RU2515134C2 - Interference multibeam light filter (versions) - Google Patents
Interference multibeam light filter (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2515134C2 RU2515134C2 RU2012110608/28A RU2012110608A RU2515134C2 RU 2515134 C2 RU2515134 C2 RU 2515134C2 RU 2012110608/28 A RU2012110608/28 A RU 2012110608/28A RU 2012110608 A RU2012110608 A RU 2012110608A RU 2515134 C2 RU2515134 C2 RU 2515134C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- film
- angle
- radiation
- thin
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений полного внутреннего отражения и интерференции световых потоков, в том числе устройствам оптических фильтров, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.The invention relates to optics, to optical devices based on the use of phenomena of total internal reflection and interference of light fluxes, including optical filter devices used in scientific research and technology for spectral analysis and monochromatization of light.
Решается проблема создания светофильтров, обладающих высокой разрешающей способностью, то есть узкой полосой пропускания, с одновременным обеспечением широкой свободной спектральной области.The problem of creating filters with high resolution, that is, a narrow passband, while providing a wide free spectral region, is being solved.
В качестве аналога взяты известные устройства типа эталонов Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989], содержащие прозрачную плоскую пластину, на противостоящие поверхности которой нанесены полупрозрачные зеркальные покрытия. По принципу действия эталоны являются оптическими резонаторами со стоячей световой волной. При пропускании через эталон коллимированного оптического излучения между зеркальными покрытиями вследствие многократных отражений возникает многолучевая интерференционная картина, излучение проходит эталон только на тех длинах волн спектра, на которых между пластинами возникает резонанс, то есть укладывается целое число полуволн. Ширина формируемой эталоном полосы спектра проходящего излучения определяется во многом коэффициентом отражения зеркальных покрытий; при использовании металлических покрытий этот коэффициент порядка 0,9 и меньше.As an analogue, well-known devices of the Fabry-Perot type are taken [Skokov I.V. Multibeam interferometers in measurement technology. - M .: Mechanical Engineering, 1989], containing a transparent flat plate, on the opposing surfaces of which a translucent mirror coating is applied. According to the principle of operation, the standards are optical resonators with a standing light wave. When the collimated optical radiation is transmitted through the standard between mirror coatings due to multiple reflections, a multipath interference pattern arises, the radiation passes the standard only at those wavelengths of the spectrum at which resonance arises between the plates, i.e. an integer number of half-waves is stacked. The width of the spectrum band of the transmitted radiation formed by the standard is determined largely by the reflection coefficient of the mirror coatings; when using metal coatings, this coefficient is of the order of 0.9 or less.
Преимуществом интерферометров Фабри-Перо над светофильтрами других типов, например дифракционными, является их большая светосила; недостатком аналога являются значительные потери световой энергии на зеркалах, что приводит к значительной ширине спектральной полосы пропускания при малых порядках интерференции, то есть к недостаточно высокой разрешающей способности устройства при использовании его в качестве светофильтра, а при больших порядках интерференции, при которых светофильтр имеет непревзойденно большую разрешающую способность, резко уменьшается область дисперсии (свободная спектральная область).The advantage of Fabry-Perot interferometers over other types of filters, for example diffraction ones, is their large aperture; A disadvantage of the analogue is the significant loss of light energy on the mirrors, which leads to a significant spectral bandwidth for small orders of interference, that is, insufficient resolution of the device when used as a filter, and for large orders of interference, in which the filter has an unrivaled large resolution, the dispersion region (free spectral region) decreases sharply.
В качестве прототипа взят интерференционный многолучевой интерферометр Люммера-Герке [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Гл. ред. физ-мат. лит. Наука. 1970 г. - 856 с]. Интерферометр представляет собой длинную плоскопараллельную пластинку из стекла или кристаллического кварца. Пучок света от источника, лежащего на продольной оси пластинки, входит в нее через призму, укрепленную на одном из концов пластинки, и падает на внутреннюю поверхность последней под углом, немного меньшим угла полного внутреннего отражения. Траектория пучка внутри пластинки представляет собой ломаную линию; из пластинки выходит с обеих ее сторон ряд световых пучков, начинающихся в местах падения пучка пластины изнутри на ее внешнюю сторону. Так как угол падения луча на внутреннюю поверхность ненамного меньше угла полного внутреннего отражения, лучи преломляются на граничной поверхности и выходят в воздушную среду под скользящими углами к поверхности. Отраженные от поверхности внутрь лучи продолжают распространяться по пластине, подобно распространению света в световоде. Вышедшие из пластины лучи собираются линзой и образуют интерференционную картину в ее фокальной плоскости. В связи с большим количеством интерферирующих лучей разрешающая способность интерферометра очень высокая.As a prototype taken interference multi-beam interferometer Lummer-Gerke [Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. - M .: Ch. ed. physical mat. lit. The science. 1970 - 856 s]. The interferometer is a long plane-parallel plate of glass or crystalline quartz. A beam of light from a source lying on the longitudinal axis of the plate enters it through a prism mounted on one of the ends of the plate and falls on the latter’s inner surface at an angle slightly smaller than the angle of total internal reflection. The beam path inside the plate is a broken line; a number of light beams emerge from the plate on both sides of the plate, starting at the places where the beam of the plate falls from the inside to its outer side. Since the angle of incidence of the beam on the inner surface is not much smaller than the angle of total internal reflection, the rays are refracted on the boundary surface and exit into the air at sliding angles to the surface. Rays reflected from the surface inward continue to propagate along the plate, similar to the propagation of light in a light guide. The rays emerging from the plate are collected by the lens and form an interference pattern in its focal plane. Due to the large number of interfering rays, the resolution of the interferometer is very high.
Недостатком прототипа является малая свободная спектральная область, что объясняется большим отношением толщины пластины к длине волны света и высокими порядками интерференции света.The disadvantage of the prototype is the small free spectral region, which is explained by the large ratio of the plate thickness to the wavelength of light and high orders of light interference.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание оптического фильтра, обладающего узкой спектральной полосой пропускания и одновременно широкой свободной спектральной областью.The problem solved by the present invention is the creation of an optical filter having a narrow spectral bandwidth and at the same time a wide free spectral region.
Задача решается тем, что в интерференционном многолучевом светофильтре, содержащем плоскую прозрачную пластину с тонкопленочным прозрачным покрытием одной ее поверхности и оптическую призму ввода излучения, в соответствии с изобретением оптическая призма закреплена плоской гранью на тонкопленочном покрытии вблизи конца пластины, причем показатели преломления призмы и пленки больше показателя преломления пластины.The problem is solved in that in an interference multipath filter containing a flat transparent plate with a thin film transparent coating of one of its surfaces and an optical input prism, in accordance with the invention, the optical prism is fixed with a flat face on a thin film coating near the end of the plate, and the refractive indices of the prism and film are greater refractive index plate.
Предлагается также вариант интерференционного многолучевого светофильтра, содержащий плоскую прозрачную пластину с тонкопленочным прозрачным покрытием одной ее поверхности, в котором в соответствии с изобретением один конец пластины скошен под острым углом к поверхности тонкопленочного покрытия, причем показатель преломления пленки больше показателя преломления пластины, тогда как излучение вводится в пленку через скошенный конец пластины.A variant of an interference multi-beam filter is also proposed, comprising a flat transparent plate with a thin film transparent coating of one of its surfaces, in which according to the invention one end of the plate is beveled at an acute angle to the surface of the thin film coating, the refractive index of the film being greater than the refractive index of the plate, while radiation is introduced into the film through the beveled end of the plate.
Предлагается также, что введенное в прозрачную пленку излучение распространяется в ней под углом к поверхности пленки, граничащей с пластиной, меньшим угла полного внутреннего отражения, но большим угла полного внутреннего отражения второй поверхности пластины.It is also proposed that radiation introduced into a transparent film propagates in it at an angle to the surface of the film adjacent to the plate, smaller than the angle of total internal reflection, but larger than the angle of total internal reflection of the second surface of the plate.
Предлагается также, что удаленный от места ввода излучения конец пластины выполнен в виде цилиндрической или сферической линзы.It is also proposed that the end of the plate remote from the radiation input site is made in the form of a cylindrical or spherical lens.
Изобретение поясняется с помощью фиг.1-3.The invention is illustrated using figures 1-3.
Фиг.1 - схема хода лучей в продольном сечении интерференционного многолучевого светофильтра по изобретению. Здесь 1 - тонкопленочное прозрачное покрытие прозрачной плоской пластины 2, 3 - призма ввода излучения в тонкопленочное покрытие, 4 - входящий луч света, 5 - выходящий пучок света, Л - линза, f - фокусное расстояние линзы, 6 - фокальная точка, n0, n1, n2, n3 - показатели преломления окружающей среды, тонкопленочного покрытия, пластины, призмы, соответственно; θ1 и θ2 - угол падения луча на поверхность тонкопленочного прозрачного покрытия изнутри и угол преломления луча на границе между тонкопленочным прозрачным покрытием и пластиной.Figure 1 - diagram of the path of the rays in a longitudinal section of an interference multi-beam filter according to the invention. Here 1 is a thin film transparent coating of a transparent
Фиг.2 - схема хода лучей в продольном сечении варианта интерференционного многолучевого светофильтра по изобретению. Здесь 7 - прозрачная пластина со скошенным краем, 8 - поверхность скошенного края, 9 - первый отраженный луч.Figure 2 - diagram of the path of the rays in longitudinal section of a variant of the interference multi-beam filter according to the invention. Here 7 is a transparent plate with a beveled edge, 8 is the surface of the beveled edge, 9 is the first reflected beam.
Фиг.3 - схема хода лучей в продольном сечении интерференционного многолучевого светофильтра, содержащего встроенную линзу. Здесь 10 - прозрачная пластина, 11 - цилиндрическая или сферическая линза.Figure 3 is a diagram of the path of the rays in a longitudinal section of an interference multi-beam filter containing an integrated lens. Here 10 is a transparent plate, 11 is a cylindrical or spherical lens.
В соответствии с фиг.1 входящее коллимированное излучение падает на грань призмы 3, отражается от второй грани и проходит в тонкослойное покрытие 1. Далее луч проходит покрытие, падает под углом θ1 на границу раздела покрытие-пластина, отражается под тем же углом и преломляется под углом θ2:In accordance with figure 1, the incoming collimated radiation falls on the face of the
Отраженный луч по ломаной траектории распространяется внутри тонкопленочного покрытия, при каждом падении на границу раздела покрытие-пластина луч отражается и преломляется. Коэффициент отражения может быть высоким в связи с близостью угла падения к углу полного внутреннего отражения на границе. При падении луча на границу тонкопленочного покрытия с внешней средой луч испытывает полное внутреннее отражение, так как выполняется условие:The reflected beam along a broken path propagates inside the thin-film coating; at each incident on the coating-plate interface, the beam is reflected and refracted. The reflection coefficient may be high due to the proximity of the angle of incidence to the angle of total internal reflection at the boundary. When the beam falls on the boundary of the thin-film coating with the external environment, the beam experiences total internal reflection, since the condition is satisfied:
где θкр - угол полного внутреннего отражения.where θ cr - the angle of total internal reflection.
Преломленные лучи собираются линзой Л и фокусируются в точку фокуса, так как они взаимно параллельны и интерферируют. При условии равенства разности фаз между соседними лучами величине, кратной 2π рад, наблюдается максимум при интерференции. Для световых лучей разной длины волны максимумы интерференции располагаются в фокальной плоскости линзы на разных расстояниях от оптической оси линзы, что позволяет, поставив в фокальной плоскости диафрагму со щелью или линейку фотодиодов, разделить световые потоки с различными длинами волн.The refracted rays are collected by the lens A and are focused at the focal point, since they are mutually parallel and interfere. If the phase difference between adjacent rays is equal to a multiple of 2π rad, a maximum is observed upon interference. For light rays of different wavelengths, interference maxima are located in the focal plane of the lens at different distances from the optical axis of the lens, which allows, by placing a diaphragm with a slit or a line of photodiodes in the focal plane, to separate light fluxes with different wavelengths.
В случае варианта интерферометра на фиг.2 излучение вводится через скошенный под острым углом край пластины 7. Поверхность 8 скошенного края должна быть плоской и полированной. Пройдя пластину, которая для падающего света аналогична призме 3 на фиг.1, световой луч попадает в тонкопленочное покрытие 1, в дальнейшем ход лучей аналогичен рассмотренному при описании фиг.1. Отличием является наличие отраженного от границы раздела луча 9 при первом проходе этой границы падающим лучом 4.In the case of the variant of the interferometer in figure 2, the radiation is introduced through the beveled at an acute angle edge of the
В случае, показанном на фиг.3, удаленный от места ввода излучения конец пластины 10 выполнен в виде цилиндрической или сферической положительной линзы 11, преломленные лучи этой линзой, как линзой Л на фиг.1, фокусируются; при такой конструкции интерферометра оптическая схема упрощается, нет необходимости в специальной линзе Л.In the case shown in FIG. 3, the end of the
Рассмотренное устройство отличается от прототипа тем, что световедущая часть устройства выполнена в виде двухкомпонентной конструкции; тонкопленочное покрытие может иметь толщину много меньше, чем в случае интерферометра Люммера-Герке, что позволяет увеличить свободный спектральный диапазон интерферометра на несколько порядков. Кроме того, излучение выходит из покрытия только через одну его поверхность, что вдвое увеличивает интенсивность вышедшего излучения. Существенно уменьшается длина интерферометра при одинаковых значениях разрешающей способности.The considered device differs from the prototype in that the light guide part of the device is made in the form of a two-component structure; a thin-film coating can have a thickness much less than in the case of the Lummer-Gercke interferometer, which allows increasing the free spectral range of the interferometer by several orders of magnitude. In addition, radiation leaves the coating only through one of its surfaces, which doubles the intensity of the emitted radiation. The length of the interferometer is substantially reduced at the same resolution values.
Разность фаз δ между соседними лучами в тонкопленочном покрытии, если пренебречь фазовым сдвигом, испытываемым светом при полном внутреннем отражении, определяется формулой:The phase difference δ between adjacent rays in a thin-film coating, if we neglect the phase shift experienced by the light at full internal reflection, is determined by the formula:
Порядок интерференции m определяется числом волн в оптическом пути, проходимым лучом за шаг излома траектории в тонкопленочном покрытии толщиной h, и формулой:The order of interference m is determined by the number of waves in the optical path traveled by the beam per step of kink of the trajectory in a thin-film coating of thickness h, and the formula:
Здесь λ0 - длина волны света в свободном пространстве. Учитывая, что θ2→0, можно по методике, предложенной в книге [Основы оптики, см. выше], получить формулу для свободной спектральной области:Here λ 0 is the wavelength of light in free space. Considering that θ 2 → 0, it is possible by the method proposed in the book [Fundamentals of Optics, see above] to obtain the formula for the free spectral region:
где K - слабо зависящий от длины волны коэффициент, близкий по величине к показателю преломления тонкопленочного покрытия.where K is a weakly wavelength-dependent coefficient close in magnitude to the refractive index of a thin-film coating.
Разрешающая сила интерференционного фильтра определяется с учетом (5) формулой:The resolving power of the interference filter is determined taking into account (5) the formula:
где l - расстояние по пластине между входом и выходом луча в тонкопленочное покрытие, δλ - спектральная полоса пропускания фильтра. При использовании тонкопленочного покрытия толщиной порядка длины волны, как следует из (5), можно иметь Δλ0≈λ0, при этом разрешающая сила интерферометра не зависит от толщины покрытия и остается такой же высокой, как у интерферометра Люммера-Герке.where l is the distance along the plate between the input and output of the beam into the thin-film coating, δλ is the spectral bandwidth of the filter. When using a thin-film coating with a thickness of the order of the wavelength, as follows from (5), it is possible to have Δλ 0 ≈λ 0 , while the resolving power of the interferometer does not depend on the coating thickness and remains as high as that of the Lummer-Gercke interferometer.
Особенностью многолучевого интерферометра по изобретению является тот факт, что при малой толщине тонкопленочного покрытия, сравнимой с длиной волны света, волна в нем распространяется, как в оптическом волноводе, и имеет модовую структуру. Это обстоятельство требует ввода излучения в тонкопленочное покрытие под таким углом, чтобы обеспечивалось совпадение направления луча в покрытии и направления моды.A feature of the multi-beam interferometer according to the invention is the fact that with a small thickness of a thin-film coating comparable to the wavelength of light, the wave propagates in it, as in an optical waveguide, and has a mode structure. This circumstance requires that the radiation be introduced into the thin film coating at an angle so that the beam direction in the coating coincides with the mode direction.
Для изготовления устройства по изобретению используются материалы и технология, применяемые в оптической промышленности. Для призмы можно использовать сапфир (n=1,75) или стекло ТФ (n=1,7-1,9), для тонкопленочного покрытия и пластины - стекло ТФ и плавленый кварц. Важным является изготовление оптических поверхностей призм и пластины с высокой степенью плоскостности.For the manufacture of the device according to the invention, materials and technology used in the optical industry are used. For a prism, you can use sapphire (n = 1.75) or TF glass (n = 1.7-1.9), for thin-film coatings and wafers - TF glass and fused silica. It is important to fabricate the optical surfaces of prisms and wafers with a high degree of flatness.
Приведенные объяснения показывают, что выполнение поставленной задачи может быть обеспечено описанными техническими решениями.The above explanations show that the fulfillment of the task can be ensured by the described technical solutions.
Техническим результатом изобретения является создание светофильтра, обладающего высоким разрешением, большой областью дисперсии.The technical result of the invention is the creation of a high-resolution light filter with a large dispersion region.
Изобретение может использоваться в оптике и оптоэлектронике - в качестве узкополосного светофильтра, в качестве диспергирующего устройства монохроматоров и спектрометров.The invention can be used in optics and optoelectronics - as a narrow-band filter, as a dispersing device of monochromators and spectrometers.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012110608/28A RU2515134C2 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Interference multibeam light filter (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012110608/28A RU2515134C2 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Interference multibeam light filter (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012110608A RU2012110608A (en) | 2013-09-27 |
RU2515134C2 true RU2515134C2 (en) | 2014-05-10 |
Family
ID=49253608
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012110608/28A RU2515134C2 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Interference multibeam light filter (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2515134C2 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110228279A1 (en) * | 2009-12-02 | 2011-09-22 | University Of Hawaii | Fabry-perot fourier transform spectrometer |
-
2012
- 2012-03-20 RU RU2012110608/28A patent/RU2515134C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110228279A1 (en) * | 2009-12-02 | 2011-09-22 | University Of Hawaii | Fabry-perot fourier transform spectrometer |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Борн М., Вольф Э. "Основы оптики", Москва, Наука, 1970, с.313,314. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012110608A (en) | 2013-09-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10801956B2 (en) | Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors | |
US20180356569A1 (en) | Reflecting prism for optical resonant cavity, and optical resonant cavity and spectral measurement instrument thereof | |
US8977086B2 (en) | Tapered waveguide coupler and spectrometer | |
CN103245996B (en) | A kind of array multispectral optical filter and preparation method thereof | |
US20130114079A1 (en) | Optical phase device, method and system. | |
US20140362374A1 (en) | Analyzing light by mode interference | |
US20150204723A1 (en) | Optical phase device, method and system | |
DK2929307T3 (en) | SPECTROMETER FOR ANALYZING A SPECTRUM SPECTRUM | |
US6219478B1 (en) | Light wave diffraction device | |
US20100014082A1 (en) | Angle limiting reflector and optical dispersive device including the same | |
JP2002169022A (en) | Optical element, spectroscopic device and integrated optical device using the same | |
JP5666496B2 (en) | Measuring device | |
RU2515134C2 (en) | Interference multibeam light filter (versions) | |
US20130120750A1 (en) | Optical phase device, method and system | |
RU2491584C1 (en) | Interference multibeam light filter (versions) | |
US20010033711A1 (en) | Light waveguide with integrated input aperture for an optical spectrometer | |
KR101466385B1 (en) | spectral module and method of manufacturing the same | |
US7130045B2 (en) | Monochromator and method of use | |
US7221491B2 (en) | Efficient multi-line narrow-band large format holographic filter | |
RU2477451C1 (en) | Multibeam interferometer | |
JP2001221688A (en) | Spectroscope | |
RU2534435C1 (en) | Reference diffractive optical element (versions) | |
Chesnokov et al. | Development of an interference filter model based on a total-internal-reflection resonator | |
JP2002267845A (en) | Optical element and spectroscope unit and polarized light separating device using the same | |
JPS62203024A (en) | Fabry-perot spectroscope |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190321 |