3.4. Преобразователи спектральных характеристик и параметров

Основные виды спектральных измерений — это измерения спектральной плотности излучения источников (спектрорадиометрия), спектральной чув­ствительности ОЭИП (фотометрия и радиометрия), спектральных коэффи­циентов пропускания, отражения, яркости (спектрофотометрия и колоримет­рия) [20]. Остановимся на основных принципах преобразования спектра изме­ряемого оптического излучения с целью согласования с параметрами ОЭИП.

Любой метод спектральных измерений основан на разложении входного излучения в спектр, которое условно можно представить в виде «спектрально­го развертывания» интенсивности лучистого потока по шкале длин волн. Оно осуществляется с помощью оптического диспергирующего элемента, на основе которого строится соответствующий измерительный прибор — монохроматор или полихроматор.

В классической спектрометрии используют три способа разложения оп­тического излучения в спектр [20]: призменный, дифракционный и интер­ференционный. Последний обеспечивает возможность наиболее детального исследования спектра, например, определения контура узкой линии. Однако при спектральных измерениях немонохроматических лучистых потоков необ­ходимо перед использованием интерференционного способа предварительно выделить достаточно узкий спектральный участок с помощью другого спек­трального прибора. При работе с лазерным излучением этого, как правило, не требуется, интерференционный способ используется непосредственно (по крайней мере, при анализе излучения газовых лазеров).

Таким образом, для разложения в спектр измеряемого излучения можно использовать хорошо известную, зависящую от длины волны преломляющую способность призмы, присущее дифракционной решетке свойство разложе­ния в спектр падающего на нее излучения или же формирование на выходе интерферометра картины с характерными максимумами и минимумами ин­тенсивности, функционально связанными с длиной волны. Первые два эле­мента составляют основу соответственно призменного или дифракционного монохроматора, а интерференционные преобразователи находят применение главным образом в спектроскопии высокого разрешения и в лазерной спек­трометрии при использовании различных схем интерферометров.

Для изучения и измерения спектральных параметров лазерного излучения применяются двухлучевые и многолучевые интерферометры. К числу послед­них относятся интерферометры Фабри-Перо, со сферическими зеркалами, конфокальные и интерферометр Физо.

Вместе с тем, при построении фотометров и радиометров, которые будут рассмотрены далее, достаточно часто применяется простейший способ вы­деления узкого по спектру («монохроматического») излучения из сложного состава излучения того или иного источника с помощью оптического фильтра (светофильтра в видимой части спектра).

Оптический фильтр обычно представляет собой плоскопараллельную пла­стину из стекла или другого прозрачного и селективно поглощающего мате­риала, на которую с одной стороны падает сложное по составу излучение ис­точника, а с другой выходит излучение, содержащее только часть падающего, относящуюся к «узкой» спектральной области [23]. Монохроматизация излу­чения не является единственной задачей, которую решают с помощью опти­ческих фильтров. Их также широко применяют для формирования заданной спектральной характеристики преобразования фотометра или радиометра. Спектральная характеристика представлена на. рис. 3. 4, где по оси ординат отложен спектральный коэффициент пропускания  фильтра. Наибольший коэффициент пропускания фильтра  приходится на длину волны , а спек­тральная ширина полосы пропускания фильтра характеризуется разностью длин волн: . Здесь  и  — те длины волн, которым соответствуют коэффициенты пропускания . Разность  называется шириной полосы пропус­кания фильтра (раньше  называли полушириной полосы).

Те участки спектральной кривой ко­эффициента пропускания фильтра, кото­рые лежат вне полосы, иногда называют крыльями кривой. Этим участкам соот-

ветствуют малые коэффициенты пропускания, и действием прошедшего через них излучения обычно можно пренебречь [23].

Естественно, что, чем болите коэффициент пропускания фильтра, тем выше его качество. Что же касается ширины полосы пропускания , то в её оценке приходится учитывать назначение фильтра.

 

Рис. 3. 4. Спектральная пропускная ха­рактеристика оптического фильтра

 

В тех случаях, когда оптический фильтр предназначен для выделения по возможности чистых монохроматических излучений, ширина должна быть достаточно мала. В дру­гих случаях приходится считаться с тем, что, чем меньше ширина полосы пропускания фильтра, тем меньше пропущенный им поток излучения и тем труднее его регистрировать.

Оптические фильтры изготовляются из цветного стекла, из окрашенных жидкостей, налитых в плоскопараллельные кюветы, из окрашенной пластмас­сы или других селективно поглощающих материалов. В последние десятиле­тия стали все шире распространяться особого рода многослойные оптические фильтры, действие которых основано на интерференции лучей, многократно отражающихся и проходящих через тонкие слои прозрачных материалов. Подбирая показатели преломления, толщины и число этих слоев, можно полу­чать различные фильтры с почти произвольными спектральными свойствами. В сложных случаях интерференционные оптические фильтры могут состоять из 10, 20 и даже более отдельных слоев, что позволяет технологу придать спектральной характеристике фильтра заранее заданный вид.

Следует добавить, что из-за специфики явления интерференционные опти­ческие фильтры нередко имеют дополнительные области пропускания в более или менее отдаленных участках спектра, которые могут мешать их основному действию. В некоторых случаях эти нежелательные области пропускания удается устранить, комбинируя интерференционные фильтры с фильтрами абсорбционными. Надо также учитывать, что спектральная характеристика интерференционного фильтра зависит от угла падения луча на его поверх­ность, в связи с чем в приборах эти фильтры следует помещать в «парал­лельные» пучки света, т. е. в пучки с малым угловым расхождением. Угол 4-5° между осью пучка и его краевыми лучами можно в большинстве случаев считать допустимым.

Наряду с неперестраиваемыми оптическими фильтрами в оптической ра­диометрии, при выполнении прецизионных измерений, все более популярными становятся перестраиваемые по спектру фильтры.

В качестве примера рассмотрим принцип действия, основные свойства и возможности использования в эталонной оптической радиометрии фильтра Лио (Lyot) [24].

Фильтр Лио представляет собой интерференционно-поляризационный фильтр. Линейно поляризованное излучение пропускается сквозь двулуче-преломляющую среду, ориентированную таким образом, что интенсивности прошедших обыкновенного и необыкновенного лучей равны друг другу, но между ними образуется оптическая разность хода Г, порождающая фазовый сдвиг , зависящий от длины волны :

Затем излучение проходит сквозь поляризационный анализатор, ориенти­рованный параллельно направлению линейной поляризации падающего из­лучения, в результате чего возникает пропускание, зависящее от , т. е., в конечном счете, от . Излучение с длинами волн (  — целое число) практически не претерпевает поглощения, а с длинами волн — поглощается достаточно сильно. Фильтр Лио состоит из множества после довательно собранных каскадов, каждый из которых вносит запаздывание (фазовый сдвиг) г, в результате i-й каскад фильтра обладает запаздыванием

Излучение с такой длиной волны  проходит сквозь фильтр без потерь, в то время как остальной поток режектируется одним или несколькими каска­дами, как показано на рис. 3. 5 [24]. Обычно такие фильтры изготавливаются с использованием кристаллического кварца или кальцита, в качестве двулу-чепреломляющего материала, и пленочных поляризаторов. В описываемом фильтре Лио кварцевые или кальцитовые фазовые пластины перемежают­ся жидкокристаллическими (ЖК) волновыми пластинами с изменяющими­ся параметрами. В результате получаются двулучепреломляющие элементы с электроуправляемым запаздыванием, что позволяет перестраивать фильтр.

Рис. 3. 5. Пропускание 3-х каскадного фильтра Лио (б), составленного из трех индивидуаль­ных фильтров (а)

 

Рассмотрим i-й каскад фильтра Лио. Если номинальное запаздывание Г изменяется и становится равным , то соответственно сдвигается и дли­на волны излучения, проходящего без затухания, от  к А + ДА:

И наоборот, для перестройки i-го каскада фильтра на интервал  необ­ходимо приращение запаздывания

.

Таким образом, пропускание каждого каскада варьируется путем юстиро­вания ЖК элемента, и запаздывание Г изменяется в пределах , где  — диапазон перестройки ЖК ячейки, а  — запаздывание, вноси­мое фиксированной фазовой пластинкой из кварца или кальцита. В обычно применяемых фильтрах . Поскольку , то ширина линии на половине максимума интенсивности, (Full width at half maximum, FWHM)

Где — центральная длина волны для панной полосы.

Если Г > 0, 18 , то знаменатель положителен, а при  он достигает значения 2Г, что соответствует реальным, описываемым в [24] фильтрам, которых . Следовательно, при перестройке такого фильтра, FWHM изменяется пропорционально .

Рассмотрим более подробно принцип действия ЖК ячейки, поясняемый рис 3. 6. Ячейка состоит из двух стеклянных, оптически полированных подло­жек покрытых с внутренней стороны прозрачным электродом из оловянно-индиевого оксида. Кроме того, внутренняя поверхность обработана таким образом, чтобы главная ось подложки приобрела нужную ориентацию, спо­собствующую вводимым затем в ячейку нематическим кристаллам найти состояние наименьшей энергии при выравнивании вдоль этой оси.

 

Рис. 3. 6. Действие электрического поля на ЖК ячейку

 

Жидкие кристаллы характеризуются достаточно высоким, но несовер­шенным кристаллографическим порядком. Поскольку в используемых для построения фильтров жидких кристаллах оптическая и электрическая анизо­тропия положительны, поляризуемость оказывается наибольшей вдоль моле­кулярной оси.

Из рис. 3. 6 видно, что свет, поляризованный вдоль кристаллографической оси (вектор Е расположен в плоскости страницы), вызывает большую поля­ризуемость, чем поляризованный поперек нее (перпендикулярно странице). Следовательно, для необыкновенного луча показатель преломления будет большим, чем для обыкновенного. Этот эффект сказывается сильнее, когда к ячейке не приложен сигнал.

Электрическое поле можно создать с помощью прозрачных электродов. Ячейка представляет собой плоский конденсатор. Вектор напряженности электрического поля................ параллелен вектору направленного распространения световой волны. Положительная электрическая анизотропия ЖК молекул означает, что наведенный дипольный момент Р подвержен воздействию мо­мента силы , вынуждающего молекулы выстраиваться вдоль поля, Эта ориентация зависит от . Справа на рис. 3. 6 показан отклик ячейки на относительно слабое приложенное к ней электрическое поле.

Описанная ячейка полностью эквивалентна одноосному кристаллу с по­ворачивающейся кристаллографической осью. Поэтому при наложении электрического поля двулучепреломление ячейки уменьшается и, соответственно, сокращается запаздывание. Именно этот эффект составляет основу принципа действия ЖК перестраиваемого фильтра.

Построенные на этом принципе ЖК ячейки перекрывали диапазон длин волн от 350 нм до 2, 2 мкм. Их пропускание при нанесении антиотражающего покрытия превосходило 98%. Диапазон перестройки запаздывания дости­гал 1, 7 мкм, что было вполне достаточным для создания перестраиваемых фильтров в видимом диапазоне спектра. Неоднородность запаздывания по площади апертуры ячейки с высоким оптическим качеством подложки не превышала 0, 16 % или  на одной длине волны. Ячейки, изготовленные из менее качественного, но более дешевого стекла, демонстрировали простран­ственные вариации запаздывания по площади апертуры порядка .

Более серьезной проблемой оказалась неравномерность распределения пропускания по площади апертуры. На внутреннюю грань стекла нанесены не­сколько слоев покрытий, включая прозрачный электрод. Несогласованность значений показателя преломления материалов покрытий приводит к возник­новению переотражений на границах слоев. К этому добавляются вариации толщин слоев, в результате чего возникает интерференция, выражающаяся в неравномерности пропускания по площади эффективной апертуры. В зави­симости от А глубины интерференционных полос оказываются в пределах от 0, 7 до 2 %.

В совокупности с другими факторами, включая деградацию ЖК структу­ры, искажение волнового фронта, потери на поглощение, деполяризационное рассеяние и др., на качество ЖК ячейки и, соответственно, перестраивае­мого фильтра влияет выбор материала и надлежащей толщины подложки.

Показателем достигнутого к насто-\ ящему времени реального качества ЖК ячейки для перестраиваемого^7 фильтра следует считать значение погрешности введения запаздывания порядка .

Несомненный интерес представ­ляют перспективы применения по­добных фильтров в оптической ра­диометрии. В [24] сообщается, что были изготовлены несколько типов ЖК фильтров, в т. ч. перестраивае­мый фильтр для работы в диапазоне I длин волн от 1, 0 до 1, 65 мкм с FWHM 10 нм. Его спектральная характери­стика изображена на рис. 3. 7. В види-

мом диапазоне длин волн ширина полосы пропускания фильтра равнялась 14 нм, диапазоны перестройки находились в пределах 340-780 нм и 420-850 нм.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: