УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ СПЕКТРОВ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и оптоэлектроники и предназначена для фильтрации оптического излучения в видимом и ближнем инфракрасном излучении.
Из существующего уровня техники известен аналог данного технического решения, именуемый как устройство для фильтрации спектров оптических сигналов. [Патент РФ №2018107980, 05.03.2018. Устройство для фильтрации спектров оптических сигналов // Патент России №181381 U1. 2018./ Комоцкий В.А., Соколов Ю.М., Суетин Н. В.].
Устройство содержит дифракционную решетку постоянной глубины, расположенную на поворотной платформе, а также пространственный фильтр. Дифракционная решетка представляет собой зеркально отражающую рельефную периодическую дифракционную структуру с постоянной глубиной рельефа, имеющей высокий коэффициент отражения, с прямоугольной формой рельефа меандрового типа, с постоянной глубиной рельефа Н, превышающей длину волны входного оптического излучения λ. Отражающая рельефная периодическая дифракционная структура установлена на поворотной платформе, которая связана с механизмом регулировки угла падения светового пучка. Плоскость падения светового пучка на отражающую рельефную периодическую дифракционную структуру параллельна линиям рельефа дифракционной структуры.
Устройство работает следующим образом. На дифракционную решетку под углом θ падает оптическое излучение лазера параллельно направлению рельефа решетки. После отражения от рельефной периодической дифракционной структуры с помощью пространственного фильтра выделяется только нулевой порядок дифракции, пространственный фильтр расположен на фиксированном расстоянии, достаточном для того, чтобы выделить отдельно пучки нулевого и высших порядков дифракции. Коэффициент мощности излучения в нулевом порядке дифракции, зависящий от глубины отражающей дифракционной структуры и от угла падения входного оптического пучка, должен соответствовать максимальному значению для выделения наиболее интенсивной спектральной линии излучения, перекрыв при этом другие спектральные линии. Технический результат заключается в повышении коэффициента передачи мощности оптического излучения с входа устройства на его выход при фильтрации определенных длин волн оптического излучения путем изменения угла падающего пучка.
Недостатком устройства для фильтрации спектров оптических сигналов является ограниченный диапазон работы устройства, обусловленный фиксированной глубиной отражающей рельефной периодической дифракционной структуры.
Наиболее близким по технической сущности является пространственный фильтр для лазерного излучения и устройство для формирования лазерного излучения дифракционного качества с его использованием [Долгополов И.С. Оптический фильтр на основе глубокой рельефной структуры переменной глубины / Долгополов И.С., Петрова М.С., Сюй А.В. // Сборник трудов XI Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики -2019». -2019. С. 103-105.].
Устройство содержит дифракционную решетку переменной глубины, расположенную на поворотной платформе, а также пространственный фильтр. Дифракционная решетка представляет собой зеркально отражающую рельефную периодическую дифракционную структуру с переменной глубиной рельефа, имеющей высокий коэффициент отражения, с прямоугольной формой рельефа меандрового типа, с четырьмя зонами, на каждую из которых нанесены линии рельефа с определенными глубинами рельефа, превышающими длину волны входного оптического излучения. Отражающая рельефная периодическая дифракционная структура установлена на поворотной платформе, которая связана с механизмом регулировки угла падения светового пучка, а также связана с механизмом движения рельефной структуры для изменения глубины решетки, которая имеет разные значения в каждой из четырех зон. Плоскость падения светового пучка на отражающую рельефную периодическую дифракционную структуру параллельна линиям рельефа дифракционной структуры.
Устройство работает следующим образом. На дифракционную решетку под углом θ на одну из четырех зон с фиксированной глубиной рельефа падает оптическое излучение, которое расположено параллельно линиям рельефа решетки. Далее при отражении от рельефной структуры с помощью пространственного фильтра выделяется нулевой порядок дифракции. С помощью заранее рассчитанных показателей фильтра излучение настраивается на рассчитанную частоту. Коэффициент мощности излучения в нулевом порядке дифракции, зависящий от глубины отражающей дифракционной структуры и от угла падения входного оптического пучка, должен соответствовать максимальному значению для выделения наиболее интенсивной спектральной линии излучения, перекрыв при этом другие спектральные линии. Технический результат заключается в повышении коэффициента передачи мощности оптического излучения с входа устройства на его выход при фильтрации определенных длин волн оптического излучения с изменением не только угла падения входного излучения, но и за счет дискретного изменения глубины рельефа дифракционной решетки.
Недостатком устройства является ограниченный (дискретный) набор выделяемых спектральных линий, обусловленный ступенчатым изменением глубинной регулярной дифракционной структуры.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является повышение коэффициента передачи мощности оптического излучения с входа устройства на его выход с увеличенным количеством выделяемых отдельных спектральных линий.
Данная техническая задача решается за счет того, что оптический фильтр выполнен с использованием глубокой рельефной структуры (дифракционной решетки) переменной линейной глубины, изменяющейся по линейному закону.
Устройство для фильтрации спектров оптических сигналов (Фиг. 1) содержит дифракционную решетку (2) переменной глубины с линейно изменяющейся глубиной рельефа (Фиг. 2), расположенную на поворотной платформе (4), а также пространственный фильтр (3). Дифракционная решетка представляет собой зеркально отражающую рельефную периодическую дифракционную структуру с переменной линейной глубиной рельефа, имеющей высокий коэффициент отражения, с прямоугольной формой рельефа меандрового типа, на которую нанесены линии рельефа с линейно изменяющейся глубиной рельефа, превышающими длину волны входного оптического излучения. Отражающая рельефная периодическая дифракционная структура закреплена на поворотной платформе, которая установлена на неподвижном основании (7) и связана с механизмом регулировки угла падения (5) светового пучка (1) на поворотной платформе, а также связана с механизмом движения (6) рельефной структуры для линейного изменения глубины решетки. Плоскость падения светового пучка на отражающую рельефную периодическую дифракционную структуру параллельна линиям рельефа дифракционной структуры.
Устройство работает следующим образом. На дифракционную решетку под углом θ на в определенную зону с фиксированной глубиной рельефа падает оптическое излучение, которое расположено параллельно линиям рельефа решетки. С помощью заранее рассчитанных показателей фильтра по формуле (1) излучение настраивается на рассчитанную частоту.
р
р
р
р
где к- коэффициент мощности излучения; Н - глубина рельефа в точке падения входного излучения; λ - длина волны излучения; θ - угол падения входного излучения.
Коэффициент мощности излучения в нулевом порядке дифракции, зависящий от глубины отражающей дифракционной рельефной структуры и от угла падения входного оптического пучка, должен соответствовать максимальному значению для выделения наиболее интенсивной спектральной линии излучения, перекрыв при этом другие спектральные линии. Коэффициент наиболее интенсивной спектральной линии должен быть близок к 1, а коэффициент другой стремиться к нулю. Тем самым уравнение (1) для наиболее интенсивной спектральной линии приобретает следующий вид:
р
Выводим переменную λ для обоих случаев:
р
р
Например, при параметрах: глубина рельефа Н=6 мкм, угол падения пучка θ=58,5° можно настроить входное излучение на необходимую частоту так, чтобы выделить одну наиболее интенсивную спектральную линию излучения, а другие перекрыть. В видимом диапазоне излучения длины волн при данных параметрах соответствуют значениям:
1
1
2
2
При этом спектральная линия с длиной волны λ=0,57 мкм и частотой v=525,9 ТГц имеет максимальную интенсивность, а спектральная линия с длиной волны λ=0,6 мкм и частотой v=454,2 ТГц перекрывается. На фиг. 3 на графике демонстрируется перекрытие наиболее интенсивной спектральной линией другой, менее интенсивной.
р
Р
Данное устройство можно применять не только в диапазоне видимого света, но и также в инфракрасном диапазоне. Перенастроив устройство на параметры: глубина рельефа Н=6 мкм, угол падения пучка θ=30,4°, можно настроить входное излучение в инфракрасном диапазоне на необходимую частоту так, чтобы выделить одну наиболее интенсивную спектральную линию излучения, а другие перекрыть. В инфракрасном диапазоне излучения длины волн при данных параметрах соответствуют значениям:
1
1
2
2
В данном случае, спектральная линия с длиной волны λ=1,38 мкм и частотой v=217,2 ТГц имеет максимальную интенсивность, а спектральная линия с длиной волны λ=0,9 мкм и частотой v=333,1 ТГц перекрывается. На фиг. 4 на графике демонстрируется перекрытие наиболее интенсивной спектральной линией другой, менее интенсивной.
Технический результат заключается в увеличении количества выделяемых отдельных спектральных линий с повышенным коэффициентом передачи мощности оптического излучения с входа устройства на его выход за счет плавного изменения глубины дифракционной решетки и изменения угла падающего пучка. При различных углах падения нулевые коэффициенты передачи фильтра соответствуют разным длинам волн. Меняя угол падения входного излучения и глубину рельефа, можно изменять отраженные частотные характеристики оптического излучения с максимальным коэффициентом передачи (близким к единице) в широком спектральном диапазоне.
Преимуществом заявляемого устройства для фильтрации оптического излучения является то, что глубина дифракционной решетки изменяется по линейному закону, обеспечивая тем самым множество выделяемых отдельных спектральных линий с повышенным коэффициентом передачи мощности оптического излучения с входа устройства на его выход, что позволит точнее настраивать входное излучение.