ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР И ДИСПЕРГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к спектрометрии в оптическом диапазоне длин волн. В частности, полезная модель может использоваться для оптико-эмиссионного и абсорбционного элементного и химического анализа различных веществ.
-4
В настоящее время в области оптической спектрометрии применяется ряд компактных спектроанализаторов, обеспечивающих достаточно высокое спектральное разрешение δλ/λ, ~10, где λ - длина волны анализируемого излучения, δλ - разрешаемая разность длин волн. В качестве детекторов излучения в современных приборах используются чувствительные элементы CCD (Charge-Coupled Device - прибор с зарядовой связью) и CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - комплиментарная структура металл-оксид-полупроводник). Обработка результатов измерения, осуществляемых с помощью спектрометров, может производиться с помощью как стационарных персональных компьютеров, так и карманных персональных компьютеров. За счет снижения габаритных размеров спектрометров появилась возможность спектральных измерений в полевых условиях, в производственных помещениях и в космических условиях.
Снижение габаритных размеров спектрометров, в частности, достигается за счет применения нанотехнологий. Так, например, в патенте US4923271 (МПК: G02B 6/34, опубликован 06.05.1990) описана конструкция оптического мультиплексора-демультиплексора. Прибор содержит диспергирующий элемент в виде каскада последовательно расположенных брэговских эллиптических отражателей (дифракционных решеток). Решетки нанесены на поверхность планарного оптического волновода методом микролитографии. Каждая из решеток селективно отражает оптическое излучение определенной длины волны в один из рабочих каналов прибора. Решетки имеют общий фокус на торцевой поверхности для входного канала излучения и расположены со смещением друг относительно друга. Вследствие этого выходные спектральные каналы излучения располагаются на том же торце волновода на определенных расчетных расстояниях от входного фокуса диспергирующего элемента. Эллиптические решетки размещены на поверхности волновода вдоль нормали к его торцевой поверхности в порядке возрастания их рабочих длин волн. В этом случае решетка, настроенная на самую короткую длину волны, располагается ближе к входному фокусу.
Данный прибор может работать в качестве диспергирующего элемента для ограниченного количества длин волн. Решетки на поверхности волновода пространственно разделены. В случае увеличения количества выходных спектральных каналов и, соответственно, количества анализируемых длин волн существенно увеличиваются габаритные размеры прибора. При этом оптическое излучение, распространяющееся по волноводу до решеток, наиболее удаленных от торцевой поверхности волновода, проходит значительный оптический путь. В результате этого возникают существенные потери излучения из-за поглощения в волноводе.
Следует также отметить, что изготовление оптических приборов большого размера представляет собой сложную техническую задачу вследствие ограниченной точности технологии микролитографии при увеличении пространственных масштабов, а также влияния на рабочие характеристики прибора неоднородностей волновода.
Наиболее близкими аналогами полезной модели являются голографический спектроанализатор и входящий в его состав диспергирующий элемент, которые описаны в статье V. Yankov at al: «Multiwavelength Bragg gratings and their application to optical MUX/DEMUX devices», IEEE Photonics Technology Letters, Volume 15, Issue 3, March 2003, pages 410-412. Известный оптический прибор основан на использовании суперпозиции эллиптических дифракционных решеток, образованных на рабочей поверхности планарного оптического волновода, в качестве диспергирующего элемента. Каждая из решеток селективно отражает входящее излучение в зависимости от длины волны. Перекрывающие друг друга решетки образуют цифровую планарную голограмму, которая отражает излучение, направляемое из входного канала, в селективные выходные каналы. Дифракционные решетки выполняются на поверхности оптического волновода со стороны кора, которая служит рабочей поверхностью волновода.
Используемый в приборе диспергирующий элемент позволяет увеличить количество выходных каналов без существенного увеличения габаритных размеров и значительных потерь излучения. Диспергирующий элемент спектроанализатора имеет один входной канала и до нескольких сотен выходных каналов. Спектроанализатор позволяет проводить спектральный анализ излучения со сложным спектральным составом. Входной и выходные каналы располагаются на одной торцевой части волновода.
i+1
i
Выходные каналы в количестве N размещены симметрично относительно входного канала: по N/2 каналов с каждой стороны относительно входного канала. Каждая группа из N/2 выходных каналов образована каналами, расположенными в порядке увеличения или уменьшения длины волны относительно входного канала. Расстояние между каналами в пространстве длин волн постоянно: Δλ=λ-λ (где i=1,…N-1, N - количество каналов). Диспергирующий элемент представляет собой цифровую планарную голограмму, состоящую из нескольких миллионов определенным образом ориентированных штрихов и канавок, нанесенных на поверхность волновода методом микролитографии.
Голографический спектроанализатор, содержащий диспергирующий элемент указанной выше конструкции, включает в свой состав детекторы анализируемого излучения в виде CCD или CMOS линеек. Известный спектроанализатор с симметричным расположением выходных каналов относительно центрального входного канала имеет определенные ограничения при использовании. Данные ограничения связаны с необходимостью распределения селективного выходного излучения и направления его на чувствительные элементы детекторов. Размеры существующих детекторов требуют относительно большого пространственного разделения входного и выходных каналов голограммы. В этом случае существенно ухудшаются рабочие характеристики голографического спектроанализатора.
Полезная модель направлена на обеспечение возможности требуемого пространственного разделения входного и выходных каналов голограммы для применения детекторов излучения в виде CCD или CMOS линеек.
Решение поставленной технической задачи позволяет снизить потери излучения при детектировании анализируемого излучения, повысить чувствительность спектроанализатора, уменьшить габаритные размеры прибора и упростить технологию изготовления прибора в целом.
Указанные технические результаты достигаются при использовании голографического спектроанализатора, содержащего диспергирующий элемент с цифровой голограммой, образованной эллиптическими дифракционными решетками на рабочей поверхности оптического волновода, выполненного с одним входным каналом излучения и, по меньшей мере, с двумя выходными спектральными каналами. В состав спектроанализатора входят детекторы излучения, оптически связанные с выходными спектральными каналами.
Каждая эллиптическая дифракционная решетка настроена на отражение излучения с определенной длиной волны и имеет два фокуса, один из которых совпадает с точкой пересечения оси входного канала излучения и торцевой плоскости волновода, а второй фокус совпадает с точкой пересечения оси одного из выходных спектральных каналов и торцевой плоскости волновода. Эллиптические дифракционные решетки выполнены и расположены на рабочей поверхности оптического волновода таким образом, что входной канал излучения и каждый выходной спектральный канал порознь ориентированы перпендикулярно двум торцевым плоскостям оптического волновода, расположенным под углом α по отношению друг к другу. Угол α между торцевыми плоскостями оптического волновода может выбираться в широком диапазонезначений: 0°<α<180°. Наиболее оптимальным диапазоном значений угла α является следующий: 90°<α<180°.
Расположение входного канала излучения и выходных спектральных каналов на различных торцевых плоскостях оптического волновода позволяет разместить линейку детекторов непосредственно вблизи торца волновода. Такое расположение детекторов обеспечивает наилучшие условия для приема излучения из выходных спектральных каналов с наименьшими потерями. Вследствие этого повышается чувствительность спектроанализатора.
Кроме того, при использовании диспергирующего элемента указанной конструкции существенно снижаются габариты спектроанализатора. Линейки детекторов CCD и CMOS типов устанавливаются в непосредственной близости от волновода. В частности, в случае применения оптического волновода с цифровой голограммой, выполненной на его рабочей поверхности при указанных выше условиях, обеспечивается удобное расположение входного и выходных каналов на различных торцевых плоскостях волновода. За счет этого линейка детекторов может быть присоединена к оптическому волноводу.
В частных случаях реализации полезной модели эллиптические дифракционные решетки могут быть образованы на рабочей поверхности оптического волновода методом микролитографии.
Выходные спектральные каналы располагаются на торцевой плоскости оптического волновода преимущественно на равном расстоянии относительно друг друга в порядке увеличения или уменьшения длин волн излучения. Детекторы излучения могут быть расположены напротив выходных спектральных каналов на равном расстоянии относительно друг друга.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера реализации в виде голографического спектроанализатора с диспергирующим элементом. На прилагаемом чертеже (см. фиг.1) схематично изображен вид оптического прибора в аксонометрии.
c
b
b
c
Голографический спектроанализатор содержит диспергирующий элемент с цифровой голограммой 1, образованной эллиптическими дифракционными решетками на рабочей поверхности оптического волновода. Волновод, в котором образован диспергирующий элемент, включает в свой состав кор 2, поверхность которого является рабочей поверхностью волновода. Материал кора 2 имеет показатель преломления n. Нижний кладинг 3 волновода выполнен из материала с показателем преломления n, при этом выполняется условие: n<n. На нижней части волновода размещена подложка 4.
1
2
Волновод выполнен с двумя торцевыми плоскостями, расположенными под углом α=130° по отношению друг к другу. Величина угла α выбрана из диапазона оптимальных значений: 90°<α<180°. Входной канал 5 излучения, предназначенный для ввода анализируемого излучения, ориентирован перпендикулярно к одной торцевой плоскости волновода и расположен на расстоянии D от линии пересечения торцевых плоскостей. Выходные спектральные каналы 6 ориентированы перпендикулярно второй торцевой плоскости волновода и расположены на расстоянии D от линии пересечения торцевых плоскостей.
1
N
1
N
i+1
i
1
2
Выходные спектральные каналы 6 расположены на торцевой плоскости оптического волновода на равном расстоянии относительно друг друга в порядке увеличения длин волн излучения от λ до λ (λ<λ). Линейка детекторов излучения 7 расположена напротив выходных спектральных каналов 6. Детекторы излучения 7 установлены на равном расстоянии ρ относительно друг друга. Расстояние между ближайшими выходными спектральными каналами 6 постоянно в пространстве длин волн: Δλ=λ-λ, где i=1,…N-1, N - количество каналов. Расстояния D и D, а также величина угла α определяются в зависимости от габаритных размеров линейки детекторов излучения 7.
i
i
i
Цифровая голограмма 1 представляет собой суперпозицию N эллиптических дифракционных решеток, каждая из которых настроена на отражение излучения с определенной длиной волны λ (i=1,…N) и имеет два фокуса. Первый фокус решетки, отражающей излучение с длиной волны λ, совпадает с точкой пересечения оси входного канала 5 излучения с торцевой плоскостью волновода. Второй фокус данной решетки совпадает с точкой пересечения оси выходного спектрального канала 6, через который проходит излучение с длиной волны λ, и торцевой плоскости волновода.
Эллиптические дифракционные решетки, образующие цифровую планарную голограмму 1, выполнены на рабочей поверхности оптического волновода методом микролитографии в виде наноструктуры, состоящей из нескольких миллионов определенным образом ориентированных штрихов и канавок.
1
2
3
Процесс образования на рабочей поверхности волновода цифровой голограммы в общем случае осуществляется следующим образом. На первом этапе создания цифровой голограммы 1 вычисляется двумерная генерирующая функция А(х, у), которая определяет размер, структуру и расположение голограммы на рабочей поверхности оптического планарного волновода. Генерирующая функция вычисляется и оптимизируется при фиксированных размерах D, D и ρ. В процессе вычисления и оптимизации определяются угол α и расстояние D от входного торца волновода до цифровой голограммы 1. За счет этого достигается фокусировка излучения в выбранном направлении выходных спектральных каналов 6.
Второй этап создания цифровой голограммы состоит в бинаризации двумерной генерирующей функции А(х,у) в форму двоичных кодов. Бинаризация осуществляется путем введения пороговой величины для генерирующей функции. Координатам (х, у), при которых значение генерирующей функции А(х,у) больше пороговой величины, присваивается значение «1», а координатам (х', у'), при которых значение функции А(х,у) меньше пороговой величины, присваивается значение «0». В результате бинаризации рассчитывается цифровая двумерная генерирующая функция В(х,у), принимающая на поверхности волновода значение «0» либо «1».
На третьем этапе создания голограммы функция В(х,у) преобразуется в функцию С(х,у), которая характеризует размеры и пространственную ориентацию совокупности стандартных литографических штрихов и канавок на рабочей поверхности. Микролитографическое нанесение наноструктуры голограммы на поверхность волновода осуществляется в соответствии с рассчитанной функцией С(х,у).
Цифровая планарная, изготовленная методом микролитографии в соответствии с указанными выше условиями, позволяет осуществить сборку диспергирующего элемента с линейкой детекторов излучения 7, которая расположена в непосредственной близости от торца волновода с выходными каналами 6.
Работа голографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента осуществляется следующим образом.
Анализируемое излучение фокусируется на торец волновода, в той его части, где находится входной канал 5, и направляется вдоль оси входного канала 5. С помощью диспергирующего элемента происходит селективное отражение излучения, поступающего из входного канала 5, в дискретно расположенные выходные спектральные каналы 6. Цифровая голограмма 1 диспергирующего элемента осуществляет спектральную селекцию анализируемого излучения, приходящего на нее из входного канала 5, расположенного на одном торце оптического волновода, и фокусирует излучение в выходные каналы 6, расположенные на другом торце волновода. При этом торцевые плоскости оптического волновода, на которых расположены входной канал 5 и выходные спектральные каналы 6, пересекаются под углом α.
i
Из выходных каналов 6 излучение попадает на линейку детекторов излучения 7, установленных напротив торца волновода. В каждом детекторе излучения 7, расположенном на заданном расстоянии ρ от близлежащего детектора линейки, фиксируется интенсивность излучения соответствующего выходного спектрального канала 6. Измеренному значению интенсивности излучения с соответствующей ему длиной волны λ присваивается цифровое значение. Далее полученные в цифровом виде данные об интенсивности излучения в зависимости от длины волны спектра анализируемого излучения обрабатываются с помощью процессора в соответствии с заранее заданным алгоритмом вычислений.
За счет расположения входного канала 5 излучения и выходных спектральных каналов 6 на различных торцевых плоскостях оптического волновода линейка детекторов излучения 7 размещается непосредственно у торца волновода. Возможность такого расположения элементов спектроанализатора обеспечивает наилучшие условия для приема селективного излучения с наименьшими потерями, что позволяет повысить чувствительность прибора.
Полезная модель может использоваться в спектрометрии (в оптическом диапазоне длин волн) в составе компактных спектрометров различных конструкций. Полезная модель может также применяться в области лазерной техники, в частности, в системах волоконно-оптической связи.