ДВОЙНОЙ АКУСТИЧЕСКИЙ МОНОХРОМАТОР НА ОДНОМ КРИСТАЛЛЕ
DOUBLE ACOUSTIC MONOCHROMATOR ON SINGLE CHIP

Изобретение относится к области определения физико-химических характеристик материалов, а именно - к прикладной оптике, и может быть использовано в акустооптических спектрометрах, газоанализаторах и в спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния.
Известны различные конструкции акустооптических монохроматоров (US, патент №3756689, опубл. 1973 г.; US, патент №4052121, опубл. 1977 г.; SU, авторское свидетельство №1340395, опубл. 1988 г; SU, авторское свидетельство №1406554, опубл. 1988 г.; US, патент №4720177, опубл. 1988 г.; US, патент №5329397, опубл. 1994 г.; RU, патент №2169936 С2, опубл. 2001 г.).
Акустооптические монохроматоры относятся к перестраиваемым оптическим фильтрующим устройствам, которые предназначены для выделения из широкополосного спектрального светового потока части излучения, лежащей в узкой спектральной области - полосе пропускания. Акустооптические монохроматоры характеризуются функцией пропускания Т(λ), которая определяет коэффициент пропускания света на любой длине волны λ. Отношение величины полезного сигнала на выходе монохроматора, пропорционального интегралу по полезной полосе пропускания (обычно между первыми нулями главного лепестка полосы пропускания), к величине паразитного светового сигнала, пропорционального интегралу по остальной части регистрируемого спектра, можно назвать спектральным контрастом монохроматора. Он зависит от наличия и величины боковых лепестков полосы пропускания, паразитных полос и фонового широкополосного просачивания излучения из-за деполяризации и рассеяния в веществе и поверхности акустооптической ячейки. Для узкополосных фильтров таким образом определяемый контраст обычно составляет величину около единицы. Т.е. сигнал равен фону, хотя коэффициент пропускания за полосой пропускания очень низкий, благодаря широкой относительной полосе регистрации фонового сигнала и, соответственно, большому накопленному интегральному значению, фон становится значительным. Монохроматор с более высоким спектральным контрастом обеспечивает более низкий уровень излучения, регистрируемого вне полосы пропускания, и соответственно лучшее качество фильтрации, а в применении к задачам спектрометрии более высокую точность измерения спектра.
Следует отметить также, что характерный масштаб функции пропускания, в частности расстояние между нулями, определяется такими параметрами акустооптического фильтра, как разность показателей преломления кристалла Δn, из которого он выполнен, длиной акустооптического взаимодействия L, а также геометрией акустического взаимодействия, определяемой углами между световым и звуковым пучками. Все эти параметры являются фиксированными для каждого акустооптического фильтра и определяются его конструкцией.
4
Известен (Мазур М.М. и др.. Двойной акустооптический монохроматор на CaMoO; Оптика и спектроскопия, том 67, вып.3, 1989 г.; Мазур М.М. и др. Спектрометр с двойным акустооптическим монохроматором; Оптика и спектроскопия, том 81, вып.3, 1996 г.) двойной акустооптический монохроматор, содержащий два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого АО фильтра оптически связан с оптическим входом второго АО фильтра. Двойная монохроматизация излучения, при которой излучение пропускают последовательно через пару одинаковых акустооптических фильтров фильтров, позволяет повысить спектральный контраст, поскольку подавление паразитных, боковых и фоновых сигналов происходит второй раз, в то время как основной лепесток полосы пропускания ослабляется при высоком коэффициенте передачи (70%-100%) незначительно.
Известен (Harris S.E. Nich CaMoO electronically tunable optical filter. - Appl. Phys. Lett., 1970, v.17, №5, p.223-225) коллинеарный акустооптический фильтр, состоящий из последовательно расположенных на одной оптической оси первой поляризационной призмы, первой компенсирующей призмы, светозвукопровода из монокристалла группы шеелита, ориентированного вдоль направления [100] нормали входной и выходной грани которого лежат во взаимноортогональных плоскостях, с прикрепленными к светозвукопроводу пьезопреобразователем и поглотителем звука, вторых компенструющей и поляризационных призм.
Недостатками известного акустооптического фильтра следует признать наличие значительного уровня сигнала от паразитных окон пропускания.
Известен также (RU, патент 2258206, опубл. 2005) акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений, содержащий первый акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным, и элемент для компенсации дисперсии, установленный по ходу светового луча за первым акустооптическим фильтром, причем выход первого акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом элемента для компенсации дисперсии, причем в качестве элемента для компенсации дисперсии использован второй акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным с геометрической формой и с кристаллом, идентичными упомянутому первому акустооптическому фильтру, причем второй акустооптический фильтр установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 177-183° вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого акустооптического фильтра.
Недостатком известного акустооптического фильтра следует признать сложность его конструкции и настройки.
Известен также (RU, патент 2244779, опубл. 2004) двойной акустооптический монохроматор, содержащий два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом второго акустооптического фильтра, причем один из акустооптических фильтров выполнен с полосой пропускания в 1,35-1,55 раз шире, чем другой акустооптический фильтр, что обеспечивает лучшее подавление боковых лепестков полосы пропускания.
Недостатком известного акустооптического фильтра следует признать сложность его конструкции, изготовления и настройки. Акустооптические фильтры, установленные последовательно друг за другом, должны иметь идентичные частоты управления и должны устанавливаться относительно друг друга с высокой точностью по углу ориентации во избежание ухудшения параметров системы из-за несовпадения полос пропускания или ухудшения параметров контраста из-за взаимной разориентации. Как правило, это вызывает необходимость применения специальных технологических приемов изготовления и настройки таких систем.
Известный двойной акустооптический монохроматор в дальнейшем будет использован в качестве ближайшего аналога разработанного технического решения.
Техническая задача, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в создании двойного акустооптического монохроматора, который может быть использован в акустооптических спектрометрах, газоанализаторах и в спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в упрощении производства и наладки двойного акустооптического монохроматора за счет изготовления только одной ячейки вместо двух, двух поляризаторов вместо трех-четырех и соответственных котировочных и настроечных приспособлений, вдвое уменьшает энергопотребление монохроматора при том же коэффициенте передачи при сравнимом спектральном контрасте, присущем двойному монохроматору и количество технологических операций при производстве прибора.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать двойной акустооптический монохроматор на одном кристалле разработанной конструкции. Двойной акустооптический монохроматор содержит установленные по ходу оптического луча часть первого входного поляризатора, акустооптическую ячейку, второй поляризатор, поворотную призму, установленную с возможностью возврата оптического луча в соседнюю часть второго поляризатора, затем в соседнюю часть указанной акустооптической ячейки и затем, в часть первого поляризатора, выполняющего функцию выходного поляризатора. В качестве поляризаторов могут быть использованы поляризационные призмы Глана и любые другие поляризационные приспособления, не искажающие прямой ход луча. Акустооптическая ячейка может быть выполнена из парателлурита, молибдата кальция, кристаллического кварца или любого другого материала с эффектом анизотропной акустооптической дифракции.
Двойной акустооптический монохроматор на одном кристалле работает следующим образом.
1
2
Входной луч полихроматического света, сформированный по размеру и угловой апертуре (расходимости) внешним устройством, проходит через часть (примерно /) первого поляризатора и приобретает линейную поляризацию. Поляризованное полихроматическое излучение проходит через часть (1/2) линейной апертуры ячейки, где при наличии ультразвуковой волны соответствующей частоты и мощности, узкополосная часть излучения меняет свою поляризацию на перпендикулярную. Все излучение проходит через ячейку и попадает на часть второго поляризатора, где не изменившее свою поляризацию излучение поглощается. Проходит второй поляризатор только часть излучения, претерпевшая узкополосную дифракцию на ультразвуке с поворотом плоскости поляризации и направления на угол дифракции и малая паразитная часть основного потока, либо изменившая поляризацию на дефектах кристалла и поверхности, либо недостаточно поглощенная поляризатором. Поворотная призма точно по направлению возвращает прошедший, уже узкополосный, луч опять на второй поляризатор, но в другую его часть, соседнюю, где луч дополнительно очищается и поляризуется от фонового излучения. Прошедший луч попадает опять в ячейку, но противоположно по направлению первого процесса дифракции и в другую, соседнюю область ячейки, где претерпевает еще одну узкополосную дифракцию на ультразвуке с поворотом плоскости поляризации и направления. В результате двух процессов дифракции для узкой части спектра происходит возврат к прежнему состоянию поляризации и к чисто противоположному направлению распространения. Излучение из ячейки попадает на вторую часть первого поляризатора и проходит его, дополнительно очищаясь от паразитных сигналов и фона. Надо отметить, что благодаря объединенной сдвоенной конструкции поляризаторов обеспечивается точная ориентировка осей частичных монохроматоров без усложнения конструкции, а использование одной ячейки с одним звуковым потоком и чисто противоположным распространением лучей света обеспечивает бесподстроечное совпадение частот взаимодействия двух процессов диффракции двойного монохроматора и, соответственно, устройства подстройки частот взаимодействия. Кроме того, в качестве дополнительного преимущества, отсутствуют вторая система возбуждения ультразвука, вторая система поглощения ультразвука, соответственно вдвое уменьшается потребление энергии двойным монохроматором и количество технологических операций при изготовлении прибора.
Использование разработанного устройства удешевляет и упрощает производство и наладку двойного акустооптического монохроматора за счет изготовления только одной ячейки вместо двух поляризаторов вместо трех-четырех и соответственных котировочных и настроечных приспособлений, вдвое уменьшает энергопотребление монохроматора при том же коэффициенте передачи при сравнимом спектральном контрасте, присущем двойному монохроматору и количество технологических операций при производстве прибора.