ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР С НЕЛИНЕЙНОЙ ДИСПЕРСИЕЙ И ДИСПЕРГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к спектрометрии в оптическом диапазоне длин волн. В частности, полезные модели могут использоваться для оптико-эмиссионного и абсорбционного элементного и химического анализа различных веществ.
-4
В настоящее время для спектрального анализа излучения применяется ряд компактных спектроанализаторов, обеспечивающих достаточно высокое спектральное разрешение δλ/λ~10, где λ - длина волны анализируемого излучения, δλ - разрешаемая разность длин волн. В качестве детекторов излучения в современных приборах используются чувствительные элементы CCD (Charge-Coupled Device - прибор с зарядовой связью) и CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor комплиментарная структура металл-оксид-полупроводник). Обработка результатов измерения (спектрального анализа) может производиться с помощью как стационарных персональных компьютеров, так и карманных персональных компьютеров. За счет снижения габаритных размеров спектрометров появилась возможность спектральных измерений в полевых условиях, в производственных помещениях и в космических условиях.
В патенте US4923271 (МПК: G02B 6/34, опубликован 06.05.1990) описана конструкция оптического мультиплексора-демультиплексора. Прибор содержит диспергирующий элемент в виде каскада последовательно расположенных брэговских эллиптических отражателей (дифракционных решеток). Решетки нанесены на поверхность планарного оптического волновода методом микролитографии. Каждая из решеток селективно отражает свет определенной длины волны в один из рабочих каналов прибора. Решетки имеют общий фокус на торцевой поверхности для входного канала излучения и расположены со смещением друг относительно друга. Вследствие этого выходные спектральные каналы излучения располагаются на том же торце волновода на заранее заданных расстояниях от входного фокуса диспергирующего элемента. Эллиптические решетки размещены на поверхности волновода вдоль нормали к его торцевой поверхности в порядке возрастания их рабочих длин волн. В этом случае решетка, настроенная на самую короткую длину волны, располагается ближе к входному фокусу.
Данный прибор может работать в качестве диспергирующего элемента для ограниченного количества длин волн. Решетки на поверхности волновода пространственно разделены. В случае увеличения количества выходных спектральных каналов и, соответственно, количества анализируемых длин волн существенно увеличиваются габаритные размеры прибора. При этом оптическое излучение, распространяющееся по волноводу до решеток, наиболее удаленных от торцевой поверхности волновода, проходит значительный оптический путь. В результате этого возникают существенные потери излучения из-за поглощения в волноводе.
Следует также отметить, что изготовление оптических приборов большого размера представляет собой сложную техническую задачу вследствие ограниченной точности технологии микролитографии при увеличении пространственных размеров, а также влияния на рабочие характеристики прибора неоднородностей волновода.
Наиболее близкими аналогами группы полезных моделей являются голографический спектроанализатор и входящий в его состав диспергирующий элемент, которые описаны в статье V. Yankov at al: «Multiwavelength Bragg gratings and their application to optical MUX/DEMUX devices», IEEE Photonics Technology Letters, Volume 15, Issue 3, March 2003, pages 410-412. Известный оптический прибор основан на использовании суперпозиции эллиптических дифракционных решеток, образованных на рабочей поверхности планарного оптического волновода, в качестве диспергирующего элемента. Каждая из решеток селективно отражает входящее излучение в зависимости от длины волны. Перекрывающие друг друга решетки образуют цифровую планарную голограмму, которая отражает излучение, направляемое из входного канала, в селективные выходные каналы. Дифракционные решетки выполняются на поверхности оптического волновода со стороны кора, которая служит рабочей поверхностью волновода.
Используемый в приборе диспергирующий элемент позволяет увеличить количество выходных каналов без существенного увеличения габаритных размеров и значительных потерь излучения. Диспергирующий элемент спектроанализатора имеет один входной канал и до нескольких сотен выходных каналов. Спектроанализатор позволяет проводить спектральный анализ излучения со сложным спектральным составом. Входной и выходные каналы располагаются на одной торцевой части волновода.
Выходные каналы в количестве N размещены симметрично относительно входного канала: по N/2 каналов с каждой стороны относительно входного канала. Каждая группа из N/2 выходных каналов образована каналами, расположенными в порядке увеличения или уменьшения длины волны относительно входного канала. Расстояние Δλ между каналами в пространстве длин волн постоянно. Диспергирующий элемент представляет собой цифровую планарную голограмму, состоящую из нескольких миллионов определенным образом ориентированных штрихов и канавок, нанесенных на рабочую поверхность волновода методом микролитографии.
Голографический спектроанализатор, содержащий диспергирующий элемент указанной выше конструкции, включает в свой состав детекторы анализируемого излучения в виде CCD или CMOS линеек. Известный спектроанализатор с симметричным расположением выходных каналов относительно центрального входного канала имеет определенные ограничения при использовании. Данным ограничением является необходимость распределения селективного выходного излучения и направление его на чувствительные элементы детекторов. При этом размеры существующих детекторов требуют пространственного разделения входного и выходных каналов голограммы.
При решении ряда прикладных задач спектрального анализа часто возникает необходимость одновременно исследовать с высоким спектральным разрешением несколько узких участков анализируемого спектра излучения. Данная задача не может быть решена с помощью традиционных спектрометров, содержащих одну дифракционную решетку, поскольку, чем выше спектральное разрешение прибора, тем более ограничен его спектральный диапазон измерения. В этом случае для решения подобных задач приходится применять несколько спектрометров (спектроанализаторов), каждый из которых рассчитан на исследование узкого диапазона излучения с определенным диапазоном длин волн. Очевидно, что использование ряда приборов, каждый из которых настроен на узкий диапазон длин волн, более сложно и дорогостояще по сравнению с возможностью применения для проведения спектральных исследований в широком диапазоне длин волн и требуемым спектральным разрешением одного прибора с одним диспергирующим элементом. При таком конструктивном выполнении существенно снижаются габариты средств измерения, снижаются затраты на эксплуатацию приборов и повышается достоверность получаемых результатов измерений.
В частности, в области оптико-эмиссионного элементного анализа требуется решение ряда задач, связанных с одновременной регистрации набора спектральных линий, соответствующих химическим элементам, которые содержатся в исследуемом веществе. В этом случае высокое спектральное разрешение необходимо с целью исключения перекрытия исследуемой спектральной линии другими близлежащими спектральными линиями, характеризующими иные элементы по отношению к исследуемому элементу. С другой стороны, спектральный прибор традиционной конструкции (с одной дифракционной решеткой), обладающий высокой спектральной разрешающей способностью, не позволяет одновременно регистрировать спектральные линии, соответствующие другим химическим элементам, входящим в состав исследуемого вещества.
Группа полезных моделей направлена на обеспечение возможности одновременного спектрального анализа нескольких узких участков спектра в широком диапазоне длин волн. Измерения параметров спектральных линий требуется производить с высокой спектральной разрешающей способностью с помощью одного спектроанализатора, содержащего один диспергирующий элемент.
Решение поставленной технической задачи позволяет уменьшить количество одновременно используемых спектральных приборов, снизить габариты измерительного оборудования и затраты на его изготовление и эксплуатацию, а также повысить достоверность измерений.
Указанные технические результаты достигаются при использовании первого варианта топографического спектроанализатора с нелинейной дисперсией, содержащего диспергирующий элемент с цифровой голограммой, образованной эллиптическими дифракционными решетками на рабочей поверхности оптического волновода, выполненного с одним входным каналом излучения и несколькими выходными спектральными каналами, количество которых равно N. В состав спектроанализатора входят детекторы излучения, оптически связанные с выходными спектральными каналами.
Каждая эллиптическая дифракционная решетка настроена на отражение излучения с определенной длиной волны и имеет два фокуса, один из которых совпадает с точкой пересечения оси входного канала излучения и торцевой плоскостью волновода, а второй фокус совпадает с точкой пересечения оси одного из выходных спектральных каналов и торцевой плоскостью волновода. Выходные спектральные каналы расположены вдоль торцевой плоскости волновода в порядке возрастания или убывания их длин волн относительно входного канала.
i
Выходные спектральные каналы образуют n групп, каждая из которых состоит из k каналов, с общим количеством каналов , где i=1…n - порядковый номер группы каналов.
k
n
Выходные спектральные каналы выполнены таким образом, что расстояния Δλ в пространстве длин волн между близлежащими каналами каждой группы и расстояние Δλ в пространстве длин волн между близлежащими группами каналов, определяемое из соотношения:
i-i
где р=1…k - порядковый номер выходных спектральных каналов в группе каналов с порядковым номером i-1,
i
q=1…k, - порядковый номер выходных спектральных каналов в группе каналов с порядковым номером i,
р
λ - длина волны излучения в выходном спектральном канале, входящем в группу каналов с порядковым номером i-1,
q
λ - длина волны излучения в выходном спектральном канале, входящем в группу каналов с порядковым номером i,
k
n
k
n
выбраны из следующих условий: 0,01 нм≤Δλ≤0,03 нм; 1 нм≤Δλ≤100 нм. Расстояния Δλ в пространстве длин волн между близлежащими выходными каналами каждой группы выбираются постоянными в пределах группы. Расстояние Δλ в пространстве длин волн между близлежащими группами каналов изменяется в зависимости от длин волн анализируемых спектральных линий.
k
n
Совокупность выходных каналов диспергирующего элемента спектроанализатора состоит из набора спектральных групп выходных каналов. Разделение выходных спектральных каналов по отдельным группам при определенном расстоянии Δλ в пространстве длин волн между близлежащими каналами каждой группы и расстоянии Δλ в пространстве длин волн между близлежащими группами каналов позволяет существенно расширить спектральный диапазон измерений при условии обеспечения требуемой разрешающей способности спектрального прибора.
Расстояние между любыми двумя каналами в пространстве длин волн в пределах одной спектральной группы много меньше (в 33÷10000 раз) расстояния в пространстве длин волн между любыми двумя выходными каналами, относящимся к разным спектральным группам. При этом расстояние в пространстве длин волн между ближайшими группами каналов не постоянно, а определяется условиями спектрального анализа исследуемого вещества (исследуемой совокупности спектральных линий).
k
n
k
n
Выбор граничных значений диапазонов расстояний Δλ (в пространстве длин волн между близлежащими каналами каждой группы) и Δλ (в пространстве длин волн между близлежащими группами каналов) обусловлен параметрами решаемых спектрометрических задач. Диапазон значений Δλ ограничен значениями от 0,01 нм до 0,03 нм, которые характеризуют максимальную ширину анализируемых спектральных линий. Диапазон значений Δλ ограничен значениями от 1 нм до 100 нм, которые характеризуют спектр значений длин волн, соответствующих излучению спектральных линий исследуемых химических элементов.
В частных случаях реализации полезной модели выходные спектральные каналы в каждой группе могут быть настроены на определенные спектральные линии, соответствующие анализируемым химическим элементам. При выполнении вышеуказанных условий возможно также выполнение диспергирующего элемента, при котором одной анализируемой спектральной линии, характеризующей анализируемый химический элемент, соответствует по ширине спектральной линии несколько выходных каналов группы. В этом случае обеспечивается возможность исследования контуров анализируемой спектральной линии.
Данные возможности спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента связаны с нелинейной дискретной дисперсией оптического прибора. Указанное свойство устройства обусловлено тем, что геометрическое расстояние между близлежащими выходными каналами фиксировано, а расстояние между каналами одной группы и расстояние между группами каналов в пространстве длин волн определяются шириной спектральных линий и расстоянием между спектральными линиями анализируемого излучения соответственно. Вследствие этого обеспечивается возможность исследовать с помощью одного компактного прибора удаленных друг от друга участков анализируемого спектра излучения с высоким спектральным разрешением.
Следует отметить, что полученные с помощью спектроанализатора результаты измерений не содержат избыточной информации, которая не относится к поставленной задаче спектрального анализа, что обеспечивает простоту измерений и достоверность полученных результатов.
Технический результат может достигаться при использовании различных конструкций диспергирующего элемента, входящего в состав спектроанализатора. Так, например, эллиптические дифракционные решетки могут быть расположены на рабочей поверхности волновода таким образом, что входной канал излучения и каждый выходной спектральный канал порознь ориентированы перпендикулярно двум торцевым плоскостям волновода, расположенным под углом α по отношению друг к другу. Угол α между торцевыми плоскостями оптического волновода может выбираться в широком диапазоне значений: 0°<α<180°. Наиболее оптимальным диапазоном значений угла α является следующий: 90°<α<180°.
Расположение входного канала излучения и выходных спектральных каналов на различных торцевых плоскостях оптического волновода позволяет разместить линейку детекторов непосредственно вблизи торца волновода. Такое расположение детекторов обеспечивает наилучшие условия для приема излучения из выходных спектральных каналов с наименьшими потерями. Вследствие этого повышается чувствительность спектроанализатора.
Кроме того, при использовании диспергирующего элемента указанной конструкции существенно снижаются габариты спектроанализатора. Линейки детекторов CCD и CMOS типов устанавливаются в непосредственной близости от волновода. В частности, в случае применения оптического волновода с цифровой голограммой, выполненной на его рабочей поверхности при указанных выше условиях, обеспечивается удобное расположение входного и выходных каналов на различных торцевых плоскостях волновода. За счет этого линейка детекторов может быть соединена с оптическим волноводом.
В другой конструкции диспергирующего элемента, когда требования по размерам устройства не являются определяющими, эллиптические дифракционные решетки могут быть расположены на рабочей поверхности волновода таким образом, что входной канал излучения и каждый выходной спектральный канал ориентированы перпендикулярно одной общей торцевой плоскости волновода.
Эллиптические дифракционные решетки могут быть образованы на рабочей поверхности волновода методом микролитографии.
N
N
Указанные выше технические результаты достигаются также при использовании второго варианта голографического спектроанализатора с нелинейной дисперсией, содержащего диспергирующий элемент с цифровой голограммой, образованной эллиптическими дифракционными решетками на рабочей поверхности оптического волновода, выполненного с одним входным каналом излучения и несколькими выходными спектральными каналами, количество которых равно N. В состав спектроанализатора входят детекторы излучения, оптически связанные с выходными спектральными каналами. В данном варианте полезной модели расстояния Δλ, в пространстве длин волн между близлежащими спектральными каналами являются непостоянными величинами и выбраны из условия: 1 нм≤Δλ≤100 нм.
i
k
N
n
n
По сравнению с первым вариантом полезной модели в рассматриваемой конструкции голографического спектроанализатора группы спектральных каналов «вырождены»: каждая группа содержит только один канал (k=1 для всех i=1…n, Δλ=0). Общее число каналов N для второго варианта спектроанализатора совпадает с количеством групп каналов n(N=n), используемых в первом варианте спектроанализатора. Соответственно расстояние между спектральными каналами Δλ, (вырожденными группами каналов) выбирается из условия, применяемого для определения Δλ в первом варианте спектроанализатора (1 нм≤Δλ≤100 нм).
Рассматриваемый вариант конструкции спектроанализатора может использоваться для решения ряда практически важных спектрометрических задач, когда требуется измерение интенсивности излучения только в центре спектральных линий, где спектральная плотность мощности излучения достигает максимальных значений. Количество спектральных каналов во втором варианте спектроанализатора соответствует количеству измеряемых спектральных линий. Вследствие того, что пространственное (геометрическое) расстояние между спектральными каналами фиксировано, а расстояние между спектральными каналами в пространстве длин волн определяется расстоянием между исследуемыми спектральными линиями, второй вариант спектроанализатора, как и первый вариант конструкции, обладает свойством нелинейной дискретной дисперсии.
Указанное свойство обеспечивает возможность исследовать с помощью одного компактного прибора (топографического спектроанализатора) удаленных друг от друга участков анализируемого спектра излучения с высоким спектральным разрешением. Результаты, получаемые с помощью данного варианта конструкции спектроанализатора не содержат избыточной информации, которая не относится к поставленной задаче спектрального анализа, что обеспечивает простоту измерений и достоверность полученных результатов.
Указанный технический результат может достигаться при использовании различных конструкций диспергирующего элемента, входящего в состав спектроанализатора. Формы выполнения конструкции диспергирующего элемента аналогичны первому варианту голографического спектроанализатора.
Далее группа полезных моделей поясняется описанием конкретных примеров реализации голографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - схематично изображен голографический спектроанализатор с размещением входного канала излучения и выходных спектральных каналов на двух торцевых плоскостях волновода;
на фиг.2 - схематично изображен голографический спектроанализатор с размещением входного канала излучения и выходных спектральных каналов на одной торцевой плоскости волновода.
с
b
b
c
Первому примеру реализации полезной модели соответствует голографический спектроанализатор, выполненный согласно первому варианту полезной модели и изображенный на фиг.1 чертежей. Спектроанализатор содержит диспергирующий элемент с цифровой голограммой 1, образованной эллиптическими дифракционными решетками на рабочей поверхности оптического волновода. Волновод, в котором образован диспергирующий элемент, включает в свой состав кора 2. Дифракционные решетки выполняются на поверхности оптического волновода со стороны кора 2, которая служит рабочей поверхностью волновода. Материал кора 2 имеет показатель преломления n. Нижний кладинг 3 волновода выполнен из материала с показателем преломления n, при этом выполняется условие: n<n. На нижней части волновода размещена подложка 4.
1
2
В рассматриваемом примере выполнения спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента волновод выполнен с двумя торцевыми плоскостями, расположенными под углом α=130° по отношению друг к другу. Величина угла α выбрана из диапазона оптимальных значений: 90°<α<180°. Входной канал 5 излучения, предназначенный для ввода анализируемого излучения, ориентирован перпендикулярно к одной торцевой плоскости волновода и расположен на расстоянии D от линии пересечения торцевых плоскостей. Выходные спектральные каналы 6 ориентированы перпендикулярно второй торцевой плоскости волновода и расположены на расстоянии D от линии пересечения торцевых плоскостей.
Выходные спектральные каналы 6 образуют четыре группы каналов (n=4), каждая из которых состоит из десяти каналов (k=10). Общее количество выходных каналов равно 40 .
С целью одновременной регистрации четырех спектральных линий Ni I (507,99 нм), Cu I (515,32 нм), Cr I (520,62 нм), Fe I (523,05 нм) расстояния в пространстве длин волн между четырьмя группами каналов выбирается следующим образом:
n(1,2)
- расстояние в пространстве длин волн между первой и второй группами каналов Δλ=7,33 нм;
n(2,3)
- расстояние в пространстве длин волн между второй и третьей группами каналов Δλ=5,3 нм;
n(3,4)
- расстояние в пространстве длин волн между третьей и четвертой группами каналов Δλ=2,43 нм.
n
Величина расстояния Δλ в пространстве длин волн между близлежащими группами каналов определяется в соответствии со следующим соотношением:
i-1
где р=1…k - порядковый номер выходных спектральных каналов в группе каналов с порядковым номером i-1,
i
q=1…k, - порядковый номер выходных спектральных каналов в группе каналов с порядковым номером i;
р
λ - длина волны излучения в выходном спектральном канале, входящем в группу каналов с порядковым номером i-1,
q
λ - длина волны излучения в выходном спектральном канале, входящем в группу каналов с порядковым номером i,
n
n
Указанные выше расстояния Δλ соответствуют выбранному условию: 1 нм≤Δλ≤100 нм.
k
k
Для регистрации четырех спектральных линий шириной 0,1 нм используются четыре группы выходных спектральных каналов: по десять каналов в каждой группе. Выбор количества каналов в группе обусловлен требуемой точностью измерения формы спектральной линии. Расстояние в пространстве длин волн между каналами каждой группы составляет Δλ=0,01 нм согласно выбранному условию: 0,01 нм≤Δλ≤0,03 нм.
1
N
1
N
1
N
1
10
1
10
1
N
Выходные каналы 6 расположены на торцевой плоскости оптического волновода на равном геометрическом расстоянии относительно друг друга в порядке увеличения длин волн излучения от λ до λ(λ<λ; λ - длина волны излучения в первом выходном спектральном канале первой группы каналов; λ - длина волны излучения в последнем выходном спектральном канале четвертой группы каналов). На представленном чертеже (см. фиг.1) для упрощения изображения условно изображены десять выходных спектральных каналов (от λ до λ; λ<λ), которые соответствуют первой группе каналов. Для последующих групп каналов используется аналогичный порядок расположения выходных спектральных каналов (λ<λ).
k
k
1
2
Линейка 7 детекторов излучения (CCD или CMOS линейка) расположена напротив выходных спектральных каналов 6. Детекторы излучения установлены на равном геометрическом расстоянии ρ относительно друг друга. Расстояние Δλ между ближайшими выходными спектральными каналами 6 в каждой группе каналов постоянно в пространстве длин волн: Δλ=0,01 нм. Расстояния D и D, а также величина угла а определяются в зависимости от габаритных размеров линейки 7 детекторов излучения.
m
m
m
Цифровая голограмма 1 представляет собой суперпозицию N эллиптических дифракционных решеток, каждая из которых настроена на отражение излучения с определенной длиной волны λ(m=1,…N) и имеет два фокуса. Первый фокус решетки, отражающей излучение с длиной волны λ, совпадает с точкой пересечения оси входного канала 5 излучения с первой торцевой плоскостью волновода. Второй фокус данной решетки совпадает с точкой пересечения оси выходного спектрального канала 6, через который проходит излучение с длиной волны λ, и второй торцевой плоскости волновода.
Эллиптические дифракционные решетки, образующие цифровую планарную голограмму 1, выполнены на рабочей поверхности оптического волновода методом микролитографии в виде наноструктуры, состоящей из нескольких миллионов определенным образом ориентированных штрихов и канавок.
1
2
3
Процесс образования на рабочей поверхности волновода цифровой голограммы в общем случае осуществляется следующим образом. На первом этапе создания цифровой голограммы 1 вычисляется двумерная генерирующая функция А(х, у), которая определяет размер, структуру и расположение голограммы на рабочей поверхности оптического планарного волновода. Генерирующая функция вычисляется и оптимизируется при фиксированных размерах D, D и ρ. В процессе вычисления и оптимизации определяются угол α и расстояние D от входного торца волновода до цифровой голограммы 1. За счет этого достигается фокусировка излучения в выбранном направлении выходных спектральных каналов 6.
Второй этап создания цифровой голограммы состоит в бинаризации двумерной генерирующей функции А(х, у) в форму двоичных кодов. Бинаризация осуществляется путем введения пороговой величины для генерирующей функции. Координатам (х, у), при которых значение генерирующей функции А(х, у) больше пороговой величины, присваивается значение «1», а координатам (х', у'), при которых значение функции А(х, у) меньше пороговой величины, присваивается значение «0». В результате бинаризации рассчитывается цифровая двумерная генерирующая функция В(х, у), принимающая на поверхности волновода значение «0» либо «1».
На третьем этапе создания голограммы функция В(х, у) преобразуется в функцию С(х, у), которая характеризует размеры и пространственную ориентацию совокупности стандартных литографических штрихов и канавок на рабочей поверхности. Микролитографическое нанесение наноструктуры голограммы на поверхность волновода осуществляется в соответствии с рассчитанной функцией С(х, у).
Цифровая планарная, изготовленная методом микролитографии в соответствии с указанными выше условиями, позволяет осуществить сборку диспергирующего элемента с линейкой 7 детекторов излучения, которая расположена в непосредственной близости от торца волновода с выходными каналами 6.
с
b
b
c
Голографический спектроанализатор, выполненный согласно первому варианту полезной модели и изображенный на фиг.2 чертежей, соответствует второму примеру реализации полезной модели. Спектроанализатор содержит диспергирующий элемент с цифровой голограммой 8, образованной эллиптическими дифракционными решетками на рабочей поверхности оптического волновода. Волновод, в котором образован диспергирующий элемент, включает в свой состав кор 9, поверхность которого является рабочей поверхностью волновода. Материал кора 9 имеет показатель преломления n. Нижний кладинг 10 волновода выполнен из материала с показателем преломления n, при этом выполняется условие: n<n. На нижней части волновода размещена подложка 11.
Во втором примере выполнения спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента волновод выполнен с центрально-симметричным расположением выходных спектральных каналов 12 относительно входного канала 13 излучения. В данном примере выполнения эллиптические дифракционные решетки расположены на рабочей поверхности волновода таким образом, что входной канал 13 излучения и каждый выходной спектральный канал 12 ориентированы перпендикулярно одной общей торцевой плоскости волновода.
Выходные спектральные каналы 12 образуют четыре группы каналов (n=4), каждая из которых состоит из трех каналов (k=3). Общее количество выходных каналов равно 12 . С помощью второго примера реализации полезной модели решается аналогичная задача по одновременной регистрации четырех спектральных линий Ni I (507,99 нм), Си I (515,32 нм), Cr I (520,62 нм), Fe I (523,05 нм). Расстояния в пространстве длин волн между четырьмя группами каналов выбирается аналогично первому варианту конструкции устройства:
n(1,2)
- расстояние в пространстве длин волн между первой и второй группами каналов Δλ=7,33 нм;
n(2,3)
- расстояние в пространстве длин волн между второй и третьей группами каналов Δλ=5,3 нм;
n(3,4)
- расстояние в пространстве длин волн между третьей и четвертой группами каналов Δλ=2,43 нм.
k
k
Для регистрации четырех спектральных линий шириной 0,1 нм используются четыре группы выходных спектральных каналов, каждый из которых содержит три канала. Расстояние в пространстве длин волн между каналами каждой группы составляет Δλ=0,03 нм согласно выбранному условию: 0,01 нм≤Δλ≤0,03 нм.
Выбор количества выходных спектральных каналов в каждой группе для рассматриваемого примера реализации полезной модели обусловлен поставленной задачей, заключающейся в измерении амплитуды спектральной линии. В отличие от первого варианта конструкции устройства в данном случае не ставится задача по определению точной формы спектральной линии.
1
2
3
4
5
6
12
11
10
9
8
7
Выходные каналы 12 расположены на одной торцевой плоскости оптического волновода симметрично относительно входного канала 13: по N/2=6 выходных каналов слева и справа относительно входного канала 13. Выходные каналы 12 находятся на равном геометрическом расстоянии относительно друг друга в порядке увеличения длин волн излучения относительно выходного канала 13 (λ>λ>λ>λ>λ>λ; λ>λ>λ>λ>>λ). На представленном чертеже (см. фиг.2) изображены двенадцать выходных спектральных каналов, которые распределены по четырем группам:
1
2
3
- первая группа содержит каналы с длинами волн λ, λ, λ;
4
5
6
- вторая группа содержит каналы с длинами волн λ λ λ;
7
8
9
- третья группа содержит каналы с длинами волн λ, λ, λ;
10
11
12
- четвертая группа содержит каналы с длинами волн λ λ, λ.
Спектроанализатор включает в свой состав две линейки 14 детекторов излучения (CCD или CMOS линейки), которые расположены напротив выходных спектральных каналов 12 симметрично относительно входного канала 13. Детекторы излучения установлены в каждой линейке 14 на равном геометрическом расстоянии ρ относительно друг друга. Спектроанализатор с центрально-симметричным расположением выходных спектральных каналов имеет определенные ограничения при использовании. Данным ограничением является необходимость пространственного распределения селективного выходного излучения для направления его на чувствительные элементы детекторов, которые расположены симметрично относительно входного канала излучения. При этом размеры существующих детекторов требуют относительно большого пространственного разделения входного и выходных каналов голограммы.
m
m
m
Аналогично первому примеру реализации полезной модели цифровая голограмма 8 представляет собой суперпозицию N эллиптических дифракционных решеток, каждая из которых настроена на отражение излучения с определенной длиной волны λ(m=1,…N) и имеет два фокуса. Первый фокус решетки, отражающей излучение с длиной волны λ, совпадает с точкой пересечения оси входного канала 13 излучения с торцевой плоскостью волновода. Второй фокус данной решетки совпадает с точкой пересечения оси выходного спектрального канала 12, через который проходит излучение с длиной волны λ, и торцевой плоскости волновода, на которой находится первый фокус решетки.
Эллиптические дифракционные решетки, образующие цифровую планарную голограмму 8, выполнены на рабочей поверхности оптического волновода методом микролитографии в виде наноструктуры. Технология изготовления наноструктуры дифракционных решеток описана в первом примере реализации полезной модели.
k
Возможны и другие варианты реализации спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента. Так, например, для решения одновременно двух задач, одна из которых связана с измерением амплитуды спектральной линии, а вторая - с определением формы спектральной линии (без предъявления дополнительных требований к точности формы спектральной линии), может использоваться диспергирующий элемент с 20 выходными спектральными каналами, разделенными на четыре группы: по пять выходных спектральных каналов в каждой группе. Для решения поставленной задачи могут использоваться диспергирующие элементы различной конструкции, в том числе изображенные на фиг.1 и фиг.2 чертежей. Расстояние в пространстве длин волн между каналами каждой группы в данном примере выполнения полезной модели выбирается равной Δλ=0,02 нм.
Голографический спектроанализатор, выполненный согласно второму варианту полезной модели, аналогичен по конструкции первому и второму примеру реализации полезной модели, выполненной согласно первому варианту (см. фиг.1 и фиг.2 чертежей). В данном варианте спектроанализатора и входящего в его состав диспергиирующего элемента реализуется техническое решение, согласно которому в каждой группе входных спектральных каналов используется только один спектральный канал. Каждый спектральный канал спектроанализатора настроен для измерения интенсивности излучения в центре анализируемых спектральных линий, где спектральная плотность мощности излучения достигает максимального значения. Решение указанной задачи обеспечивается с помощью диспергирующих элементов, изображенных на фиг.1 и фиг.2 чертежей.
N
С целью одновременной регистрации четырех спектральных линий Ni I (507,99 нм), Cu I (515,32 нм), Cr I (520,62 нм), Fe I (523,05 нм) шириной 0,1 нм конструкция спектроанализатора содержит только четыре спектральных канала (четыре «вырожденные» группы спектральных каналов). Расстояния в пространстве длин волн между четырьмя каналами не постоянно и выбирается из условия 1 нм≤Δλ≤100 нм:
N(1,2)
- расстояние в пространстве длин волн между первым и вторым каналом Δλ=7,33 нм;
N(2,3)
- расстояние в пространстве длин волн между вторым и третьим каналом Δλ=5,3 нм;
N(3,4)
- расстояние в пространстве длин волн между третьим и четвертым каналом Δλ=2,43 нм.
k
В рассматриваемом варианте конструкции спектроанализатора Δλ=0, поскольку группы каналов содержат только по одному спектральному каналу. Спектроанализатор данной конструкции позволяет одновременно измерять интенсивность излучения в центре анализируемых спектральных линий.
Работа первого варианта топографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента, изображенного на фиг.1 чертежей, осуществляется следующим образом.
m
Анализируемое излучение фокусируется на торец волновода, в той его части, где находится входной канал 5, и направляется вдоль оси входного канала 5. С помощью диспергирующего элемента происходит селективное отражение излучения с длиной волны λ, поступающего из входного канала 5, в дискретно расположенные выходные спектральные каналы 6. Цифровая голограмма 1 диспергирующего элемента осуществляет спектральную селекцию анализируемого излучения, приходящего на нее из входного канала 5, расположенного на одном торце оптического волновода, и фокусирует излучение в выходные каналы 6, расположенные на другом торце волновода. При этом торцевые плоскости оптического волновода, на которых расположены входной канал 5 и выходные спектральные каналы 6, пересекаются под углом α.
За счет расположения входного канала 5 излучения и выходных спектральных каналов 6 на различных торцевых плоскостях оптического волновода, расположенных под углом α=130° по отношению друг к другу, линейка 7 детекторов излучения размещается непосредственно у торца волновода. Возможность такого расположения элементов спектроанализатора обеспечивает наилучшие условия для приема селективного излучения с наименьшими потерями.
n
n(1,2)
n(2,3)
n(3,4)
n
n
n
n
k
Селекция анализируемого излучения производится по четырем группам выходных спектральных каналов, разделенных в пространстве длин волн на заданные расстояния Δλ между ближайшими группами каналов: Δλ=7,33 нм; Δλ=5,3 нм; Δλ=2,43 нм. Данные расстояния в пространстве длин волн определяются условием одновременной регистрации четырех спектральных линий: Ni I (507,99 нм), Cu I (515,32 нм), Cr I (520,62 нм), Fe I (523,05 нм). В других случаях осуществления полезной модели расстояния Δλ между ближайшими группами каналов в пространстве длин волн зависят от задачи спектрального анализа (анализируемых спектральных линий) и свойств источника линейчатого излучения. Совокупность указанных условий спектрального анализа определяет выбранный диапазон расстояний Δλ между ближайшими группами каналов: 1 нм≤Δλ≤100 нм. Величина Δλ/Δλ характеризует степень нелинейности дискретной дисперсии первого варианта спектроанализатора, поскольку геометрическое расстояние между близлежащими выходными спектральными каналами фиксировано, а расстояние между выходными спектральными каналами близлежащих групп в пространстве длин волн выбирается в зависимости от расстояния между исследуемыми участками спектра излучения.
k
Расстояние в пространстве длин волн между близлежащими выходными спектральными каналами 6 в каждой группе каналов выбирается из условия измерения точной формы анализируемых спектральных линий с высоким спектральным разрешением. Для решения данной спектрометрической задачи количество выходных спектральных каналов в каждой группе выбирается равным десяти, а расстояние между близлежащими каналами в пространстве длин волн фиксировано и составляет Δλ=0,01 нм.
m
Из выходных каналов 6 излучение попадает на линейку 7 детекторов излучения, установленную напротив торца волновода, который расположен под углом α=130° по отношению к торцу волновода со стороны входного канала 5. В каждом детекторе излучения, расположенном на заданном расстоянии ρ от близлежащего детектора линейки, фиксируется интенсивность излучения соответствующего выходного спектрального канала 6. Измеренному значению интенсивности излучения с соответствующей ему длиной волны λ присваивается цифровое значение. Далее полученные в цифровом виде данные об интенсивности излучения в зависимости от длины волны спектра анализируемого излучения обрабатываются с помощью процессора в соответствии с заранее заданным алгоритмом вычислений.
Аналогичным образом осуществляется работа голографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента, которые изображены на фиг.2 чертежей. Отличие заключается в организации вывода селективного излучения из диспергирующего элемента и направления его на две линейки 14 детекторов излучения, которые установлены симметрично относительно входного канала 13.
m
Анализируемое излучение фокусируется на торец волновода, перпендикулярно которому ориентированы входной канал 13 и выходные спектральные каналы 12, и направляется вдоль оси входного канала 13. С помощью диспергирующего элемента происходит селективное отражение излучения с длиной волны λ, поступающего из входного канала 13, в дискретно расположенные выходные спектральные каналы 12. Цифровая голограмма 1 диспергирующего элемента обеспечивает спектральную селекцию анализируемого излучения, приходящего на нее из входного канала 13 и фокусирует излучение в выходные каналы 12. Эллиптические дифракционные решетки расположены на рабочей поверхности волновода таким образом, что входной канал 13 излучения и каждый выходной спектральный канал 12 ориентированы перпендикулярно одной общей торцевой плоскости волновода.
n
n(1,2)
n(2,3)
n(3,4)
Селекция анализируемого излучения производится по четырем группам выходных спектральных каналов, разделенных в пространстве длин волн на заданные расстояния Δλ между ближайшими группами каналов: Δλ=7,33 нм; Δλ=5,3 нм; Δλ=2,43 нм. Выбранные расстояния определяются условием одновременной регистрации четырех спектральных линий: Ni I (507,99 нм), Cu I (515,32 нм), Cr I (520,62 нм), Fe I (523,05 нм).
k
k
Расстояние в пространстве длин волн между близлежащими выходными спектральными каналами 12 в каждой группе каналов выбирается из условия измерения амплитуды интенсивности излучения для выбранных спектральных линий с высоким спектральным разрешением. Для решения данной спектрометрической задачи количество выходных спектральных каналов в каждой группе выбирается равным 3, а расстояние между близлежащими каналами в пространстве длин волн фиксировано и составляет Δλ=0,03 нм. При решении комбинированной спектрометрической задачи, связанной с одновременным определением контура спектральной линии и интенсивности излучения спектральной линии, может использоваться диспергирующий элемент с пятью выходными спектральными каналами в каждой группе. В этом случае расстояние между близлежащими каналами в пространстве длин волн фиксировано и составляет Δλ=0,02 нм.
m
Вследствие центрально-симметричного расположения выходных спектральных каналов 12 относительно входного канала 13 анализируемое излучение попадает на две симметрично установленные линейки 14 детекторов излучения. В каждом детекторе излучения, расположенном на заданном расстоянии ρ от близлежащего детектора линейки 14, фиксируется интенсивность излучения соответствующего выходного спектрального канала 12. Измеренному значению интенсивности излучения с соответствующей ему длиной волны λ присваивается цифровое значение. Далее полученные в цифровом виде данные об интенсивности излучения в зависимости от длины волны спектра анализируемого излучения обрабатываются с помощью процессора в соответствии с заранее заданным алгоритмом вычислений.
Использование спектроанализатора с нелинейной дискретной дисперсией позволяет одновременно осуществлять исследование узких участков спектра, удаленных друг от друга в пространстве длин волн на расстояния, существенно превышающие ширину исследуемых спектральных линий. При этом измерения параметров удаленных друг от друга спектральных линий производятся с высоким спектральным разрешением с помощью одного компактного оптического прибора, содержащего один диспергирующий элемент. Такой прибор легко адаптируется для решения конкретной задачи спектрального анализа. В зависимости от поставленной спектральной задачи выбирается количество групп каналов, в соответствии с выбранными для исследования спектральными линиями, и количество выходных спектральных каналов в каждой группе каналов. Так, например, для измерения амплитуд исследуемых спектральных линий количество выходных спектральных каналов в каждой группе может быть ограничено тремя каналами. С целью определения формы спектральной линии количество выходных спектральных каналов в каждой группе может выбираться, в зависимости от требуемой точности измерений, в количестве от трех до десяти каналов. При использовании десяти каналов в каждой группе обеспечивается высокое спектральное разрешение при исследовании контуров удаленных друг от друга спектральных линий.
Аналогичным образом осуществляется работа второго варианта голографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента.
k
В случае, когда требуется лишь одновременное определение интенсивности излучения в центре спектральных линий, конструкцию спектроанализатора и диспергирующего элемента можно упростить за счет «вырождения» групп выходных спектральных каналов (Δλ=0). В данном варианте конструкции голографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента отсутствуют группы выходных спектральных каналов, и одной анализируемой спектральной линии соответствует один спектральный канал, при этом расстояния между ближайшими группами каналов являются непостоянными величинами.
m
Анализируемое излучение фокусируется на торец волновода (см. фиг.1), в той его части, где находится входной канал 5, и направляется вдоль оси входного канала 5. С помощью диспергирующего элемента происходит селективное отражение излучения с длиной волны λ, поступающего из входного канала 5, в четыре дискретно расположенные выходные спектральные каналы 6. Цифровая голограмма 1 диспергирующего элемента осуществляет спектральную селекцию анализируемого излучения, приходящего на нее из входного канала 5, расположенного на одном торце оптического волновода, и фокусирует излучение в выходные каналы 6, расположенные на другом торце волновода. При этом торцевые плоскости оптического волновода, на которых расположены входной канал 5 и выходные спектральные каналы 6, пересекаются под углом α=130°.
N
N(1,2)
N(2,3)
N(3,4)
N
N
N
Селекция анализируемого излучения производится по четырем выходным спектральным каналам, разделенным в пространстве длин волн на заданные расстояния Δλ, между ближайшими группами каналов: Δλ=7,33 нм; Δλ=5,3 нм; Δλ=2,43 нм. Данные расстояния в пространстве длин волн определяются условием одновременной регистрации интенсивности излучения в центре четырех спектральных линий: Ni I (507,99 нм), Cu I (515,32 нм), Cr I (520,62 нм), Fe I (523,05 нм). В других случаях осуществления полезной модели расстояния Δλ между ближайшими группами каналов в пространстве длин волн будет зависеть от анализируемых спектральных линий и ширины спектральных линий. Совокупность условий спектрального анализа определяет выбранный диапазон расстояний Δλ, между ближайшими выходными каналами: 1 нм≤Δλ≤100 нм.
m
Из выходных каналов 6 излучение попадает на линейку 7 детекторов излучения, установленную напротив торца волновода, который расположен под углом α=130° по отношению к торцу волновода со стороны входного канала 5. В каждом детекторе излучения, расположенном на заданном расстоянии ρ от близлежащего детектора линейки, фиксируется интенсивность излучения соответствующего выходного спектрального канала 6. Измеренному значению интенсивности излучения с соответствующей ему длиной волны λ присваивается цифровое значение. Далее полученные в цифровом виде данные об интенсивности излучения в зависимости от длины волны спектра анализируемого излучения обрабатываются с помощью процессора в соответствии с заранее заданным алгоритмом вычислений.
Результаты измерения при помощи данного варианта спектроанализатора не содержат лишней, не относящейся к задаче измерения, информации. Количество каналов соответствует количеству измеряемых спектральных линий. Поскольку пространственное расстояние между каналами фиксировано, а расстояние между каналами в пространстве длин волн определяется расстоянием между исследуемыми спектральными линиями второй вариант спектроанализатора, как и первый вариант, обладает нелинейной дискретной дисперсией.
Аналогичным образом осуществляется работа второго варианта голографического спектроанализатора и входящего в его состав диспергирующего элемента в примере реализации, изображенном на фиг.2 чертежей. Отличие заключается в организации вывода селективного излучения из диспергирующего элемента и направления его на две линейки 14 детекторов излучения, которые установлены симметрично относительно входного канала 13.
m
Вследствие центрально-симметричного расположения выходных спектральных каналов 12 относительно входного канала 13 анализируемое излучение попадает на две симметрично установленные линейки 14 детекторов излучения. В каждом детекторе излучения, расположенном на заданном расстоянии ρ от близлежащего детектора линейки 14, фиксируется интенсивность излучения соответствующего выходного спектрального канала 12. Измеренному значению интенсивности излучения с соответствующей ему длиной волны λ присваивается цифровое значение. Далее полученные в цифровом виде данные об интенсивности излучения в зависимости от длины волны спектра анализируемого излучения обрабатываются с помощью процессора в соответствии с заранее заданным алгоритмом вычислений.
Группа полезных моделей может использоваться в спектрометрии (в оптическом диапазоне длин волн) в составе компактных спектрометров различных конструкций. Голографический спектроанализатор и диспергиирующий элемент могут также применяться в области лазерной техники, в частности, в системах волоконно-оптической связи.