СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДИФФУЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR SPECTRAL FILTRATION OF DIFFUSION RADIATION

Изобретение относится к способу выделения и регистрации определенной спектральной составляющей излучения в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока выделяемого излучения и может найти применение в спектральном анализе (люминесцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, анализ слабосветящейся плазмы, диффузно рассеивющих поверхностей и т.п.) и лазерном зондировании рассеивающих и поглощающих природных сред (туман, растительность, водоемы) в условиях дневного освещения.
-3
-4
-1
Отражающие и пропускающие интерференционные фильтры (ИФ) широко используются на практике для выделения отдельных участков спектра, для ширины которых δλ могут быть достигнуты значения δλ/λ~10-10, определяемые конструкцией фильтров (δλ/λ~N, где N -число в фильтре слоев, содержащих скачок коэффициента преломления) при почти стопроцентном пропускании в центре выделяемого спектрального интервала [1].
При использовании ИФ по традиционным схемам (см., например, рис.1, где 1 - фронт падающего на ИФ светового потока, 2 - ИФ, 3 - собирающая линза, 4 - фотоприемник) для реализации такого спектрального разрешения и пропускания в выделяемом спектральном интервале необходимо освещение фильтра исследуемым потоком, направленным точно под определенным углом φ (чаще всего прямым) к поверхности фильтра с расходимостью внутри фильтра Δφ, не превышающей по полуширине при нормальном падении (Δφ при этом максимальна) [1]
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>≤</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msup><mi>N</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Если в падающем на фильтр потоке расходимость превышает это значение, все части этого потока, не удовлетворяющие вышеприведенным условиям, «не работают», т.е. не подвергаются спектральной фильтрации.
Условие (1) накладывает ограничение на интенсивность I выделенного фильтром светового потока
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mi>B</mi><mi>λ</mi></msub><mi>δ</mi><mi>λ</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo>≤</mo><mn>2</mn><msub><mi>B</mi><mi>λ</mi></msub><mi>δ</mi><mi>λ</mi><msup><mi>N</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
λ
где B - спектральная яркость падающего на фильтр светового потока, d - размер ИФ. С практической точки зрения, рассчитанные по формуле (1) углы достаточно велики (см. таблицу), что делает ИФ весьма светосильным прибором
4
Но в ряде случаев использования интерференционных фильтров важно по возможности и повысить I, и уменьшить 8Х. Для высококачественного лазерного ИФ с N=10 в соответствии с таблицей и формулой (2) в этом случае теряется при фильтрации 99% падающего на фильтр рассеянного лазерного излучения. Поскольку причиной этих потерь является ограничение, накладываемое формулой (1) на расходимость фильтруемого пучка, следует понять и устранить причину этого ограничения.
Формула (1) выведена на основе представления падающего на ИФ излучения как совокупности плоских волновых фронтов со случайной фазой, ориентированных в пределах Δφ. Далее будет использовано другое известное и легко объяснимое представление.
При расходимости ψ падающего на поверхность (например, интерференционного фильтра) излучения вокруг любой точки этой поверхности существует область пространственной когерентности размера порядка
<mrow><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mi>ψ</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
в пределах которой фаза колебаний монохроматического излучения меняется незначительно. Если представить падающее на ИФ излучение как мозаичный набор таких фрагментов плоских волн со случайной фазой и перпендикулярным к поверхности ИФ волновым вектором, расположенные под этими фрагментами участки фильтра можно рассматривать как отдельные независимые интерференционные фильтры (мини-ИФ). Интенсивность отфильтрованного каждым из них излучения определяется формулой (2) при замене d на 1, а суммирование по всем фрагментам дает саму формулу (2).
Но модель эта справедлива до тех пор, пока излучение в каждом из этих мини-ИФ распространяется через всю толщину интерференционного фильтра h (h=N λ/2), не перемешиваясь. Т.е. размер перекрывающихся частей соседних фрагментов на выходе из ИФ, равное hψ, должно остаться меньше самого размера 1.
<mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>λ</mi><mi>ψ</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>≤</mo><mfrac><mi>λ</mi><mi>ψ</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msup><mi>ψ</mi><mn>2</mn></msup><mo>≤</mo><mn>2</mn><msup><mi>N</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>,</mo></mrow>
φ
что соответствует формуле (1) для Δφ. Этому же пределу ψ=Δφ соответствует 1=1, которое приводится в таблице.
φ
Т.о. причиной ограничений на допустимую расходимость Δφ является перемешивание излучения от соседних фрагментов плоских волн со случайной фазой в пределах самого фильтра. Для устранения этого фактора необходимо излучение этих фрагментов при 1<1 (и, соответственно, ψ>Δφ) изолировать друг от друга на всей толщине ИФ.
С этой целью в данной заявке предлагается традиционную одноканальную схему использования интерференционного фильтра (рис.1) заменить на многоканальную, один из вариантов которой для отражающего ИФ представлен на рис.2, где 5 - элемент ячеистой структуры (см. ниже), а остальные обозначения те же, что на рис.1.
Основой новой конструкции интерференционного фильтра является ячеистая структура с непрозрачными стенками высотой h и с поперечным размером полых ячеек 1, связанным с задаваемой величиной ψ формулой (3). При изготовлении такой структуры за основу могут быть приняты процедуры изготовления микроканальных пластин [2] или фотокристаллического оптического волокна [3]. Полости в ячейках должны быть заполнены фоторефрактивным материалом, например, фотополимером, а затем экспонированы сформированными в интерферометре встречными когерентными равными по интенсивности световыми пучками, монохроматизированными до необходимого уровня (δλ). Образовавшееся во встречных пучках поле стоячей световой волны сформирует в ходе экспозиции в каждой ячейке периодическую по коэффициенту преломления структуру - структуру интерференционного фильтра. Такая технология уже давно используется при создании брегговских решеток в световодах [4]. Предлагаемая структура похожа на световоды еще в одном отношении: при 1<<h проникающий в ячейку свет до выхода из нее испытывает множество отражений и необходимо, чтобы соотношение коэффициентов преломления материала ячеек и полимера обеспечивало для распространения света в канале ячейки полное внутреннее отражение и угол отсечки, равный ψ/2. В этом случае в каждой ячейке в силу соотношения (3) автоматически устанавливается режим одномодового световода с угловой апертурой ψ. Самое же существенное отличие этого канала от типичного оптического световода - малая толщина стенки ячейки: толщина кладинга световода должна была бы быть на порядок больше 1, чтобы обеспечить низкие потери на километровых трассах, но при h~1 мм для изоляции соседних каналов оказывается достаточно стенки с толщиной менее 2 мкм. (При монтаже предлагаемой системы из обычных световодов площадь самого ИФ занимала бы менее 1% площади конструкции).
Очевидно, что интенсивность, выделяемая брэгговской решеткой в каждой ячейке ИФ оценивается формулой
λ
λ
2
2
2
I=Вδλ(ψ)l≤Bδλλ,
а для всего ИФ, построенного по предлагаемому многоканальному принципу, формулой
<mrow><mi>I</mi><mo>≤</mo><msub><mi>B</mi><mi>λ</mi></msub><mi>δ</mi><mi>λ</mi><mfrac><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msup><mi>λ</mi><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Для уменьшениия 1 существует дифракционный предел
l≥λ,
4
3
и в этом идеализированном случае предельный выигрыш в интенсивности при N=10 по формулам (2) и (4) составляет 5∙10.
Опыт изготовления фотокристаллического волокна показывает, что в ячеистых структурах 1 может достигать 2 мкм, что соответствует ψ~¼ при λ=0,5 мкм. Тогда оценка по формулам (3), (2) и таблице предсказывает существенный выигрыш в допустимых значениях угла расходимости ψ (порядок) и интенсивности (2 порядка) фильтруемого диффузного светового потока по сравнению с одноканальным вариантом использования интерференционного фильтра с той же площадью и спектральным разрешением.
Таблица
N
Δλl
H
l<sub>φ</sub>
Δφ град
Ψ=λ/1 при 1 равном град
(ψ/Δφ)<sup>2</sup> при 1 равном
Å
мм
мкм
8 мкм
2 мкм
8 мкм
2 мкм
10<sup>2</sup>
50
0,05
4
8
3,6
14
3
10<sup>3</sup>
5
0,5
11
2,5
2
30
10<sup>4</sup>
0,5
5
36
0,8
20
320
λ=0,5 мкм
Т.о. предлагается новый способ спектральной фильтрации оптического излучения, основанный на явлении интерференции при взаимодействии светового потока с многослойными структурами с периодически меняющимся значением коэффициента преломления, при котором световой поток разделяют на всей толщине интерференционного фильтра ячеистой структурой с вертикальными светоизолирующими стенками. Это позволяет производить эту фильтрацию в световых потоках с произвольно высокой расходимостью при условии, что ячейки имеют сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости в анализируемом световом потоке
Литература
1. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972. 375 с.
2. Кулов С.К., Романов ГЛ., Петровский Г. Т., Попов М.Н. Микроканальные пластины // Электронная промышленность. 1989. №3. С.13-17.
3. Russell P. St. J. Photonic-crystal fibers // J. Lightwave Technol. 2006. 24(12), P. 4729-4749.
4. Lam D. K. W., Garside В. K. Characterization of single-mode optical fiber filters // Appl. Opt. 1981. Vol.20, No. 3 P.440 44.