ДИФРАКЦИОННЫЙ РЕШЕТОЧНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к оптике, а именно к устройствам, позволяющим исследовать спектральный состав излучения, и может быть использовано в качестве прибора для измерения спектров оптических сигналов или прибора контроля различных физических процессов, например, контроль процессов горения, контроль процессов выплавки сплавов, и т.д.
Известно спектральный прибор (Тарасов К.И. Спектральные приборы. М.: Машиностроение, 1969, Глава 1, с. 15.), содержащее последовательно расположенные и оптически связанные конденсорные линзы, диафрагму, входной объектив, призму, выходной объектив и блок регистрации спектрометрической информации.
Призма разлагает падающий на нее параллельный пучок лучей от источника анализируемого излучения, сформированный конденсорными линзами, диафрагмой и входным объективом, на спектральные составляющие, которые фокусируются выходным объективом на блоке регистрации спектрометрической информации (например, фотопленке или ПЗС-линейке).
Недостатком указанного устройства является его низкая разрешающая способность, что является критичным в случае контроля, например, спектров атомов химических элементов, длины волн которых расположены близко друг к другу.
Известно устройство «Акустооптический анализатор спектра оптических сигналов» (Гусев, О.Б. Акустооптические измерения / О.Б. Гусев, В.В. Клудзин; М-во высш. и спец. образования РСФСР. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 148 с.), содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси коллимирующую систему, акустооптический модулятор, на который от блока формирования подается специально сформированный управляющий сигнал, камерный объектив с фокусным расстоянием F и блок регистрации спектра (точечный фотоприемник или щель с фотоэлектронным умножителем).
Параллельный пучок лучей от источника анализируемого излучения, сформированный коллимирующей системой, дифрагирует на акустической волне акустооптического модулятора, спектральные составляющие анализируемого излучения разделяются по направлению и затем фокусируются камерным объективом последовательно во времени на блоке регистрации спектрометрической информации
Недостатком устройства является его возможность работы лишь в +/-1 дифракционном порядке, что ограничивает его разрешающую способность. Кроме того, существует необходимость создания довольно сложного блока формирования управляющего сигнала, подаваемого на модулятор.
Известно устройство-прототип «Спектральный анализатор с одномерной дисперсией» (Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. - М.: Наука, 1979, Глава 1, с. 17), состоящий из последовательно расположенных на одной оптической оси коллимирующей системы, в которую входят объектив конденсора, щель и коллимирующий объектив, диспергирующей системы, выполненной в виде дифракционной решетки, и камерного объектива с фокусным расстоянием F, а также блока регистрации спектрометрической информации.
При освещении коллимирующей системы светом от исследуемого источника формируется параллельный пучок света, который падает на дифракционную решетку. Этот пучок дифрагирует на решетке, в результате чего спектральные составляющие света от исследуемого источника разделяются по направлению распространения и фокусируются камерным объективом на различных участках блока регистрации спектрометрической информации (ПЗС-линейке).
Недостатком устройства-прототипа является возможность работы только в +/-1 дифракционном порядке, т.к. интенсивность света в более высоких дифракционных порядках значительно уменьшается. При этом разрешающая способность дифракционного решеточного спектрального прибора улучшается пропорционально номеру дифракционного порядка [1].
Другим недостатком устройства-прототипа является отсутствие возможности проведения спектроскопических измерений оптических излучений от источников, непосредственный контакт спектральной аппаратуры с которыми либо невозможен, либо нежелателен.
Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание спектрального прибора, который позволит увеличить интенсивность света в высших дифракционных порядках (+/-2 и выше), а также позволит выполнять спектроскопические измерения излучений от источников, непосредственный контакт спектральной аппаратуры с которыми либо невозможен, либо нежелателен.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является увеличение разрешающей способности прибора, а также возможность проведения спектроскопических измерений излучений от источников, непосредственный контакт спектральной аппаратуры с которыми либо невозможен, либо нежелателен.
а
a
a
a
а
g
g
Указанный технический результат достигается тем, что в дифракционный решеточный спектральный прибор, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные диспергирующую систему, выполненную в виде дифракционной решетки, камерный объектив с фокусным расстоянием F, блок регистрации спектрометрической информации, дополнительно введена волоконно-оптическая система передачи анализируемых излучений, расположенная перед диспергирующей системой, а дифракционная решетка выполнена на оптически прозрачной подложке с нанесенными на нее штрихами в виде чередующихся параллельных друг другу прозрачных полос с шириной  и непрозрачных полос с шириной b и c, образующих в пределах одного периода решетки T последовательность по формуле: T=b++b++c+, причем ≤b<с.
Технический результат достигается за счет того, что формирование топологии дифракционной решетки с описанным в формуле изобретения расположением штрихов позволяет перераспределить дифрагированный свет между дифракционными порядками. При освещении прибора монохроматическим излучением с частотой ω' на входе блока регистрации спектрометрической информации формируется многопорядковая картина, которая описывается выражением [1]:
а
0
0
g
n
где α - коэффициент пропорциональности,  - временная спектральная частота, k - волновое число, Т(х)=Lx/2cF - время анализа, с - скорость света, F - фокусное расстояние линзы (камерного объектива), L - апертура решетки, T - период решетки, N - число учитываемых дифракционных порядков, С - коэффициенты разложения комплексного ряда Фурье функции прозрачности решетки T(ξ):
n
n
n
в которой n соответственно определяет соответствующий номер дифракционного порядка, . Таким образом каждый коэффициент С пропорционален интенсивности света в соответствующем дифракционном порядке, а присутствие множителя n в выражении  говорит о том, что разрешающая способность прибора кратно увеличивается с номером дифракционного порядка. Расположение штрихов согласно последовательности, описанной в формуле изобретения, приводит к тому, что коэффициенты С в разложении функции прозрачности решетки T(ξ) при n=+/-3, +/-4 оказываются больше коэффициентов С при n=+/-l, +/-2, следовательно, интенсивность +/-3, +/-4 порядков оказывается больше чем +/-1, +/-2. Это, соответственно, позволяет работать в высших дифракционных порядках и тем самым улучшает разрешающую способность прибора.
Применение волоконно-оптической системы передачи анализируемых излучений позволяет передавать анализируемое излучение на расстояние, измеряемое километрами и тем самым исключить непосредственный контакт прибора с источником излучения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, дифракционного решеточного спектрального прибора, отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
В настоящее время авторам не известны спектральные приборы на базе амплитудной дифракционной решетки, работающей в проходящем свете, с возможностью проведения спектроскопических измерений оптических излучений от источников, непосредственный контакт спектральной аппаратуры с которыми либо невозможен, либо нежелателен, и которые позволяли бы работать в высших дифракционных порядках (выше +/-2) с высоким разрешением и высоким уровнем интенсивности света.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленной полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - структурная схема дифракционного решеточного спектрального прибора, на фиг. 2 - пример топологии дифракционной решетки, и введены следующие обозначения:
1 - волоконно-оптическая система передачи анализируемого излучения;
1.1 - блок ввода оптического излучения в волокно;
1.2 - оптическое волокно;
1.3 - блок вывода оптического излучения из волокна;
2 - дифракционная решетка;
3 - камерный объектив;
4 - блок регистрации спектрометрической информации.
Дифракционный решеточный спектральный прибор содержит последовательно расположенные и оптически связанные волоконно-оптическую систему передачи анализируемого излучения 1, содержащую блок ввода оптического излучения в волокно 1.1, оптическое волокно 1.2, и блок вывода оптического излучения из волокна 1.3, и расположенные на одной оптической оси на одной оптической оси дифракционную решетку 2, камерный объектив 3 с фокусным расстоянием F, а также блок регистрации спектрометрической информации 4, расположенный в задней фокальной плоскости камерного объектива и оптически согласованный для работы в соответствующем дифракционном порядке (+/-2 и выше). Дифракционная решетка 2 может быть изготовлена путем напыления металла (например, хром) или другого оптически непрозрачного материала в виде штрихов в соответствии с заданной топологией на оптически прозрачную подложку (например, стекло).
Блок ввода оптического излучения в волокно 1.1 может быть выполнен, например, из сферической положительной фокусирующей линзы, помещенной в корпус, с системой котировочных винтов и возможностью перемещения линзы вдоль оптической оси для достижения максимальной эффективности ввода оптического излучения в волокно.
В качестве оптического волокна 1.2 может быть использовано стандартное оптическое волокно SMF-28 Ultra со стандартным разъемом типа FC фирмы Corning.
Блок вывода оптического излучения из волокна 1.3 может быть выполнен из сферической положительной фокусирующей линзы, помещенной в корпус, с системой котировочных винтов и возможностью перемещения линзы вдоль оптической оси для достижения максимальной эффективности вывода оптического излучения из волокна и формирования оптического пучка с заданными характеристиками.
Камерный объектив 3 может быть выполнен, например, из сферической положительной фокусирующей линзы с фокусным расстоянием F с применением системы коррекции аберраций, астигматизма и пр.
Блок регистрации спектрометрической информации 4 может быть реализован на базе ПЗС-линейки Toshiba TCD1304AP с дополнением электрической схемы сопряжения ПЗС-линейки и персонального компьютера для отображения спектрометрической информации в удобном для оператора виде. Возможно также использование готового блока регистрации спектрометрической информации, например, камеры линейного сканирования CCD-S3600-D(-UV) фирмы AlphaLas.
Устройство работает следующим образом: анализируемое оптическое излучение подается на вход волоконно-оптической системы передачи анализируемого излучения 1.
Блок ввода оптического излучения в волокно 1.1 вводит излучение в оптическое волокно 1.2, по которому анализируемое излучение передается на необходимое расстояние и поступает на блок вывода оптического излучения из волокна 1.3, который обеспечивает оптимальный вывод анализируемого излучения из волокна и формирование волнового пучка с необходимыми характеристиками для дальнейшего анализа спектра.
С выхода блока вывода оптического излучения из волокна 1.3 волновой пучок поступает на дифракционную решетку 2, где дифрагирует и спектральные составляющие разделяются по направлению. Спектральные составляющие анализируемого излучения фокусируются камерным объективом 3 на блок регистрации спектрометрической информации 4, в котором производится фотодетектирование сигнала, его цифровая обработка и вывод спектрометрической информации в удобном для оператора виде.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата дифракционным решеточным спектральным прибором обеспечивается применением дифракционной решетки 2 с топологией, описанной в формуле изобретения, а также волоконно-оптической системы передачи анализируемого излучения 1.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель, и прототип позволяет сделать вывод, что прототип не может обеспечить нужного разрешения при анализе спектров оптических излучений в высших дифракционных порядках, а также не позволяет производить спектроскопические измерения излучений от источников, непосредственный контакт спектральной аппаратуры с которыми либо невозможен, либо нежелателен. Следовательно, объект полезной модели существенно увеличивает круг возможного применения спектральных измерений в науке и технике.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной полезной модели выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее устройство - полезную модель при его осуществлении, предназначено для использования в области оптической спектрометрии, а именно проведения с улучшенной разрешающей способностью измерения спектра от источников излучений, непосредственный контакт спектральной аппаратуры с которыми либо невозможен, либо нежелателен в широком диапазоне длин волн источников оптических излучений;
- для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Использованные источники:
1. V.I. Kazakov, D.O. Moskaletz, O.D. Moskaletz. Alternative theory of diffraction grating spectral device and its application for calculation of convolution and correlation of optical pulse signals. Proc. SPIE. Vol. 9889, Optical Modelling and Design IV, 988924, 2016.