СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО СМЕЩЕНИЯ ПОЛОСЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО-ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ФИЛЬТРА
METHOD OF COMPENSATING FOR THERMAL BIAS OF INTERFERENTIAL-POLARISATION FILTER BAND

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.
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.
<mrow><mo>∓</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>0037</mn><mover><mi>A</mi><mi>o</mi></mover></mrow>
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
, что соответствует появлению ложного сигнала в лучевой скорости порядка 180 м/сек (для линии Fel 6173Å). Требуемая точность измерений должна быть в 5-10 раз выше ложного сигнала, тогда при этом точность термостатирования должна быть порядка ±0,001°C. Такую точность не может обеспечить электронный термостат, поэтому в аналоге [2], одновременно с термостатированием, положение полосы пропускания регулируемых элементов корректируют между измерениями. В регулируемые элементы фильтра вместо рабочего исследуемого пучка временно вводят пучок от искусственного источника света. Пучок, после прохождения элементов, выводят на спектрограф, где визуально наблюдают полосу пропускания фильтра и вращением полуволновых пластинок корректируют положение полосы пропускания регулируемых элементов. Однако, между корректировками полосы во время измерения лучевых скоростей, температура фильтра может измениться, и из-за неточного термостатирования происходит смещение полосы пропускания как в нерегулируемых, так и в регулируемых элементах.
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.
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.
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.
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.
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.
Целью изобретения является компенсация температурного смещения полосы пропускания фильтра.
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.
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.
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.
Существо изобретения поясняется рисунками 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.
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.
Предлагаемый способ компенсации температурного смещения реализуют следующим образом.
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.
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.
2
2
2
o
e
o
e
o
e
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=Acosπ(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 I=cosπ(µd/λ+α/90°+β/90°) - сплошная линия; интенсивность е-луча I=sinπ(µd/λ+α/90°+β/90°) - пунктирная линия. Распределения интенсивности в о- и е-лучах представляют собой дополнительные спектры (I+I=1). Когда максимумы в спектрах обоих лучей расположены симметрично относительно опорной линии (рисунок 2), I=I.
o
e
o
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 I≠I. Сразу же, не допуская изменения температуры элемента, поворачивают полуволновую пластинку 7 источника 5 до равенства сигналов I=I 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.
Ниже описан, опробованный нами, пример реализации способа температурной компенсации.
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.
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°.
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.
Цитированная литература
[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.
[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.
[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.
[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.