на фиг, 3 - спектральные характеристики пропускани  известной и предлагаемой решеток-пол ризаторов , изготавливаемых из раствора, т.е. в расширенном в сравнении с решеткой пол ризатором спектральном диапазоне.

Решетка-пол ризатор (см.фиг. 1) образована оптическим тонким слоем 1, удовлет5 вор ющим соотношению (1): d

nAv

гладкой поверхностью 2 в виде плоскости (т.е. с радиусом кривизны RI со ) и заштрихованной поверхностью 3 в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R2, удовлетвор ющим соотношени м (2):

и нанесенной на

20 Лих --: 4 ней системой периодических штрихов треугольного профил , на часть одной из граней каждого из которых нанесено металлическое отражающее покрытие, образующее параллельные полоски 4, ориентированные в направлении треугольных штрихов.

При этом незначительное отклонение гладкой поверхности 2 от плоскостности, вызываемое исходной формой поверхности жидкого сло  или допускаемыми погрешност ми изготовлени  оптической прижимной пластины, слабо вли ет на усреднение интерференции в оптическом слое 1 в различных точках этой поверхности.

Основную роль при устранении интерференции за счет ее усреднени  в различных точках поверхности играет заштрихованна  поверхность 3, выполненна  в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R2, удовлетвор ющем соотношени м (2). Эта же поверхность 3 реализует одновременно функцию пол ризации проход щего через нее оптического излучени  с помощью системы штрихов треугольного профил , содержащей периодическую структуру из металлических токопровод - щих полосок 4.

Придание заштрихованной пове рхно- сти 3 формы выпуклой сферы с радиусом кривизны R2 обеспечивает возможность как сохранени  гладкой поверхности 2 плоской формы, не требующей дл  ее формировани  об зательного применени  оптической прижимной пластины, тес вп-чмохнпстью ее

изготовлени  из раствора, так и одновременно устранени  интерференции в оптическом слое 1 переменной толщины d сло  за счет ее усреднени  в различных точках по5 верхности 3 в спектральном диапазоне длин волн А Амах

На фиг. 2 показан оптический слой 1 решетки-пол ризатора в стадии его формировани  методом копировани  при разме0 щении поверх копируемой заштрихованной металлической поверхности 5 дифракционной решетки-матрицы 6 с использованием оптической прижимной пластины 7 (формирование термопластического оптического

5 сло  1 с использованием его нагревани  и механического прижати ) или без использовани  этой пластины 7(формирование из жидкого раствора с выпариванием растворител ).

0 Форма копируемой заштрихованной поверхности 5 дифракционной решетки- матрицы б геометрически дополнительна к сопр гаемой заштрихованной поверхности 3 решетки-пол ризатора, т.е. имеет вид вог5 нутой сферы с таким же как и поверхность 3 решетки-пол ризатора значением радиуса кривизны R2. Этим обеспечиваетс  предотвращение произвольного растекани  жидкого сло  1 произвольной в зкости по

0 заштрихованной копируемой поверхности 5 дифракционной решетки-матрицы б, т.е. повышение воспроизводимости геометрии сло  1, определ ющей технологичность его изготовлени 

3 При этом устранение спектра интерференции в оптическом слое 1 решетки-пол ризатора реализуетс  как в параллельном, так и слабо сход щемс  или расход щемс  оптическом излучении с характерной дл 

0 И «-спектрофотометров угловой апертурой пучка лучей 0,1.

Решетка-пол ризатор работает следующим образом.

5 При установке в оптическом электромагнитном излучении и расположении оси излучени  под заданным углом, например, перпендикул рно к ее поверхности, излучение , электрический вектор которого парал0 лелен металлическим полоскам 4 (фиг. 1) индуцирует сильные токи, создающие отраженное электромагнитное поле почти такое же, как и поле от сплошной металлической поверхности. Когда электрический вектор

5 перпендикул рен к металлическим поло- скам 4 падающа  волна стремитс  возбудить токи, текущие поперек элементов, однако вследствие малого,поперечного сечени  индуцированные токи и создаваемое

ми поле малы и волна беспреп тственно роходит через решетку-пол ризатор.

Выполнение гладкой и заштрихованной оверх-ностей в формах плоской и выпуклой фер с радиусами кривизны RI « и R2, довлетвор ющими соотношению (2), обеспечивает предотвращение регистрации инерференционных спектров вследствие меньшени  их интенсивности за счет ввеени  переменной толщины d оптического ло  1 в направлении сечени  решетки-по ризатора . При этом найденна  форма гладкой и заштрихованной поверхности обеспечивает возможность их изготовлени  одновременно с самим тонким оптическим слоем 1 как по технологии с использованием оптической прижимной пластины, так и без нее, т.е. по технологии выпаривани  из раствора.

Найденное соотношение (2) обеспечивает устранение спектра интерференции за счет ее усреднени  вдоль поверхности оптического сло  с переменной толщиной d сло  при минимальном ее изменении Ad, удовлетвор ющим соотношени м:

Ad

Амах А ,i - 5 Лмах /-у.

соответствующим числу К колец Ньютона, К

1-5 ДЛЯ A max. t

При этом в коротковолновой ПК-области спектра с длинами волн Я 10 мкм. удовлетвор ющими соотношению: Я 0,1d, выбираемое значение К может быть максимальным (К 5) дл  любого класса точности примен емых И К-спектрофотометров в диапазоне 1-0,1% и даже выйти за рамки соотношени  (3) при К 5, хот  при этом спектр интерференции устран етс  уже при меньшем значении К 5, т.к. это не вызывает чрезмерного изменени  A d толщины d оптического сло  1, существенно ограничивающего его прочность или прозрачность,

В длинноволновой же ИК-области спектра с длинами волн 50-100 мкм, соответствующими А d, при заданных dmin, определ ющем прочность оптического сло  1, и dmax, определ ющем его прозрачность, выбираемые значени  К, соответствующие услови м (3), в зависимости от класса точности примен емого ИК-спектрофотометра могут быть: К - 1 -2, - дл  класса точности 1 %; К 3-4, - дл  класса точности 0,65% и К 4-5, - дл  класса точности 0,1-0,3%

Пример 1 Решетка-пол ризатор с плотностью штрихов 1200 мм дл  области спектра 2,5-7 мкм ( Я max S 7-10 мм) на основе фторопласта с наибольшей толщиной d оптического сло 

dmax 0.07 мм и полем А 45 мм.

Технологи  изготовлени  решетки-пол ризатора - из 8% раствора фторопласта в этилацетате, без оптической прижимной пластины, с вывариванием растворителей с

открытой незаштрихованной поверхности оптического сло .

Гладка  поверхность решетки-пол ризатора - плоска , с остаточной сферичностью RI ч 6.10 мм. Радиус выпуклой

заштрихованной поверхности решетки-пол ризатора , соответствующий радиусу сопр гаемой заштрихованной вогнутой поверхности копируемой дифракционной решетки-матрицы, составл ет Ra « (1,2 1 ,4).104мм; Ad--20MKM; dmin 50MKM; Кл-5, Amax т.е. обеспечиваетс  эффективное усреднение интерференции дл  любого классаточностипримен емого спектрофотометра при близости остальных

эксплуатационных характеристик к соответствующим в известной решетке-пол ризаторе с толщиной d плоскопараллельного оптического сло  d«0,06 мм.

В спектральном диапазоне 1-2 мкм может использоватьс  решетка-пол ризатор из того же или другого непоглощающего ма- т ериала, примен емого в тонком слое, и с той же геометрией, но с увеличенной до 1800-2400 мм-1 плотностью штрихов,

П р и м е р 2. Решетка-пол ризатор с плотностью штрихов 1200 дл  области спектра 7-25 мкм ( Я max S 2,5 мм) на основе полиэтилена с наибольшей толщиной d оптического сло  dmax 0,09 мм и

полем А 35 мм.

Технологи  изготовлени  решетки-пол ризатора - нагреванием до температуры 110°С с переходом вещества сло  в пластичное состо ние и припрессовыванием оптческого сло  копируемой заштрихованной поверхности дифракционной решетки-матрицы под давлением 1 кг/см2, реализуемым через оптическую прижимную пластину.

Гладка  поверхность формируемого оптического сло , сопр гаема  с оптической прижимной пластиной, - плоска , с остаточной сферичностью, определ емой допускаемым отклонением от плоскостности

оптической прижимной пластины и составл ющей з колец Ньютона дл  видимого света с длиной волны Я-40,5 мкм, что соответствует стрелке прогиба мм и остаточной сферичности RI 105 мм.

При этом, аналогично примеру 1 может

быть выполнено

R2 104MM. Ad 0.02 мм. Дл  области спектра 25-100 мкм может использоватьс  решетка-пол ризатор из IQ

Дл  области спектра 25-100 мкм может использоватьс  решетка-пол ризатор из того же или другого непоглощ ющего материала , примен емого в тонком слое, и .З мм, ,8.lO мм, с возможностью уменьшени  плотности штрихов до 600 в области спектра 25-50 мкм и 300 мм в

области спектра 50-100 мкм.

На фиг. 3 показаны кривые пропускани  8 аналога и 9 - предлагаемой решетки-пол - ризатора дл  области спектра 2,4-7 мкм, Охватываемой изготавливаемым из раствора материалом оптического сло  1.

Сопоставление этих кривых нагл дно показывает, что предлагаема  решетка-по- п ризатор, в отличие от известной, обеспечивает устранение интерференционных помех в области спектра, не охватываемой прототипом, чем и обеспечиваетс  требуемое расширение ее спектрального диапазо- на и повышение технологичности.

Формул а изо бретени  

Решетка-пол ризатор, выполненна  в виде сло , прозрачного в заданном спектральном диапазоне, с нанесенной на одну из его поверхностей системой периодических штрихов треугольного профил , на часть одной из граней каждого из которых

нанесено отражающее металлическое покрытие , образующее параллельные полоски , ориентированные в направлении штрихов, с толщиной d сло , удовлетвор ющей соотношению:

5 nAv

где п - показатель преломлени  веществе сло ;

Av - заданное спектральное разрешение спектрофотометра, , причем одна из поверхностей сло  выполнена плоской, а друга  - сферической, отличающа с  тем, что, с целью расширени  спектрального диапазона и использовани  и повышени  технологичности, заштрихованна  поверхность оптического сло  выполнена в виде выпуклой сферы с радиусом кривизны R, удовлетвор ющим соотношению

А2п

R

20 Ямах4 АМЭХ

где А - размер заштрихованной поверхности;

А макс - наибольша  длина волны заданного спектрального диапазона.

Н

&

фиг. 2

§

m

P« Я

е