ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
OPTICAL DEVICE

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов, а именно, к оптическим спектрометрическим устройствам и может быть использовано в качестве эталонного измерительного прибора, например, рефлектометра или люминометра.
Из уровня техники известен перестраиваемый интерференционный фильтр на основе микрорезонатора Фабри-Перо, который обеспечивает возможность варьирования длины волны окна пропускания шириной 1 нм в диапазоне 400-800 нм (см. патент RU2399935, кл. G02B 5/28, опубл. 20.09.2010). При минимальных габаритных размерах и сохранности движущихся частей в защитном корпусе этот фильтр может быть использован для создания компактного монохроматора, нечуствительного к внешним механическим воздействиям.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является оптическое устройство, содержащее источник оптического излучения, приёмник оптического излучения и направляющий элемент в виде объёмной фигуры с плоскими гранями из твердотельного материала, прозрачного для длин волн заданного диапазона, в котором выполнена интегральная оптическая структура, сформированная путём модификации показателя преломления (см. патент US2013203627, кл. G01N 21/63, опубл. 08.08.2013). Недостатками известного устройства являются его громоздкость и узкая область функциональности.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении прочности при максимальной компактности устройства. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в оптическом устройстве, содержащем источник оптического излучения, приёмник оптического излучения и направляющий элемент в виде объёмной фигуры с плоскими гранями из твердотельного материала, прозрачного для длин волн заданного диапазона, в котором выполнена интегральная оптическая структура, сформированная путём модификации показателя преломления, указанная интегральная оптическая структура содержит, по меньшей мере, один волновод с подводящим и отводящим участками, расположенными под углом друг к другу и с одного конца сходящиеся на плоской грани направляющего элемента, являющейся рабочей, а с другого – выходящие через другие плоские грани направляющего элемента, являющиеся, соответственно, подводящей и отводящей, причём источник излучения пристыкован к подводящей, а приёмник эмиссионного сигнала – к отводящей грани съёмного элемента. Между подводящей гранью и источником излучения, а также между  отводящей гранью и приёмником излучения предпочтительно установлен перестраиваемый интерференционный фильтр. Концы участков волновода могут быть снабжены микролинзами. Источник и приёмник излучения могут быть выполнены протяжёнными, а грани направляющего элемента покрыты непрозрачной для длин волн заданного диапазона маской с отверстиями напротив концов участков волновода. Направляющий элемент целесообразно выполнять съёмным. Подводящий и отводящий участки волновода могут быть расположены под одинаковыми углами к рабочей грани для обеспечения работы устройства в режиме рефлектометра или под разными углами для обеспечения работы устройства в режиме люминометра.
На чертеже представлено предлагаемое оптическое устройство (увеличено), подключенное к ноутбуку.
Предлагаемое оптическое устройство состоит из источника оптического излучения 1, приёмника оптического излучения 2 и съёмного (сменного) направляющего элемента 3.
Направляющий элемент 3 выполнен в виде объёмной фигуры (на чертеже – прямой треугольной призмы) с плоскими гранями из твердотельного материала, прозрачного для длин волн заданного диапазона, в котором выполнена интегральная оптическая структура. Эта структура содержит один или несколько волноводов с подводящим 4 и отводящим 5 прямолинейными участками, расположенными под углом друг к другу. Участки 4, 5 с одного конца сходящиеся на рабочей грани 6, а с другого – выходят через подводящую 7 и отводящую 8 грани. Поскольку участки 4, 5 выполнены прямолинейными, для формирования волновода достаточно небольшое разницы показателей преломления между сердцевиной волновода и окружением, и он может быть выполнен путём модификации  показателя преломления сфокусированным лазерным излучением.
К подводящей грани 7 через перестраиваемый интерференционный фильтр 9 пристыкован протяжённый источник излучения 1 (например, белый светодиод), образуя монохроматор возбуждения. К отводящей грани 8 через другой перестраиваемый интерференционный фильтр 10 пристыкован приёмник излучения 2 (например, фотодиод или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)), образуя монохроматор эмиссии. Для ограничения ширины светового потока грани направляющего элемента 3 покрывают непрозрачной для длин волн заданного диапазона маской с отверстиями напротив концов участков волновода, а для увеличения эффективности направления света в волновод концы его участков 5, 6 снабжают микролинзами (на чертежах не показано).
Для обеспечения работы устройства в режиме рефлектометра подводящий 4 и отводящий 5 участки волновода располагают под одинаковыми углами к рабочей грани 6, а для обеспечения работы устройства в режиме люминометра – под разными углами.
Использование устройства возможно при подключении источника излучения 1, приёмника 2 и перестраиваемых фильтров 9, 10 к блоку управления, состоящему из управляющего микропроцессора, монитора и устройства ввода-вывода (например, через USB-порт к ноутбуку 11).
Предлагаемое оптическое устройство работает следующим образом.
Включают источник излучения 1 и настраивают фильтр 9 на заданную длину волны возбуждения. Монохроматизированный свет собирается микролинзой, направляется в подводящий участок 4 волновода и по нему распространяется до исследуемого объекта 12. В результате взаимодействия с возбуждающим излучением объект 12 испускает излучение определённого спектра, которое собирается микролинзой 12 и направляется по отводящему участку 5 к приёмнику 2. Перед приёмником 2 стоит сканирующий фильтр 10, который позволяет получить развёртку эмисионного спектра по длинам волн.
Благодаря использованию интегральной оптической структуры и перестраивомого фильтра предлагаемое оптическое устройство позволяет минимизировать чувствительность прибора ко внешним воздействиям, упростить его использование и минимизировать габариты. При этом оптимальная схема и высокая чувствительность компонентов позволяют изготовить прецензионный спектральный прибор, который может быть использован в ранге вторичного эталона.