Устройство для фильтрации спектров оптических сигналов

Полезная модель относится к оптоэлектронике, оптике и приборостроению и касается устройства для фильтрации спектров оптических сигналов.
1
2
Устройство предназначено для фильтрации спектральных компонент оптического сигнала, а именно для запрета прохождения на выход устройства излучения с определенной длиной волны λ и для пропускания излучения с другой длиной волны λ.
Известны устройства для разделения и фильтрации компонент спектра оптического сигнала: многослойные диэлектрические интерференционные фильтры, окрашенные стекла, поглощающие излучение в области определенных длин волн оптического излучения, но пропускающие излучение в другой области длин волн, спектральные приборы с использованием дифракционных решеток. Эти устройства являются аналогами предлагаемой полезной модели, [В.В. Лебедева. Экспериментальная оптика. // Иэд. Московского университета. 1984 г.].
Многослойный интерференционный фильтр состоит из большого количества диэлектрических слоев с различными показателями преломления, он имеет высокий коэффициент пропускания в определенной области длин волн, но низкий коэффициент передачи вне полосы пропускания. Изготовленный многослойный фильтр невозможно перестроить на другую длину волны, что является недостатком этого устройства.
Цветные окрашенные стекла имеют определенные полосы длин волн пропускания и полосы поглощения, однако цветные стекла также не имеют возможности перестройки длин волн полос поглощения и пропускания, что является их недостатком.
Наиболее близкий аналог (прототип) предлагаемого устройства - это устройство фильтрации оптического сигнала, состоящее из дифракционной решетки и пространственного фильтра, который расположен в первом или в одном из высших дифракционных порядков, которые образованы после взаимодействия коллимированного оптического пучка с дифракционной решеткой [В.В. Лебедева. Экспериментальная оптика. // Иэд. Московского университета. 1984 г.].
Устройство - прототип работает следующим образом. В результате взаимодействия с дифракционной решеткой оптическое излучение распадается на дифракционные порядки, при этом каждой длине оптической волны соответствует определенное направление излучения в выбранном дифракционном порядке. С помощью пространственного фильтра выделяют определенную область длин волн в пространственном спектре оптического сигнала в выбранном дифракционном порядке и попускают на выход только эту область спектра. Недостатком устройства - прототипа является невысокий коэффициент передачи мощности с входа на выход, т.е. невысокая эффективность дифракционной решетки. Так, например, у амплитудной дифракционной решетки максимальная дифракционная эффективность, т.е. отношениие мощности в первом порядке дифракции к мощности входного излучения составляет порядка 10%, а у плоской фазовой дифракционной решетки максимальная дифракционная эффективность составляет порядка 35-40%.
Технический результат полезной модели, схема которой изображена на фигуре 1, заключается в повышении коэффициента передачи мощности оптического излучения с входа устройства на его выход при фильтрации определенных длин волн оптического излучения. При этом в отличие от других устройств - аналогов предлагаемая полезная модель имеет возможность перестройки спектральной характеристики фильтра, т.е. изменения положения областей длин волн, которые соответствуют минимальному и максимальному коэффициенту передачи излучения с входа устройства на его выход.
Р
Р
Технический результат достигается тем, что в устройстве применена зеркально отражающая рельефная периодическая дифракционная структура 2 с прямоугольным профилем рельефа поверхности в форме меандра 7, с глубиной рельефа Н, которая превышает половину длины волны входного оптического излучения λ, т.е. Н>0,5λ, имеющая высокий коэффициент отражения поверхности. Период Λ дифракционной структуры значительно больше длины волны оптического излучения, при этом обычно Λ>10λ. Рельефная периодическая дифракционная структура закреплена на поворотной платформе 3, которая установлена на неподвижном основании 6 и связана с механизмом поворота 4 платформы 3, который предназначен для регулировки величины угла падения входного светового пучка от источника 1 на дифракционную структуру 2, а пространственный фильтр 5 расположен в отраженном от дифракционной структуры 2 пучке излучения таким образом, чтобы выделить нулевой порядок в дифракционном пучке после отражения падающего оптического пучка от дифракционной структуры 2, при этом линии рельефа дифракционной структуры параллельны плоскости падения входного оптического пучка.
П
Ф
Пространственный фильтр представляет собой непрозрачный экран с отверстием, пропускающим пучок только нулевого порядка дифракции, при этом пучки первых и высших порядков не пропускаются пространственным фильтром, а разделение дифракционных порядков осуществляется за счет естественного расхождения дифракционных пучков в пространстве. Для надежного разделения дифракционных порядков должны выполняться следующие условия: поперечный размер оптического пучка D в направлении попек линий дифракционной структуры должен быть в несколько раз (практически более, чем в 3-4 раза) больше периода дифракционной структуры, а расстояние L от отражающей дифракционной структуры до пространственного фильтра должно составлять:
з
з
где k - коэффициент запаса составляет порядка k≥2.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения от источника излучения (от лазера) 1 направляют на поверхность отражательной дифракционной структуры, которая составлена из канавок с прямоугольной формой профиля с формой типа «меандр», с одинаковой шириной выступов и впадин. Диаметр пучка во много раз (типично в 10-20 раз) больше периода этой дифракционной структуры. Поскольку отражение лазерного пучка происходит от рельефа с прямоугольным профилем типа «меандр», волновой фронт отраженного пучка имеет пространственную фазовую модуляцию прямоугольной формы, типа «меандр». В результате отражения лазерного пучка от рельефа с глубиной Н, глубина пространственной фазовой модуляции волнового фронта выражается формулой:
а амплитуда пространственной фазовой модуляции волнового фронта, которая равна половине глубины фазового рельефа, выражается формулой:
0
Мощность излучения в нулевом порядке дифракции Р зависит от глубины отражательной дифракционной решетки и определяется следующим соотношением [.В.А. Комоцкий, Ю.М. Соколов, А.Н. Алексеев, Е.В. Басистый. Исследование оптоэлектронного датчика угловых смещений на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решетки // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика - 2009 - №4 - С95-104]:
ВХ
R - коэффициент отражения, Р - мощность входного излучения, падающего на дифракционную рельефную решетку.
0
Максимумы зависимости Р(Н) соответствуют условию , а из этого следует условие, при котором наблюдаются максимумы мощности отраженного излучения в нулевом дифракционном порядке:
0
Минимумы зависимости Р(Н) соответствуют условию , а из этого следует условие, при котором наблюдаются минимумы мощности отраженного излучения в нулевом дифракционном порядке:
Зависимость мощности дифракционного пучка нулевого порядка от угла падения Θ для структуры с глубиной рельефа Н=2λ приведена на фигуре 2.
Число минимумов на этой кривой равно 4, оно зависит от отношения γ=(Н/λ), и равно 2γ.
ВХ
Если выбрать некоторый угол падения Θ и зафиксировать его, то зависимость коэффициент передачи мощности излучения с входа устройства на выход нулевого порядка дифракции от длины волны будет выражена соотношением:
В качестве примера рассмотрим фильтр на основе дифракционной структуры с относительной глубиной γ=(Н/λ)=2, который не пропускал бы на выход излучение с длиной волны гелий - неонового лазера λ=0,633 мкм. Положим, что глубина рельефной структуры составит Н=2λ=1,266 мкм.
min
Рассчитаем значение Θ для γ=(Н/λ)=2, пользуясь следующей формулой, полученной из формулы (6):
P
ВX
min1
P
0
ВХ
BX
Положив n=3, получим; . Это одно из возможных значений углов падения, при котором коэффициент передачи k мощности излучения с длиной волны λ=0,633 мкм с входа на выход устройства равен нулю. Установим угол падения входного излучения равным расчетному углу Θ=Θ=29°. Зависимость нормированного коэффициента передачи мощности k=Р/(Р⋅R) с входа на выход устройства от длины волны, рассчитанная при условии Н=1,266 мкм, при Θ=29° приведена на фигуре 3,
На этой зависимости можно видеть полосы подавления некоторых длин волн и полосы пропускания других длин волн. Один из минимумов расположен на длине волны λ=0,633 мкм. При этом в минимумах нормированный коэффициент передачи равен нулю, а в максимумах нормированный коэффициент передачи равен 1. Реальный коэффициент передачи в максимумах равен коэффициенту отражения излучения поверхности рельефной структуры, и он может быть близок к 1, если рельеф покрыт металлической пленкой с высоким коэффициентом отражения, например, пленкой серебра, которая имеет коэффициент отражения более 90% в области длин волн более 400 ангстрем.
Пример практической реализации фильтра.
2
1
2
1
Поставим практическую задачу отфильтровать спектральную линию излучения аргонового лазера λ=0,514 мкм от другой сильной линии λ=0,488 мкм. При этом коэффициент передачи мощности излучения с входа на выход устройства на длине волны λ=0,514 мкм должен быть максимальным , близким к единице, а коэффициент передачи на длине волны λ=0,488 мкм должен быть минимальным , близким к нулю.
2
1
Рассмотрим некоторые соотношения, используя которые можно приближенно оценить необходимую глубину рельефной структуры. Найдем отношение длин волн, соответствующих максимальному и минимальному значениям коэффициента передачи мощности излучения с входа на выход устройства: λ/λ=0,514/0,488=1,0532.
Далее запишем соотношение длин волн, соответствующих максимальному и минимальному коэффициентам передачи устройства из формул (5) и (6), с учетом того, что угол падения в этих формулах будет один и тот же: приравняв углы падения в формулах (5) и (6), получим: . Отсюда следует соотношение для оценок:
2
1
Из соотношения (9) следует, что если взять значение n=10, то получим отношение , что очень близко к отношению λ/λ=1,0532 для заданных выше длин волн аргонового лазера. Далее, если приять условие n=10, то глубина рельефа должна составлять порядка 6 длин волн. Действительно, если γ=(Н/λ)=6, то максимальное число n должно удовлетворять условию: n≤2γ-0,5, которое следует из того, что аргумент функции в формуле (6) не может быть больше единицы, т.е. получаем: n≤11. При этом допускается как выбор как n=11, так и выбор n=10.
1
Для построения фильтра выберем глубину рельефа Н=3 мкм. и n=10. Затем найдем угол, при котором коэффициент передачи для излучения с длиной волны λ=0,488 мкм будет минимальным (равным нулю). Положив число n=10, получим в соответствии с формулой (8) следующее значение угла падения:
2
При этом же значении угла падения коэффициент передачи мощности излучения устройства на второй длине волны λ=0,514 мкм в соответствии с формулой (4) составит:
2
Как видно, коэффициент передачи мощности на длине волны λ=0,514 мкм близок к 100%.
Зависимость коэффициента передачи мощности от длины волны излучения в диапазоне длин волн от 0,42 мкм до 0,55 мкм приведена на фигуре 4.
P
Ф
В результате поведенных расчетов параметры конструкции фильтра, построенного по схеме, изображенной на фигуре 1, будут следующими. Рельефная структура имеет глубину Н=3 микрометра. Если выбрать Λ=50 мкм и при размере лазерного пучка 2 мм расстояние L составит: что приемлемо для практики.
Р
Ф
Выбор периода рельефной структуры Λ не является критичным, он влияет на величину расстояния L от рельефной структуры до диафрагмы пространственного фильтра, которая определяется формулой (1).
Рельеф может быть изготовлен на подложке из стекла методом химического травления поверхности подложки через маску из фоторезиста, а затем рельеф следует покрыть отражающей пленкой из серебра или алюминия.
1
Установка расчетного угла падения осуществляется с реально достижимой точностью за счет поворота платформы 3, а затем угол падения может быть скорректирован по критерию минимальной мощности излучения на длине волны λ=0,488 мкм на выходе устройства.