РЕГУЛИРУЕМЫЙ ОСЛАБИТЕЛЬ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
CONTROLLED ATTENUATOR OF MONOCHROMATIC RADIATION

Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в фотометрических устройствах и системах управления излучением импульсных и непрерывных лазеров.
Известна схема переменного френелевского ослабителя лазерного излучения, в котором используется зависимость пропускания плоскопараллельных пластин из непоглощающего прозрачного материала от угла падения светового пучка. Для расширения пределов регулировки ослабления и устранения смещений пучка при изменении угла падения ослабитель содержит две одинаковые пластины, установленные с возможностью синхронного вращения в противоположных направлениях с помощью червячной передачи (см. П.А. Иващенко, Ю.А. Калинин, Б.Н. Морозов "Измерение параметров лазеров", Москва, Изд-во стандартов, 1982). Недостатками указанного ослабителя являются малый диапазон ослабления, связанный с невозможностью использования больших углов падения из-за габаритных ограничений, зависимость ослабления от поляризаций падающего излучения и нелинейная зависимость ослабления от угла падения пучка, а следовательно, и от угла поворота пластин. Два последних недостатка связаны с тем, что зависимость ослабления интенсивности пучка одной пластиной (вследствие отражения света от границ раздела "воздух - материал пластины" и "материал пластины - воздух") от угла падения пучка имеет вид (без учета многократного отражения в пластине):
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>10</mn><mtext> lg</mtext><mfrac><mtext>J</mtext><mrow><msub><mtext>J</mtext><mtext>0</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>20</mn><mtext> lg</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>1-</mtext><mfrac><mrow><msup><mrow><mtext>sin</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mtext>(i-</mtext><mi>ϕ</mi><mtext>)</mtext></mrow><mrow><msup><mrow><mtext>sin</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mtext>(i</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mtext>)</mtext></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                            (1)</mtext></mrow>
для компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости падения;
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>20</mn><mtext> lg</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>1-</mtext><mfrac><mrow><msup><mrow><mtext>tg</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mtext>(i-</mtext><mi>ϕ</mi><mtext>)</mtext></mrow><mrow><msup><mrow><mtext>tg</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mtext>(i</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mtext>)</mtext></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                  (2)</mtext></mrow>
для компоненты, поляризованной параллельно плоскости падения. Величина M - ослабление, выраженное в децибелах; i - угол падения, φ - угол преломления.
Известна также схема непрерывно регулируемого ослабителя оптического пучка, содержащего два оптических элемента, каждый из которых установлен на оси пучка так, что плоскость его поверхности перпендикулярна этой оси.
Каждый элемент имеет постоянную оптическую плотность в одном направлении и непрерывно изменяющуюся оптическую плотность во втором направлении, перпендикулярном первому. Непрерывное изменение оптической плотности двух элементов во втором направлении происходит по одинаковому закону, но с противоположным знаком.
Кроме того, имеются средства для перемещения двух оптических элементов с одинаковыми по величине и противоположными по знаку скоростями в указанном втором направлении (МКИ G02B 5/22. Заявка Великобритании №2074339, опубл. 28.10.81 г.).
Недостатками указанного ослабителя являются сложность в обеспечении параллельного движения двух оптических элементов с одинаковой скоростью во встречных направлениях, разброс параметров этих элементов, который приводит к увеличению погрешности и неоднородности ослабления, низкая лучевая прочность оптических элементов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является непрерывно регулируемый ослабитель монохроматического оптического пучка. Действие этого ослабителя основано на эффекте полного внутреннего отражения. Ослабитель содержит две прямоугольные призмы из прозрачного материала, расположенные гипотенузными гранями друг к другу с воздушным промежутком. Ослабление в этом случае пропорционально толщине воздушного промежутка, которая изменяется путем изменения напряжения, приложенного к биморфным пьезоэлектрическим элементам, механически жестко связанным с одной из прямоугольных призм. Равномерность ослабления по сечению пучка и стабильность функционирования достигаются за счет введения в оптическую схему ослабителя призмы БкР-180°, оптически сопряженной с указанными прямоугольными призмами.
Недостатком указанного ослабителя является невозможность непосредственной перестройки диапазона ослабления. Этот недостаток является существенным при сопряжении ослабителя с широкодиапазонными фотометрическими приборами и перестраиваемыми по длине волны источниками излучения. Последний недостаток связан с невозможностью компенсации изменения диапазона ослабления при изменении длины волны ослабляемого излучения.
Целью настоящего изобретения является плавная перестройка диапазона ослабления и повышение технологичности изготовления.
Поставленная цель достигается тем, что в ослабителе, содержащем две прямоугольные призмы из прозрачного материала, расположенные гипотенузными гранями друг к другу с воздушным промежутком, и пьезоэлектрический блок регулировки толщины воздушного промежутка, механически жестко связанный с одной из прямоугольных призм, указанные прямоугольные призмы совместно с указанным пьезоэлектрическим блоком установлены с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в плоскости гипотенузных граней указанных прямоугольных призм и перпендикулярной оси оптического пучка, и возможностью фиксации угла поворота, и, кроме того, после второй прямоугольной призмы установлена первая призма БР-180°, боковые ребра которой параллельны оси вращения, а перед первой прямоугольной призмой установлена вторая призма БР-180°, боковые ребра которой перпендикулярны оси вращения и оси оптического пучка, причем длина боковых ребер первой призмы БР-180° и гипотенузных ребер второй призмы БР-180° равны длине боковых ребер указанных прямоугольных призм, длина гипотенузных ребер первой призмы БР-180° равна длине параллельных им катетных ребер указанных прямоугольных призм, длина боковых ребер второй призмы БР-180° равна половине длины параллельных им катетных ребер указанных прямоугольных призм, а плоскости основания второй призмы БР-180° и нерабочей катетной грани одной из прямоугольных призм совпадают при нулевом угле поворота указанных прямоугольных призм.
Установка прямоугольных призм с возможностью вращения позволяет плавно перестраивать диапазон ослабления, а смещение выходного пучка при перестройке компенсируется при указанном расположении оптических элементов, обеспечивающем четырехкратное прохождение пучка через ослабитель. Одновременно достигается компенсация неравномерности ослабления по сечению пучка, связанной с клиновидностью воздушного промежутка, и повышается технологичность изготовления оптических элементов.
Авторам не известна из литературы подобная схема ослабителя, поэтому данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена оптическая схема ослабителя, показан ход лучей и ориентация пучка в поперечном сечении; на фиг. 2, 3, 4 показаны варианты выполнения оптической схемы ослабителя; на фиг. 5, 6 изображен пример конструктивной реализации ослабителя на фиг. 7 изображена зависимость удельного ослабления от угла поворота прямоугольных призм; на фиг. 8 изображен пример графика непрерывной регулировки ослабления с одновременной перестройкой диапазона ослабления.
Ослабитель (см. фиг. 1) содержит прямоугольные призмы 1 и 2, расположенные гипотенузными гранями друг к другу с воздушным промежутком Z, и призмы БР-180° - 3 и 4. Возможен вариант оптической схемы ослабителя (см. фиг. 2, 5, 6), в котором вторая прямоугольная призма и первая призма БР-180° выполнены в виде моноблока 5. В случае применения прямоугольных призм с преломляющим углом, отличным от 45° (особенно в случае применения материалов с большими показателями преломления, например, германия и кремния при длине волны 10,6 мкм), возможен также вариант оптической схемы (см. фиг. 4), в котором указанные прямоугольные призмы выполнены в виде пятиугольных призм 6 и 7. Величины углов и сторон призмы CDEFG - 6 (см. фиг. 3) определяются соотношениями:
<mrow><mi>C</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mi>D</mi><mi>E</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>;</mo><mtext>                   (6)</mtext></mrow>
<mrow><mi>E</mi><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mn>2</mn><mi>α</mi><mo>;</mo><mtext>                (7)</mtext></mrow>
<mrow><mi>G</mi><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>α</mi><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                       (8)</mtext></mrow>
Здесь φ - угол, аналогичный преломляющему углу прямоугольной призмы и выделенный на фиг. 3 пунктирной линией.
Призма 7 (см. фиг. 4) представляет собой вторую пятиугольную призму, аналогичную призме 6, выполненную в виде моноблока с первой призмой БР-180°, выделенной на фиг. 4 пунктиром.
Преломляющий угол в данном случае равен 22,5°, причем показатель преломления материала призм больше 3.
Перемещение призмы 1 относительно моноблока 5 (см. фиг. 5, 6) с целью регулировки толщины воздушного промежутка производится с помощью биморфных пьезокерамических элементов 8, скрепленных для повышения прочности с плоскими пружинами 9 (вторая пара пружин 9 предназначена для обеспечения параллельности перемещения призмы 1). Плоские пружины 9 жестко связаны механически с рамой 10, на которой также жестко закреплен моноблок 5. Материал рамы 10 и материал оптических элементов 1 и 5 имеют равный коэффициент теплового расширения. Вращение рамы 10 относительно неподвижного основания 11 осуществляется с помощью винта 12, а силовое замыкание - с помощью спиральной пружины 13. Рама 10 связана с неподвижным основанием 11 при помощи полуосей 14, обеспечивающих вращение вокруг оси, лежащей в плоскости гипотенузной грани призмы 1 и перпендикулярной оси ослабляемого пучка, и установленных в ней на подшипниках 15. Вторая призма БР-180° закреплена на неподвижном основании 11 с помощью оправы 16.
Ввод и вывод излучения осуществляется соответственно через окна 17 (показаны на фиг. 5 условно) с помощью прямоугольной призмы 18, на катетные грани которой нанесено отражающее покрытие. Поглощение излучения осуществляется поглотителями 19. Поглотители 19 представляют собой диэлектрические поглощающие пластины с пирамидальными углублениями. В случае применения источников излучения с большой средней мощностью в качестве поглотителей используются металлические пластины аналогичной формы, имеющие поглощающее покрытие. Устройство имеет защитную крышку 20.
1
1
2
2
3
3
4
4
При указанном размещении оптических элементов ослабляемый пучок проходит через ослабитель четырежды, причем два прохода осуществляются с инверсией относительно собственной оси по отношению к двум другим проходам (ориентация пучка показана на фиг. 1 стрелками А, В; А, В; А, В; А, В при четырех последовательных проходах пучка, причем третий и четвертый проходы осуществляются с инверсией соответственно по отношению к первому и второму). Ось симметрии входного и выходного пучков параллельна их осям и лежит вместе с их осями в плоскости, параллельной оси вращения прямоугольных призм 1 и 2 (см. фиг. 1).
Отношение амплитуды электрического поля пучка, прошедшего через воздушный промежуток между гипотенузными гранями призм, к амплитуде электрического поля падающего пучка равно (см. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: "Наука", 1970 г.):
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mfrac><mi>z</mi><mi>λ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>          (9)</mtext></mrow>
где θ - угол падения пучка на гипотенузную грань призмы (т.е. на границу раздела материала призмы и воздушного промежутка);
n - показатель преломления материала призм относительно воздуха;
z - толщина воздушного промежутка;
λ - длина волны ослабляемого излучения.
Ослабление интенсивности пучка (в децибелах), следовательно, определяется формулой:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>10</mn><mtext> lg</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>J</mtext><mrow><mtext>вых</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mtext>J</mtext><mrow><mtext>вх</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>40</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>ln</mi><mn>10</mn></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mfrac><mi>z</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext>            (10)</mtext></mrow>
В случае четырех проходов ослабления для произвольно выбранного луча равно:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>40</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>ln</mi><mn>10</mn></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>             (11)</mtext></mrow>
1
2
3
4
где z, z, z, z - толщина воздушного промежутка при первом-четвертом проходах луча соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Двукратное прохождение пучка через воздушный промежуток между призмами 1 и 2 (эквивалентный, согласно формулам (10) и (11), поглощающему оптическому клину), с поворотом на 180° перед вторым проходом, эквивалентно прохождению пучка через два одинаковых оптических поглощающих клина, повернутых друг относительно друга на 180° и образующих, следовательно, плоскопараллельный слой. Это справедливо и для двух пар проходов с инверсией в каждой паре (см. фиг. 1), поскольку оси симметрии обеих пар пучков совпадают. Сходство указанного воздушного промежутка с поглощающим клином определяется характером зависимости ослабления от толщины воздушного промежутка, однако поглощение в самом воздушном промежутке не происходит. Толщина указанного плоскопараллельного слоя равна сумме толщин промежутка между гипотенузными гранями при двух проходах и вследствие симметрии пучков постоянна. Поскольку четыре пучка, проходящие через воздушный промежуток, имеют общую ось попарной симметрии, формула для ослабления интенсивности пучка при четырех проходах через воздушный промежуток имеет вид:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>160</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>ln</mi><mn>10</mn></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>               (12)</mtext></mrow>
0
где z - толщина воздушного промежутка, измеренная на общей оси симметрии.
Угол θ определяется значениями преломляющего узла α прямоугольных призм 1 и 2, и угла поворота β указанных прямоугольных призм, равного углу между осью оптического пучка и нормалью к рабочей грани прямоугольной призмы 1. Зависимость величины угла θ от угла поворота β имеет вид:
<mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>+</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                        (13)</mtext></mrow>
где угол β может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Минимальное значение угла β соответствует значению угла θ, равного предельному углу полного внутреннего отражения материала призм 1 и 2:
<mrow><mo>−</mo><mi>β</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>n</mi><mrow><msub><mrow /><mn>2</mn></msub></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>−</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>           (14)</mtext></mrow>
где n - показатель преломления материала призм 1 и 2.
0
2
Зависимость удельного ослабления (т.е. ослабления при толщине воздушного промежутка z, равной длине волны ослабляемого излучения) от угла поворота β приведена на фиг. 7, где кривая 21 соответствует n=1,50625 (показатель преломления стекла К8 при длине волны λ=1,06 мкм) и углу α=45°; кривая 22 соответствует n=1,5688 (показатель преломления стекла БК10 при длине волны λ=1,06 мкм) и углу α=45°; кривая 23 соответствует n=3,4178 (показатель преломления кремния при длине волны λ=10,6 мкм) и углу α=22,5°; кривая 24 соответствует n=4,0023 (показатель преломления германия при длине волны λ=10,6 мкм) и углу α=22,5°; кривая 25 соответствует n=3,4178 и углу α=45°; кривая 26 соответствует n=4,0023 и углу α=45°. В известных устройствах, работающих на длинах волн λ=1,06 мкм (длина волны излучения лазера на стекле с неодимом) и λ=10,6 мкм (длина волны излучения лазера на СО), целесообразно использовать зависимости вида 21-22 и 23-24 соответственно. Зависимости вида 25-26 целесообразно использовать в прецизионных фотометрических установках, работающих в дальней инфракрасной области, с целью точной регулировки диапазона ослабления в узких пределах. Зависимости вида 21-24 характеризуются широкими пределами перестройки диапазона непрерывного ослабления, что обеспечивается в последних двух случаях выбором малого значения преломляющего угла (α=22,5°).
На фиг. 8 изображен пример графика непрерывной регулировки ослабления в сочетании с перестройкой диапазона ослабления (в случае применения призм из стекла К8 с преломляющим углом α=45° при длине волны ослабляемого излучения λ=1,06 мкм).
Нижняя пунктирная линия соответствует углу поворота β=-4°, верхняя - нулевому углу поворота. Сплошная ломаная линия IKLM изображает изменение ослабления: на участке IK - при непрерывной регулировке и угле поворота β=-4°, на участке KL - при перестройке диапазона путем изменения угла β от -4° до 0°, на участке LM - при непрерывной регулировке и угле поворота β=0°.
В соответствии с вышесказанным предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизны» и имеет существенные отличия, дающие положительный эффект.
Предлагаемая схема ослабителя может быть использована в фотометрических приборах, медицинских и технологических лазерных установках, в системах управления параметрами лазерного излучения.