УСТРОЙСТВО СПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR SPECTRAL SELECTION OF OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к оптическим интерференционным системам, предназначенным для селекции полезного светового излучения, и может быть использовано в системах регистрации оптического (в частности, лазерного) излучения в качестве селектирующего устройства, например, в лидарах, дальномерах, в устройствах лазерной локации.
Известна оптическая схема спектральной селекции оптического (в частности, лазерного) излучения на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо (ИФП) (патент РФ №02091732, опубл. 27.09.1997), содержащего клиновидные зеркальные пластины, связанные с системой приводов, задающих пластинам определенное относительно корпуса движение. Интерферометр обеспечивает возможность селекции продольных мод излучения лазеров.
При вхождении оптического излучения в интерферометр Фабри-Перо под углом возможно значительное ослабление полезного сигнала.
Второй недостаток состоит в том, что при использовании интерферометра Фабри-Перо в качестве средства спектральной селекции излучения в условиях фоновой засветки для достижения приемлемого соотношения сигнал/фон необходимо использовать специально изготовленные зеркала. Такие зеркала имеют необходимый коэффициент отражения в селектируемом диапазоне длин волн, для существенной доли фонового излучения, выходящей за пределы этой спектральной области, необходимо применение дополнительного средства спектральной селекции, например интерференционного фильтра.
Известен также дисперсионный лазерный дальномер, в котором оптическое устройство спектральной селекции лазерного излучения, подобное вышеназванному (патент РФ на изобретение №2353901, опубл. 27.04.2009) (прототип), содержит расположенные вдоль оптической оси входную оптическую систему (образована входным объективом) и согласованное с ней в общем оптическом тракте средство спектральной селекции. Средством селекции служит также интерференционный фильтр. Оптическая селективная система обеспечивает возможность регистрации с удовлетворительным качеством слабого лазерного излучения в условиях невысокого уровня фоновой засветки. Однако при решении задач, связанных с регистрацией слабого излучения в условиях значительной фоновой засветки, недостаток системы состоит в неудовлетворительном подавлении фонового сигнала по причине того, что интерференционный фильтр в недостаточной степени ослабляет фоновую засветку, что делает неприемлемым использование системы из-за низкого соотношения сигнал/фон в этих условиях.
Заявляемая система будет способствовать решению ряда задач, связанных с необходимостью регистрации оптического излучения в условиях высокой фоновой засветки, например, регистрация отраженного лазерного сигнала на фоне рассеянного в атмосфере солнечного излучения.
Технический результат состоит в повышении соотношения сигнал/фон при регистрации слабого излучения в условиях значительной фоновой засветки.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного оптического устройства спектральной селекции оптического излучения, содержащего расположенные вдоль оптической оси входную оптическую систему и согласованное с ней в общем оптическом тракте средство спектральной селекции, в предложенном устройстве использовано средство спектральной селекции на основе интерферометра Фабри-Перо, причем оптическая система, расположенная перед интерферометром Фабри-Перо, обеспечивает формирование параллельного хода лучей на входе в интерферометр.
Оптическое устройство может отличаться тем, что между входным объективом и интерферометром Фабри-Перо расположен интерференционный фильтр.
Оптическое устройство может отличаться тем, что за интерферометром размещен вспомогательный объектив, формирующий ход лучей на выходе из интерферометра.
В оптическом устройстве интерферометр Фабри-Перо может быть установлен с возможностью отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы. При этом отклонение интерферометра может быть обеспечено посредством переходников или соединительных элементов, исключающих попадание оптического излучения в оптический тракт.
Физическая основа заявляемой системы такова.
Интерферометр Фабри-Перо - спектральный прибор, представляющий собой две пластины с плоской зеркальной поверхностью с коэффициентом отражения r, расположенные параллельно. Интерферометр можно рассматривать как светофильтр, выделяющий только ту часть оптического излучения, которая удовлетворяет условию целочисленности m, количества длин волн, укладывающихся на расстоянии между зеркалами, определяемом согласно формуле:
<mrow><mn>2</mn><mi>d</mi><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mi>m</mi><mi>λ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где d - расстояние между зеркалами, φ - угол падения излучения на зеркала интерферометра, λ - длина волны излучения.
Таким образом, интерферометр пропускает только оптическое излучение определенных длин волн. На выходе интерферометра имеем излучение, спектральное распределение которого представляет собой набор узких линий пропускания, отстоящих друг от друга по спектру на определенный интервал длин волн. Чтобы выделить одну линию, в систему добавляют блокирующий фильтр с узкой полосой пропускания, отсекающий соседние спектральные «пики».
Регулируя расстояние между зеркалами d или угол падения излучения φ, можно настроить интерферометр так, чтобы пик пропускания интерферометра соответствовал оптическому излучению, в частности лазера, а остальное излучение отражалось. На этом и основан предлагаемый метод выделения слабого рабочего сигнала и ослабления фоновой засветки.
Поскольку регистрируемое излучение в рамках поставленной задачи будет иметь очень низкую интенсивность, необходимо направить как можно больше квантов в фотоприемное устройство (фоторегистратор), то есть "захватывать" кванты с как можно большей апертуры при помощи входного объектива. На выходе объектива будет сходящийся пучок, что не является проблемой при использовании интерференционного фильтра. Но его замена на интерферометр Фабри-Перо для сходящегося пучка приводит к появлению потерь излучения. Они обусловлены тем, что для значительной части лучей, падающих на интерферометр, условие максимума (1) не выполняется, и эти лучи отражаются. Предложенная система позволяет преодолеть обозначенные проблемы, так как, согласно заявляемому техническому решению, входная оптическая система, расположенная перед интерферометром, включая входной объектив, а также возможные оптические элементы, входящие в состав средства спектральной селекции, формирует параллельный ход лучей на входе в интерферометр.
Таким образом, заявляемое оптическое устройство спектральной селекции оптического излучения содержит совокупность элементов, а именно: входную оптическую систему и средство селекции на основе интерферометра Фабри-Перо. Отличительная особенность устройства состоит в следующем.
Выбор в качестве основного элемента средства селекции лазерного излучения интерферометра Фабри-Перо обусловлен в соответствии с вышеприведенным обоснованием его работы способностью интерферометра данного типа обеспечивать селекцию оптического излучения очень узкого спектрального диапазона.
В этом случае при выборе состава элементов входной оптической системы принципиальным является требование обеспечения формирования системой параллельного пучка света на входе в интерферометр. Это приведет к повышению соотношения сигнал/фон, в частности, при регистрации слабого излучения в условиях значительной фоновой засветки.
Введение за интерферометром в состав устройства селекции оптического излучения вспомогательного объектива, формирующего ход лучей на выходе из интерферометра, может быть полезно с точки зрения формирования безабберационного изображения на фоторегистраторе. Так как выходная оптическая система концентрирует полезное излучение в фокусе, она позволяет повысить интенсивность полезного сигнала и в некоторых случаях повысить соотношение сигнал/фон.
Спектральное пропускание интерферометра, кроме основного максимума, имеет также несколько боковых. Поэтому интерферометр в ряде случаев используется в паре с интерференционным фильтром, который позволяет подавить излучение нежелательных длин волн (боковых максимумов пропускания).
Размещение в одном из вариантов реализации перед интерферометром Фабри-Перо интерференционного фильтра приводит к следующему. Поскольку интерферометр Фабри-Перо осуществляет необходимую спектральную селекцию только в небольшом спектральном диапазоне, используемый интерференционный фильтр подавляет фоновое излучение, выходящее за пределы спектральной области селекции интерферометра. Это приводит к улучшению соотношения сигнал/фон в широком спектральном диапазоне.
Если интерферометр Фабри-Перо установлен в оптической системе с возможностью отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы, то посредством поворота, обеспечивающего осуществление юстировки, производится подстройка интерферометра на пропускание необходимой длины волны излучения. При этом возможность отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы может быть обеспечена посредством переходников или соединительных элементов (исключающих попадание света), что облегчает юстировку элементов системы.
На фиг.1 схематично изображено реализованное устройство спектральной селекции оптического излучения, где 1 - входная оптическая система; 2 - интерференционный фильтр; 3 - интерферометр Фабри-Перо; 4 - вспомогательный объектив; интерферометр встроен в оптический тракт посредством переходников 5 с резиновыми прокладками; стрелка показывает направление к фоторегистратору; в состав входной оптической системы входит телескоп (входной объектив) 6 и мениск 7.
На фиг.2 представлено изображение и график рабочего сигнала с ослабленным фоновым излучением.
Осуществлено экспериментальное подтверждение возможности регистрации лазерного излучения в условиях значительной фоновой (дневной) засветки.
Для обеспечения условия параллельности хода лучей на входе в интерферометр Фабри-Перо в реализованном устройстве спектральной селекции оптическая система, предшествующая интерферометру, включала в себя телескоп 6; а также мениск 7. Используемый в паре с интерференционным фильтром 2 основной элемент средства спектральной селекции - интерферометр Фабри-Перо 3 представлял собой две стеклянные плоскопараллельные пластины с коэффициентом отражения R и расстоянием ними d. От величин R и d зависит степень ослабления фонового излучения.
Были применены специально изготовленные зеркала с коэффициентом отражения R=90% и шероховатостью поверхности, не превышающей 3 нм. Это привело к достаточно большому значению коэффициента пропускания рабочего излучения данного интерферометра Фабри-Перо (приблизительно 90%) на длине волны 1315 нм. Расстояние между пластинами d=0,3 мм обеспечивалось при помощи инварового кольца. Интерферометр был встроен в оптический тракт с помощью переходника 4 с резиновой прокладкой, обеспечивающего возможность отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы для настройки системы регистрации в целом.
При регистрации лазерного излучения в условиях засветки входная оптическая система 1, расположенная перед интерференционным фильтром 2, формирует параллельный ход лучей. Далее лазерное излучение, пройдя интерференционный фильтр 2, частично отфильтровывается от фона. Пройдя интерферометр 3, оставшееся излучение претерпевает дополнительную селекцию, обеспечивая повышение соотношения сигнал/фон. Затем вспомогательный объектив 4 формирует ход лучей, необходимый для последующей фоторегистрации. Спектральная ширина пропускания реализованной системы составляла 0,03 нм. По сравнению с прототипом соотношение сигнал/фон выросло приблизительно в 20 раз.
Таким образом, заявленная совокупность признаков, касающаяся выбора средства спектральной селекции на основе интерферометра Фабри-Перо, а также требования, предъявляемые к входной оптической системе, предшествующей интерферометру, касающиеся обязательности формирования параллельного хода лучей на входе в интерферометр, и ряд конкретных усовершенствований устройства, приводит к повышению соотношения сигнал/фон при регистрации слабого излучения в условиях значительной засветки, а также обеспечивает удобство настройки системы регистрации в целом.