RU2539113C2 - Method of compensating for thermal bias of interferential-polarisation filter band - Google Patents
Method of compensating for thermal bias of interferential-polarisation filter band Download PDFInfo
- Publication number
- RU2539113C2 RU2539113C2 RU2013121696/28A RU2013121696A RU2539113C2 RU 2539113 C2 RU2539113 C2 RU 2539113C2 RU 2013121696/28 A RU2013121696/28 A RU 2013121696/28A RU 2013121696 A RU2013121696 A RU 2013121696A RU 2539113 C2 RU2539113 C2 RU 2539113C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- adjustable
- filter
- elements
- spectral line
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и измерительной технике и может быть использовано в интерференционно-поляризационных фильтрах (ИПФ) типа Лио с регулируемой полосой пропускания для получения двумерных карт и измерений лучевых скоростей по допплеровскому смещению спектральных линий. В общем случае регулируемые элементы ИПФ содержат установленные между поляризаторами независимые блоки, состоящие из кристаллической пластины (последовательно удвоенной толщины в соседних блоках), неподвижной четвертьволновой пластинки и регулируемой пластинки полволны. Для смещения полосы пропускания по спектру поворачивают регулируемые полуволновые пластинки. Обычно измерения лучевых скоростей (одновременно с измерениями магнитных полей) проводят с очень узкополосными интерференционно-поляризационными фильтрами. Для измерений доплеровской скорости осуществляют сканирование полосы пропускания фильтра относительно центра спектральной линии и получают снимки в синем и красном крыльях линии. Например, сканирование полосы по спектру в ИПФ [1] осуществляют вращением полуволновых пластинок в регулируемых элементах. Фотометрическая разность двух получаемых при сканировании изображений в крыльях линии дает количественную картину допплеровских скоростей на измеряемом объекте.The invention relates to optical instrumentation and measuring equipment and can be used in interference-polarizing filters (IAP) of the Lio type with an adjustable passband to obtain two-dimensional maps and radial velocity measurements by Doppler shift of spectral lines. In the general case, the adjustable IPF elements contain independent blocks installed between the polarizers, consisting of a crystalline plate (successively doubled thickness in adjacent blocks), a stationary quarter-wave plate, and an adjustable half-wave plate. Adjustable half-wave plates are rotated to shift the bandwidth over the spectrum. Typically, radial velocity measurements (simultaneously with magnetic field measurements) are carried out with very narrow-band interference polarization filters. To measure Doppler velocity, a filter passband is scanned relative to the center of the spectral line and images are taken in the blue and red wings of the line. For example, scanning a strip over the spectrum in the IAP [1] is carried out by rotating half-wave plates in adjustable elements. The photometric difference of the two images obtained by scanning in the wings of the line gives a quantitative picture of the Doppler velocities on the measured object.
Основное требование к фильтрам при измерениях со сканированием - стабильность исходного положения полосы пропускания относительно центра измеряемой линии. Однако традиционный недостаток фильтров - большая зависимость положения максимума полосы пропускания фильтра от температуры. С изменением температуры сканирование полосы фильтром не будет симметричным относительно спектральной линии, и появляются ложный сдвиг линии и ошибка в измерениях допплеровской скорости.The main requirement for filters in measurements with scanning is the stability of the initial position of the passband relative to the center of the measured line. However, the traditional drawback of filters is the large dependence of the position of the maximum passband of the filter on temperature. As the temperature changes, the scanning of the strip by the filter will not be symmetrical with respect to the spectral line, and a false line shift and an error in the Doppler velocity measurements will appear.
Известно, что для получения стабильного положения полосы пропускания и повышения точности измерений все элементы фильтров, нерегулируемые и регулируемые, помещают в термостат, который поддерживает рабочую температуру. При термостатировании с точностью ±0,01°C полоса пропускания кристаллических элементов из оптического кальцита смещается на
Известен другой аналог - способ термооптической компенсации смещения полосы пропускания ИПФ при флуктуациях температуры [3]. При изменении температуры происходит изменение разности хода лучей в кристаллической пластине, и полоса фильтра смещается. Для уменьшения изменения разности хода в элементы фильтра вводят дополнительные кристаллические пластины с температурным коэффициентом двойного преломления, отличающимся от температурного коэффициента двойного преломления основных пластин, и устанавливают их по отношению к основным пластинам на оптическое вычитание разности хода. При определенном соотношении двойного преломления основных и дополнительных пластин происходит компенсация изменения разности хода при изменении температуры, и требования к электронной термостабилизации значительно снижаются. Подобная термооптическая компенсация ступеней интерференционно-поляризационных фильтров применена в фильтрах-тандемах (ИПФ + интерферометр Майкельсона) в приборах MDI [4] и HMI [5] для измерения магнитных полей и скоростей солнечных образований. Эти фильтры-тандемы установлены на космических обсерваториях SOHO и SDO соответственно. Элементы ИПФ в фильтрах-тандемах изготавливают из двух кристаллов: основные пластины делают из кальцита и дополнительные пластины - из кристалла ADP или из кристалла KDP. Кристалл KDP используют для компенсации самых тонких пластинок кристаллов кальцита, так как необходимая толщина пластинок ADP так мала, что их нелегко изготовить.Another analogue is known - a method for thermooptical compensation of the shift of the passband of an IPF with temperature fluctuations [3]. When the temperature changes, the difference in the path of the rays in the crystal plate changes, and the filter strip shifts. To reduce the change in the path difference, additional crystalline plates with a temperature coefficient of birefringence different from the temperature coefficient of birefringence of the main plates are introduced into the filter elements, and they are set with respect to the main plates to optically subtract the path difference. At a certain ratio of birefringence of the main and additional plates, the change in the stroke difference with temperature changes is compensated, and the requirements for electronic thermal stabilization are significantly reduced. A similar thermooptical compensation of interference-polarization filter steps was used in tandem filters (IAP + Michelson interferometer) in MDI [4] and HMI [5] instruments for measuring magnetic fields and solar formation velocities. These tandem filters are installed at the SOHO and SDO space observatories, respectively. The IPF elements in the tandem filters are made of two crystals: the main plates are made of calcite and the additional plates are made of ADP crystal or KDP crystal. The KDP crystal is used to compensate for the thinnest calcite crystal plates, since the required thickness of the ADP plates is so small that it is not easy to make.
Однако недостаток этого способа заключается в том, что термооптическая компенсация ИПФ работает в ограниченном диапазоне температур, и необходимость использования электронного термостата для наиболее чувствительных элементов по-прежнему остается. Чтобы стабилизировать положение полосы пропускания, фильтр Лио с термокомпенсированными ступенями и интерферометр Майкельсона помещают в термостат [4, 5]. Печь термостата и бортовой контроллер конструируют таким образом, чтобы поддержать стабильность температуры в пределах 30±0.01°C за 1 час. Для этого используют аналоговое пропорциональное управление печью. Более того, предварительный усилитель печи и бортовой контроллер монтируют в своих термостатах, тем самым делая их температуру управляемой. В термостате фильтров применяют многокаскадную тепловую изоляцию, чтобы обеспечить масштаб времени любых остаточных температурных изменений в фильтре более продолжительным по сравнению с периодом солнечных p-мод осцилляции, измеряемым с помощью фильтра по смещению спектральной линии.However, the disadvantage of this method is that the thermo-optical compensation of the IPF works in a limited temperature range, and the need to use an electronic thermostat for the most sensitive elements still remains. To stabilize the position of the passband, a Lyo filter with temperature-compensated steps and a Michelson interferometer are placed in a thermostat [4, 5]. The thermostat furnace and on-board controller are designed to maintain temperature stability within 30 ± 0.01 ° C for 1 hour. To do this, use an analog proportional control of the furnace. Moreover, the furnace pre-amplifier and the on-board controller are mounted in their thermostats, thereby making their temperature controlled. Multistage thermal insulation is used in the filter thermostat to ensure that the time scale of any residual temperature changes in the filter is longer than the period of solar p-modes of oscillations, measured using a filter by the shift of the spectral line.
Кроме того, температурная стабилизация полосы пропускания фильтров Лио способом компенсации разницы хода лучей в ступенях фильтра с помощью подбора кристаллов, имеющих разные термооптические коэффициенты, пригодна только для узкого диапазона длин волн из-за зависимости термооптических коэффициентов от длины волны света. Так, упомянутые фильтры [4, 5] работают только в узких областях спектра: MDI - в области линии Ni I 6767.8Å, а HMI - в области линии FeI6173Å. Термооптическая стабилизация фильтра не позволяет также путем изменения рабочей температуры настроить фильтр на другие линии, представляющие астрофизический интерес. Более того, установка для термооптической компенсации дополнительных кристаллических пластин увеличивает длину оптической стопы ИПФ, и это ведет к апертурным ограничениям применения фильтра.In addition, the temperature stabilization of the passband of Lio filters by compensating for the difference in the path of the rays in the filter steps by selecting crystals with different thermo-optical coefficients is suitable only for a narrow wavelength range due to the dependence of thermo-optical coefficients on the light wavelength. So, the mentioned filters [4, 5] work only in narrow spectral regions: MDI - in the region of the Ni I line 6767.8 Å, and HMI - in the region of the FeI6173 Å line. Thermo-optical stabilization of the filter also does not allow the filter to be tuned to other lines of astrophysical interest by changing the operating temperature. Moreover, the installation for thermooptical compensation of additional crystalline plates increases the optical foot length of the IPF, and this leads to aperture limitations of the filter.
Наиболее близким к предлагаемому является способ стабилизации полосы универсального интерференционно-поляризационного фильтра SOUP [6] космической обсерватории SPACELAB, в котором устранена главная проблема - прецизионное термическое регулирование кальцитовых элементов - путем отказа от традиционных электронных нагревателей и использования вместо этого температурных датчиков, чтобы измерять температуру каждого отдельного регулируемого кристаллического элемента для определения величины их оптической подстройки. Конечно, вместо поддержки постоянной температуры элементов для стабилизации полосы пропускания легче регистрировать температуру и компенсировать смещение полосы регулировкой каждого элемента. В прототипе элементы фильтра регулируют, используя компьютерный алгоритм, чтобы скомпенсировать любые измеряемые изменения температуры. Абсолютную калибровку по длине волны обеспечивают с помощью опорного источника - He-Ne лазера. Значение температуры регулируемых элементов и углы поворота их полуволновых пластинок заносят в компьютер после настройки полос пропускания элементов на опорную линию λ 6328Å He-Ne лазера, излучение которого пропускают через весь фильтр. Для настройки фильтра на любую другую длину волны, отличную от λ 6328Å, либо меняют опорный лазер, либо используют текущее положение полуволновых пластинок, определенное по лазеру λ 6328Å, чтобы установить новое положение полуволновых пластинок для другой длины волны. Новые положения табулируют по приближенному аналитическому выражению, полученному на основании предварительных измерений температурной чувствительности и дисперсионного хода порядка интерференции кристаллов кальцита, из которого изготовлены элементы фильтра. Таким образом, настройку положения полосы пропускания на спектральную линию, сканирование в ней и компенсацию температурного смещения полосы производят вращением фазовых полуволновых пластинок регулируемых элементов по компьютерному алгоритму с учетом показаний температурных датчиков, установленных на элементах.Closest to the proposed one is a method of stabilizing the band of the universal interference-polarization filter SOUP [6] of the SPACELAB space observatory, which eliminates the main problem - the precision thermal regulation of calcite elements - by rejecting traditional electronic heaters and using temperature sensors instead to measure the temperature of each a separate adjustable crystalline element to determine the magnitude of their optical tuning. Of course, instead of maintaining a constant temperature of the elements to stabilize the bandwidth, it is easier to record the temperature and compensate for the offset of the strip by adjusting each element. In the prototype, filter elements are adjusted using a computer algorithm to compensate for any measurable temperature changes. Absolute wavelength calibration is provided using a reference source - He-Ne laser. The temperature value of the adjustable elements and the rotation angles of their half-wave plates are entered into the computer after setting the bandwidth of the elements on the reference line λ 6328 Å of a He-Ne laser, the radiation of which is passed through the entire filter. To tune the filter to any other wavelength other than λ 6328 Å, either change the reference laser or use the current position of the half-wave plates determined by the λ 6328 Å laser to establish a new position of the half-wave plates for a different wavelength. The new positions are tabulated according to an approximate analytical expression obtained on the basis of preliminary measurements of temperature sensitivity and dispersion behavior of the order of interference of calcite crystals from which the filter elements are made. Thus, tuning the position of the passband to the spectral line, scanning it and compensating for the temperature shift of the strip is done by rotating the phase half-wave plates of the adjustable elements according to a computer algorithm taking into account the readings of the temperature sensors installed on the elements.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что для создания алгоритма для поворота фазовых пластинок с целью температурной стабилизации положения полосы регулируемых элементов требуется точное знание температурной чувствительности используемых кристаллических материалов. Но это связано с необходимостью проведения трудоемких прецизионных лабораторных исследований и измерений оптических свойств кристаллов: двойного преломления, дисперсии двойного преломления, термооптических коэффициентов. Для измерений этих оптико-физических свойств кристаллов опять-таки необходимы термостаты с электронным регулятором температуры. Ранее показано, что применение термостата как способа стабилизации положения полосы пропускания оказывается недостаточным из-за нестабильности терморегулирования. Но эта же нестабильность терморегулирования ведет к ошибкам измерений оптико-физических характеристик даже в небольшом участке спектра, не говоря об измерениях в широком диапазоне спектра. Надо иметь в виду, что измерения должны быть проведены именно для тех образцов кристаллов, из которых будут изготовлены пластинки элементов фильтра. Пластинки фильтра из кристаллов природного кальцита могут иметь значение показателя преломления, отличающиеся в 5-ом знаке, в зависимости от пирамиды роста кристалла. Оптико-физические характеристики кристаллов кальцита в элементах прототипа измеряли и в обсерватории Кит Пик, и в Ливермольской лаборатории Локхид [7]. Измерения имели различие, и для составления алгоритма поворота полуволновых пластинок для стабилизации полосы фильтра SOUP как приближение брали средние значения. Каждый раз при использовании других кристаллов необходимо выполнять процедуру измерений. При настройке элементов фильтра и стабилизации их полос пропускания на солнечную спектральную линию, длина волны которой отлична от опорной линии, теряется точная связь между установками полосы пропускания ИПФ на эти линии: она существует через приближенное аналитическое выражение, полученное из лабораторных измерений термооптических и дисперсионных свойств кристаллических элементов. Настройка на измеряемую линию может быть неточной из-за ошибок в используемом приближении, а также из-за ошибок локальных измерений температур каждого настраиваемого элемента. Из-за этого температурная компенсация оказывается неточной.The disadvantages of the prototype include the fact that to create an algorithm for rotating phase plates with the aim of temperature stabilization of the position of the strip of adjustable elements requires accurate knowledge of the temperature sensitivity of the used crystalline materials. But this is due to the need for laborious, precise laboratory studies and measurements of the optical properties of crystals: birefringence, birefringence dispersion, and thermooptical coefficients. To measure these optical and physical properties of crystals, again, thermostats with an electronic temperature controller are needed. It has been previously shown that the use of a thermostat as a way to stabilize the position of the passband is insufficient due to the instability of thermal control. But this same instability of thermoregulation leads to errors in the measurement of optical and physical characteristics even in a small portion of the spectrum, not to mention measurements in a wide range of the spectrum. It must be borne in mind that measurements should be carried out specifically for those crystal samples from which plates of filter elements will be made. Filter plates made of natural calcite crystals can have a refractive index value that differs in the 5th sign, depending on the crystal growth pyramid. The optical-physical characteristics of calcite crystals in the elements of the prototype were measured both at the Kit Peak Observatory and at the Lockheed Livermol Laboratory [7]. The measurements were different, and average values were taken as an approximation to compile an algorithm for rotating half-wave plates to stabilize the SOUP filter band. Each time you use other crystals, you must perform a measurement procedure. When tuning filter elements and stabilizing their transmission bands on a solar spectral line whose wavelength is different from the reference line, the exact connection between the settings of the passband of the IPF on these lines is lost: it exists through an approximate analytical expression obtained from laboratory measurements of the thermo-optical and dispersion properties of crystalline elements. The adjustment to the measured line may be inaccurate due to errors in the approximation used, as well as due to errors in local temperature measurements of each adjustable element. Because of this, temperature compensation is inaccurate.
Целью изобретения является компенсация температурного смещения полосы пропускания фильтра.The aim of the invention is to compensate for the temperature shift of the filter passband.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе компенсации температурного смешения полосы, в котором настройку полосы пропускания фильтра на измеряемую спектральную линию и смещение полосы для компенсации влияния температурных флуктуаций осуществляют путем вращения полуволновых пластинок элементов фильтра относительно спектральной линии опорного источника света, предусмотрены следующие отличия.The problem is solved due to the fact that the following differences are provided in the method for compensating for temperature mixing of a strip in which the filter passband is adjusted for the measured spectral line and the band offset to compensate for the effect of temperature fluctuations by rotating the half-wave plate of the filter elements relative to the spectral line of the reference light source.
Положение полосы пропускания каждого регулируемого элемента относительно измеряемой спектральной линии стабилизируют поворотом полуволновых пластинок не по приближенному алгоритму температурной чувствительности элементов, а фотоэлектрическим слежением положения спектральной линии объекта относительно линии опорного источника. Луч света опорного источника пропускают не через весь фильтр, а через каждый отдельный регулируемый элемент фильтра. Свет опорного источника, пропущенный элементом, расщепляют на два луча, обыкновенный и необыкновенный, и используют изменение разности интенсивностей обыкновенного и необыкновенного лучей опорного источника света, вызванное температурными флуктуациями элемента, как сигнал обратной связи для управления вращением полуволновой пластинки регулируемого элемента для компенсации температурного смещения его полосы пропускания от измеряемой спектральной линии.The position of the passband of each adjustable element relative to the measured spectral line is stabilized by turning half-wave plates not according to the approximate algorithm of the temperature sensitivity of the elements, but by photoelectric tracking of the position of the spectral line of the object relative to the reference source line. The light beam of the reference source is not passed through the entire filter, but through each individual adjustable filter element. The light of the reference source transmitted by the element is split into two beams, ordinary and extraordinary, and the change in the intensity difference between the ordinary and extraordinary rays of the reference light source, caused by temperature fluctuations of the element, is used as a feedback signal to control the rotation of the half-wave plate of the adjustable element to compensate for its temperature shift bandwidth from the measured spectral line.
Сущность предлагаемого способа стабилизации полосы пропускания при температурных флуктуациях заключается в формировании не только одной, общей для всех регулируемых кристаллических элементов полосы пропускания (главного максимума) на измеряемую спектральную линию объекта, но также еще двух полос пропускания на спектральную линию опорного источника света для каждого регулируемого элемента в двух ортогонально поляризованных лучах, по разности интенсивностей которых обеспечивается стабилизация положения полосы пропускания фильтра при флуктуациях температуры.The essence of the proposed method of stabilization of the passband at temperature fluctuations consists in the formation of not only one, common for all adjustable crystalline crystal elements passband (main maximum) on the measured spectral line of the object, but also two passbands per spectral line of the reference light source for each adjustable element in two orthogonally polarized beams, whose intensity difference ensures stabilization of the filter passband position with temperature fluctuations.
Существо изобретения поясняется рисунками 1, 2.The invention is illustrated by figures 1, 2.
На рисунке 1 показана схема реализации способа компенсации температурного смещения полосы пропускания ИПФ на примере одного регулируемого элемента. Схема включает: кристаллическую пластину 1, четвертьволновую пластинку 2, полуволновую пластинку 3, установленные между двумя поляризаторами 4, источник опорной спектральной линии 5 с поляризатором 6 и полуволновой пластинкой 7, три отражателя 8, поляризационный расщепитель 9 с фотоприемниками 10, блок управления 11 и спектрограф 12.Figure 1 shows a diagram of an implementation of a method for compensating the temperature shift of the passband of an IPF using an example of one adjustable element. The scheme includes: a crystalline plate 1, a quarter-wave plate 2, a half-wave plate 3, mounted between two polarizers 4, a source of a reference spectral line 5 with a
На рисунке 2 изображены: а - контур измеряемой спектральной линии объекта (Солнца); б - контур спектральной линии опорного источника; в - полоса пропускания регулируемого элемента, настроенная на измеряемую спектральную линию объекта; г - полосы пропускания элемента в обыкновенном (сплошная кривая) и необыкновенном (пунктирная кривая) лучах в области опорной спектральной линии; д - полосы в обыкновенном и необыкновенном лучах, настроенные на опорную линию.Figure 2 shows: a - contour of the measured spectral line of the object (the Sun); b - contour of the spectral line of the reference source; c - the bandwidth of the adjustable element, tuned to the measured spectral line of the object; g - bandwidth of the element in the ordinary (solid curve) and extraordinary (dashed curve) rays in the region of the reference spectral line; d - stripes in the ordinary and extraordinary rays, tuned to the reference line.
Предлагаемый способ компенсации температурного смещения реализуют следующим образом.The proposed method of compensating for temperature displacement is implemented as follows.
Для каждого регулируемого элемента, состоящего из кристаллической пластины 1, четвертьволновой 2 и полуволновой пластинки 3 с приводом для поворота и двух поляризаторов 4, используют опорный источник света 5 с поляризатором 6 (если источник не поляризован) и полуволновой пластинкой 7 с приводом для поворота. Источник выбирают так, чтобы он излучал отдельную эмиссионную (опорную) спектральную линию в области спектра недалеко от спектральной линии объекта, в которой предполагается вести измерения, при этом ширина спектральной линии источника должна быть сравнимой с шириной полосы пропускания самого узкополосного элемента фильтра.For each adjustable element consisting of a crystalline plate 1, a quarter-wave 2, and a half-wave plate 3 with a rotary drive and two polarizers 4, a reference light source 5 with a polarizer 6 (if the source is not polarized) and a half-wave plate 7 with a rotary drive are used. The source is chosen so that it emits a separate emission (reference) spectral line in the spectral region close to the spectral line of the object in which it is supposed to take measurements, while the width of the spectral line of the source should be comparable to the bandwidth of the narrow-band filter element itself.
Свет от источника пропускают через полуволновую пластинку 7 и затем двумя отражателями 8 через кристаллический элемент вблизи его края и третьим отражателем направляют на поляризационный расщепитель 9, после которого обыкновенный и необыкновенные лучи попадают на фотоприемники 10. Сигналы фотоприемников через контроллер 11 управляют приводом вращения полуволновой пластинки 3 регулируемого элемента оптической стопы ИПФ.The light from the source is passed through a half-wave plate 7 and then with two reflectors 8 through a crystalline element near its edge and the third reflector is sent to a polarizing splitter 9, after which ordinary and extraordinary rays fall on the photodetectors 10. The signals of the photodetectors through the controller 11 control the rotation drive of the half-wave plate 3 adjustable element of the optical foot IPF.
В предлагаемом способе настройку системы компенсации температурного смещения осуществляют одновременно с настройкой элементов на измеряемую линию. Для настройки полосы пропускания на измеряемую линию отдельный регулируемый элемент ИПФ устанавливают с включенным опорным источником света 5 перед входной щелью спектрографа 12 и освещают солнечным светом. Таким образом, кристаллический элемент освещают одновременно двумя источниками света - солнечным и опорным. На рисунке 2 показаны опорная спектральная линия лазера и солнечная линия, на которую полосы пропускания всех кристаллических элементов должны быть настроены и положение полос должно быть устойчиво к изменению температуры. Пропускание регулируемым элементом солнечного света наблюдают в фокусе спектрографа в области спектра с измеряемой линией. Полоса пропускания регулируемого элемента фильтра представляет собой канавчатый спектр, расстояние между максимумами которого обратно пропорционально толщине кристаллической пластинки элемента. Распределение интенсивности канавчатого спектра, пропущенного элементом фильтра, без учета поглощения и рассеяния в оптических каналах I=Acos2π(µd/λ+α/90°), где d - толщина кристалла, µ - показатель двойного преломления на длине волны λ, α - угол поворота полуволновой пластинки регулируемого элемента. Положение максимумов канавчатого спектра относительно измеряемой линии определяют в спектрографе визуально или фотометрически и изменяют его вращением этой полуволновой пластинки. Положение максимумов канавчатых спектров в о- и е-лучах относительно опорной линии определяют по сигналам фотоприемников о- и е-лучей. Интенсивности лучей зависят как от угла поворота а полуволновой пластинки элемента, так и от угла поворота β полуволновой пластинки источника света. Интенсивность о-луча Io=cos2π(µd/λ+α/90°+β/90°) - сплошная линия; интенсивность е-луча Ie=sin2π(µd/λ+α/90°+β/90°) - пунктирная линия. Распределения интенсивности в о- и е-лучах представляют собой дополнительные спектры (Io+Ie=1). Когда максимумы в спектрах обоих лучей расположены симметрично относительно опорной линии (рисунок 2), Io=Ie.In the proposed method, the adjustment of the temperature offset compensation system is carried out simultaneously with the adjustment of the elements on the measured line. To adjust the bandwidth on the measured line, a separate adjustable element of the IFF is installed with the reference light source 5 turned on in front of the entrance slit of the spectrograph 12 and illuminated with sunlight. Thus, the crystalline element is illuminated simultaneously by two light sources - solar and reference. Figure 2 shows the reference spectral line of the laser and the solar line, on which the transmission bands of all crystalline elements must be tuned and the position of the bands must be resistant to temperature changes. The transmission of the adjustable element of sunlight is observed at the focus of the spectrograph in the spectral region with the measured line. The passband of the adjustable filter element is a grooved spectrum, the distance between the maxima of which is inversely proportional to the thickness of the crystal plate of the element. The intensity distribution of the grooved spectrum transmitted by the filter element, excluding absorption and scattering in the optical channels I = Acos 2 π (μd / λ + α / 90 °), where d is the crystal thickness, μ is the birefringence index at the wavelength λ, α - the angle of rotation of the half-wave plate of the adjustable element. The position of the maxima of the grooved spectrum relative to the measured line is determined visually or photometrically in the spectrograph and changed by rotation of this half-wave plate. The position of the maxima of the grooved spectra in the o- and e-rays relative to the reference line is determined by the signals of the photodetectors of o- and e-rays. The ray intensities depend on both the angle of rotation a of the half-wave plate of the element and the angle of rotation β of the half-wave plate of the light source. O-ray intensity I o = cos 2 π (µd / λ + α / 90 ° + β / 90 °) - solid line; e-beam intensity I e = sin 2 π (µd / λ + α / 90 ° + β / 90 °) - dashed line. The intensity distributions in o and e rays are additional spectra (I o + I e = 1). When the maxima in the spectra of both rays are located symmetrically relative to the reference line (Figure 2), I o = I e .
До начала настройки максимумы канавчатого спектра элемента могут быть расположены произвольным образом относительно измеряемой и опорной линий. Поворотом полуволновой пластинки 3 кристаллического элемента на угол α смещают по спектру канавчатый спектр до совпадения одного из его максимумов с солнечной спектральной линией. Но для опорной линии может оказаться, что Io≠Ie. Сразу же, не допуская изменения температуры элемента, поворачивают полуволновую пластинку 7 источника 5 до равенства сигналов Io=Ie с и через контроллер включают цепь обратной связи: разбаланс сигналов фотометра - угол поворота полуволновой пластинки элемента. Смещение полосы пропускания элемента, вызванное любым изменением температуры, приводит к разбалансу сигналов фотоприемников и в свою очередь к повороту полуволновой пластинки 3, компенсирующему смещение полосы элемента фильтра из-за флуктуации температуры. Настроенный таким способом элемент заменяют на спектрографе следующими и настраивают их аналогично. Все настроенные элементы, находящиеся в активном состоянии (при включенной обратной связи), собирают вместе в стопу интерференционно-поляризационного фильтра. Совпадающие между собой полосы пропускания элементов формируют главную полосу пропускания фильтра на спектральную линию, в которой ведутся измерения скоростей и магнитных полей. Сканирование спектральной полосой фильтра линии для измерения доплеровских скоростей и магнитных полей проводится по команде от блока управления поворотом всех полуволновых пластинок элементов. Корректировку из-за температурного ухода положения главного максимума пропускания относительно опорной линии осуществляют поворотом этих же пластинок практически в реальном масштабе времени во время краткой остановки измерений. Частота корректировки задается программно в зависимости от условий эксплуатации фильтра.Before starting the adjustment, the maxima of the grooved spectrum of the element can be arbitrarily located relative to the measured and reference lines. By turning the half-wave plate 3 of the crystalline element through an angle α, the groove spectrum is shifted along the spectrum until one of its maxima coincides with the solar spectral line. But for the reference line, it may turn out that I o ≠ I e . Immediately, not allowing the temperature of the element to change, turn the half-wave plate 7 of the source 5 until the signals I o = I e s are equal and through the controller turn on the feedback circuit: the imbalance of the photometer signals - the angle of rotation of the half-wave plate of the element. The shift of the bandwidth of the element caused by any change in temperature leads to an imbalance in the signals of the photodetectors and, in turn, to the rotation of the half-wave plate 3, which compensates for the shift of the strip of the filter element due to temperature fluctuations. An element set up in this way is replaced on the spectrograph with the following and set them up similarly. All configured elements that are in the active state (with feedback turned on) are assembled together in the stack of the interference-polarization filter. The coincident passbands of the elements form the main passband of the filter on the spectral line, in which the velocities and magnetic fields are measured. Scanning by the spectral band of the line filter for measuring Doppler velocities and magnetic fields is carried out on command from the control unit for the rotation of all half-wave plate elements. Correction due to temperature deviation of the position of the main transmission maximum relative to the reference line is carried out by turning the same plates in almost real time during a brief stop of measurements. The correction frequency is set programmatically depending on the operating conditions of the filter.
Ниже описан, опробованный нами, пример реализации способа температурной компенсации.Below is described, tested by us, an example of the implementation of the method of temperature compensation.
В регулируемый элемент была установлена пластина, составленная из двух кристаллических пластин таким образом, что их двойное преломление складывается: оптического кальцита толщиной 24,912 мм и парателлурита толщиной 5,572 мм. Комбинацию двух кристаллов используют для увеличения углового поля фильтра. Полосы пропускания канавчатого спектра элемента с такими кристаллическими пластинами имеют полуширину 0.12Å.A plate composed of two crystalline plates was mounted in an adjustable element in such a way that their double refraction is folded: optical calcite with a thickness of 24.912 mm and paratellurite with a thickness of 5.572 mm. The combination of two crystals is used to increase the angular field of the filter. The bandwidths of the grooved spectrum of an element with such crystalline plates have a half-width of 0.12 Å.
В качестве опорного источника в регулируемом элементе установлен лазер He-Ne ЛГН-32, λ=6328Å. Свет лазера после прохождения через элемент разделяется двупреломляющей пластинкой из оптического кальцита на обыкновенный и необыкновенный лучи. Лучи разводятся на расстояние 4 мм, идут параллельно, и каждый попадает на свой фотоприемник типа ФД265. При изменении температуры элемента интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей (сигналы ФД265) меняются в противофазе, что позволяет определить направление смещения полосы. Смещение полосы восстанавливается поворотом пластины регулируемого элемента λ/2 от шагового двигателя ШД200. За счет механической редукции от шагового двигателя к оправе полуволновой пластинки двигатель за один шаг поворачивает полуволновую пластинку регулируемого элемента на угол 0,34°.An He-Ne LGN-32 laser with λ = 6328Å is installed as a reference source in the adjustable element. The laser light after passing through the element is divided by a birefringent plate of optical calcite into ordinary and extraordinary rays. The rays are separated at a distance of 4 mm, go in parallel, and each falls on its own photodetector type FD265. When the temperature of the element changes, the intensities of the ordinary and extraordinary rays (FD265 signals) change in antiphase, which makes it possible to determine the direction of the strip shift. The strip offset is restored by turning the plate of the adjustable element λ / 2 from the stepper motor ШД200. Due to mechanical reduction from the stepper motor to the rim of the half-wave plate, the engine in one step rotates the half-wave plate of the adjustable element by an angle of 0.34 °.
Температура регулируемой ступени, помещенной в термостат, плавно изменялась. Скорость нагрева, не вызывающая недопустимых градиентов температуры в кристаллических пластинах, была не более 0.4°C/мин. Чувствительность отработки шагового двигателя составляла 1 шаг. При нагреве на 1°C поворот полуволновой пластинки составил 62.3°. Компенсация температурного смещение полосы поворотом полуволновой пластинки на угол 62.3° означает ее смещение по спектру 0.166Å. Возвращение полосы к исходному поворотом полуволновой пластинки происходило с точностью 1 шага, т.е. около 0.9 мÅ. Такая точность стабилизации полосы пропускания фильтра достаточна для проведения измерений физических параметров объекта. Таким образом, это доказывает, что в предлагаемом способе стабилизацию положения полосы пропускания ИПФ можно проводить без прецизионного терморегулировании всего фильтра и отдельных элементов и без размещения на отдельных элементах датчиков для прецизионных измерений температуры, которые используют в прототипе.The temperature of the adjustable stage, placed in the thermostat, gradually changed. The heating rate, which does not cause unacceptable temperature gradients in the crystalline plates, was not more than 0.4 ° C / min. The sensitivity of working out a stepper motor was 1 step. When heated by 1 ° C, the rotation of the half-wave plate was 62.3 °. Compensation of the temperature shift of the strip by rotating the half-wave plate at an angle of 62.3 ° means its shift in the spectrum is 0.166 Å. The return of the strip to the initial rotation of the half-wave plate occurred with an accuracy of 1 step, i.e. about 0.9 mÅ. This accuracy of stabilization of the filter passband is sufficient for measuring the physical parameters of the object. Thus, this proves that in the proposed method, the stabilization of the position of the passband of the IPF can be carried out without precision thermoregulation of the entire filter and individual elements and without placing sensors on individual elements for precision temperature measurements, which are used in the prototype.
Цитированная литератураCited literature
[1] P. Sutterlin, R.J. Rutten, V.I. Skomorovsky. Ba II 4554 A speckle imaging as solar Doppler diagnostic ky // Astron. Astrophys. - 2001. - Vol.378, №1. - P.251-256.[1] P. Sutterlin, R.J. Rutten, V.I. Skomorovsky. Ba II 4554 A speckle imaging as solar Doppler diagnostic ky // Astron. Astrophys. - 2001. - Vol.378, No. 1. - P.251-256.
[2] A. Dollfus, F. Colson, D. Gussaire and F. Lankay. A monochromator for Solar quantitative imagery: the instrument FPSS. Astron. Astrophys. 1985, Vol. 151, 235-253.[2] A. Dollfus, F. Colson, D. Gussaire and F. Lankay. A monochromator for Solar quantitative imagery: the instrument FPSS. Astron Astrophys. 1985, Vol. 151, 235-253.
[3] С.Б. Иоффе. Интерференционно-поляризационный фильтр, А.С. №158700, Б.И. №22, 1963 г.[3] C. B. Joffe. Interference-Polarizing Filter, A.S. No. 158700, B.I. No. 22, 1963
[4] Sébastien Couvidat · Jesper Schou · Richard A. Shine, et al. Wavelength Dependence of the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) Instrument onboard the Solar Dynamics Observatory (SDO) Solar Phys (2012) 275:285-325.[4] Sébastien Couvidat Jesper Schou Richard A. Shine, et al. Wavelength Dependence of the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) Instrument onboard the Solar Dynamics Observatory (SDO) Solar Phys (2012) 275: 285-325.
[5] Scherrer P.H., Bogart R.S., Bush R.I., et al. The Solar Oscillations Investigation- Michelson Doppler Imager. Solar Physics 162: 129-188, 1995.[5] Scherrer P.H., Bogart R.S., Bush R.I., et al. The Solar Oscillations Investigation - Michelson Doppler Imager. Solar Physics 162: 129-188, 1995.
[6] Alan Title THE SOUP AND CIP INSTRUMENTS Adv. Space Res. Vol.4, No.8, pp.67-74, 1984.[6] Alan Title THE SOUP AND CIP INSTRUMENTS Adv. Space Res. Vol.4, No.8, pp. 67-74, 1984.
[7] Alan Title, William Rosenberg, Research on spectroscopic imaging, v 1, Technical Discussion April 1979, p.B-22. Lockheed Palo Alto Research Laboratories, 3251 Hanover Street Palo Alto California 94304 http://www.researchqate.net/publication/23897491 Research on spectroscopic imaging. Volume 1 Technical discussion.[7] Alan Title, William Rosenberg, Research on spectroscopic imaging, v 1, Technical Discussion April 1979, p.B-22. Lockheed Palo Alto Research Laboratories, 3251 Hanover Street Palo Alto California 94304 http://www.researchqate.net/publication/23897491 Research on spectroscopic imaging. Volume 1 Technical discussion.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013121696/28A RU2539113C2 (en) | 2013-05-08 | 2013-05-08 | Method of compensating for thermal bias of interferential-polarisation filter band |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013121696/28A RU2539113C2 (en) | 2013-05-08 | 2013-05-08 | Method of compensating for thermal bias of interferential-polarisation filter band |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013121696A RU2013121696A (en) | 2014-11-20 |
RU2539113C2 true RU2539113C2 (en) | 2015-01-10 |
Family
ID=53288443
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013121696/28A RU2539113C2 (en) | 2013-05-08 | 2013-05-08 | Method of compensating for thermal bias of interferential-polarisation filter band |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2539113C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU158700A1 (en) * | ||||
RU2118800C1 (en) * | 1997-07-30 | 1998-09-10 | Институт солнечно-земной физики СО РАН | Method of compensation of temperature shift of filter band |
WO2009003864A1 (en) * | 2007-07-04 | 2009-01-08 | Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method and apparatus for compensating polarization-dependent frequency shifts in optical waveguides |
-
2013
- 2013-05-08 RU RU2013121696/28A patent/RU2539113C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU158700A1 (en) * | ||||
RU2118800C1 (en) * | 1997-07-30 | 1998-09-10 | Институт солнечно-земной физики СО РАН | Method of compensation of temperature shift of filter band |
WO2009003864A1 (en) * | 2007-07-04 | 2009-01-08 | Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method and apparatus for compensating polarization-dependent frequency shifts in optical waveguides |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ALAN TITLE "The SOUP and CIP Instruments", ADVANCES IN SPACE RESEARCH, т.4, No.8, 1984, стр.67-74. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013121696A (en) | 2014-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100765709B1 (en) | Spectroscopic polarimetry | |
Hegyi et al. | Hyperspectral imaging with a liquid crystal polarization interferometer | |
WO2001002799A1 (en) | Birefringement interferometer | |
Tiwary et al. | Imaging spectropolarimeter for the multi-application solar telescope at Udaipur solar observatory: characterization of polarimeter and preliminary observations | |
KR20080090994A (en) | Method and apparatus for measuring phase difference | |
US20080062353A1 (en) | Temperature compensation in liquid crystal tunable filters | |
Bailey et al. | A high precision polarimeter for small telescopes | |
Boulbry et al. | Improved method for calibrating a Stokes polarimeter | |
Berdyugin et al. | Optical polarimetry: Methods, instruments and calibration techniques | |
CN101281091A (en) | Phase difference measuring apparatus using light splitter | |
Kentischer et al. | The visible tunable filtergraph for the ATST | |
US7253896B1 (en) | Filter | |
CN104483021A (en) | Spectral polarization detection system and detection method based on spatial amplitude modulation | |
Hou et al. | Interference effect on the liquid-crystal-based Stokes polarimeter | |
Hough | Polarimetry techniques at optical and infrared wavelengths | |
RU2539113C2 (en) | Method of compensating for thermal bias of interferential-polarisation filter band | |
Capobianco et al. | Wide field of view liquid crystals-based modulator for the polarimeter of the Metis/Solar Orbiter | |
JP2005031007A (en) | Spectroscope using liquid crystal | |
Kovalev et al. | A wide-range spectroscopic ellipsometer with switching of orthogonal polarization states based on the MDR-41 monochromator | |
Kornienko et al. | Evaluating the spectral sensitivity of the nonlinear-optical terahertz wave radiation detecors via spontaneous parametric down-conversion spectra | |
Weng et al. | A novel filter wheel for multi-channel switching and polarization rotation | |
Serkowski | A polarimetric method of measuring radial velocities | |
Zhang et al. | Integrated spectral phase delay calibration technique for a liquid crystal variable retarder used in wide-bandwidth working channel | |
Fineschi et al. | Liquid crystals Lyot filter for solar coronagraphy | |
Warenghem et al. | Dispersion curve measurement using Talbot bands |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160509 |