Принцип действия и основные характеристики ИПФ
ИПФ позволяет получать узкие полосы пропускания, строго центрированные на заданные длины волн. Оптическая часть ИПФ представляет собой стопу пластинок, изготовленных из двулучепреломляющих кристаллических материалов. Стопа на концах заканчивается поляризаторами и может иметь внутри в зависимости от схемы несколько промежуточных поляризаторов. Для удобства рассмотрения оптических схем целесообразно стопу мысленно разделить на части, состоящие из двух последовательных поляризаторов с заключёнными между ними кристаллическими пластинами. Таким образом, внутренний поляризатор должен считаться принадлежащим двум соседним частям оптической стопы. Отдельная часть стопы в дальнейшем будет называться интерференционно-поляризационной ступенью (ИП) или просто ступенью Вуда.
Пластины для ИПФ вырезают из двулучепреломляющих монокристаллов параллельно оптической оси кристалла. Основные оптические свойства ступени ИПФ зависят от главных показателей преломления пластинок, от их числа и толщин, а также от углов ориентировки. Все эти параметры находятся в сложной зависимости.
Число кристаллических пластинок ступени Вуда (основная однокомпонентная) равно еденице. Главные направления поляризаторов взаимно параллельны. Оптическая ось кристалла направлена под углом 45 град к главным направлениям поляризаторов. Если на ступень направить параллельный пучок лучей белого света, то после прохождения ступени ИПФ спектральное распределение интенсивности пучка сильно изменится вследствие интерференции.
Если последовательно располагать несколько однокомпонентных ступеней, в которых толщины пластинок возрастают в два раза, то такая система может выделять части лучистого потока, заключённые в узкие спектральные интервалы, т.е. она является светофильтром, обладающим малой шириной полос пропускания. Спектральное расстояние между полосами может быть сделано настолько большим, что отдельыные полосы могут выделяться обычными абсорбционными фильтрами. Между полосами наблюдается слабый фон, образованный вторичными интерференционными максимумами. Такая система получила различные названия: фильтр монохроматический поляризационный, двоякопреломляющий фильтр, интерференционно-поляризационый фильтр или сокращённо ИПФ.
Для выделения одного или нескольких рабочих максимумов пропускания необходимо, чтобы первая ступень давала бы достаточно большие спектральные интервалы между максимумами. Следовательно, значения волновой разности хода (ВРХ) в первой ступени должны быть малыми. Наоборот, в последней ступени для получения очень узких полос пропускания нужно иметь большое значение ВРХ.
Идеальный ИПФ обладает рядом полос пропускания, причём длины волн, соответствующие максимумам пропускания системы в целом, совпадают с длинами волн максимумов пропускания первой ИП ступени.
В ИПФ, обладающем одной рабочей полосой пропускани, нужно, во-первых, чтобы длина волны, соответствующая одному из главных максимумов пропускания системы, мало отличалась бы от заданной длины волны, во-вторых, чтобы длины волн, соответствующие соседним слева и справа нерабочим главным максимумам пропускания, отличались бы от заданной длины волны на достаточно большие величины, в третьх, чтобы система имела полосу пропускания шириной, близкую к заданной ширине. Удовлетворение первых двух требований достигается выбором толщины кристаллической пластины в первой ИП ступени, а третьего требования, касающегося получения полосы пропускания, выбором толщины кристаллической пластины в последней ступени.
Управление спектральным положением полосы пропускания
Способы управления полосой пропускания ИПФ основаны на изменении под действием одного или нескольких параметров величины ВРХ ступеней.
Очевидным способом изменения ВРХ является изменение толщины кристаллических пластин. С этой целью все или только самые толстые пластины выполняются в виде клиновых компенсаторов. Смещение одного из клиньев компенсатора плавно меняет величину ВРХ. Этот способ перестройки позволяет получить ИПФ с максимальной областью смещения полосы пропускания, равной расстоянию между соседними полосами пропускания ступени с наименьшей разностью хода. Оданако введение клиновых компенсаторов сильно усложняет конструкцию прибора. Разработка приборов по такой схеме не получила достаточно широкого распространения.
Существует способ управления полосой пропускания фильтра посредством изменения температуры. Возможность такого способа управления полосой пропускания объясняется зависимостью двойного лучепреломления и толщины кристаллических пластин от температуры: Temperaturnoe_smeschenie_polos_propuskaniya_IPF.pdf
Основными недостатками способа температурного управления ИПФ является их инерционность. Кроме того, спектральная область сдвига при этом способе управления ограничена.
Наиболее широко используемым способом управления положением полосы является введение в ступени фазоизменяющих устройств (ФИУ), состоящих из линейных фазовых пластинок : Lazernyi_termokompensirovannyi_IPF.pdf
В лазерной технике широкое применение получили внутрирезонаторные ИПФ брюстеровского типа, предназначенные для селекции, стабилизации и перестройки частоты генерации лазерного излучения. В таких фильтах перестройка полосы пропускания осуществляется синхронным поворотом двупреломляющих кристаллических пластин вокруг нормали к их поверхностям. При этом все пластины установлены под углом Брюстера к падающему излучению: Smeschenie_polosy_propuskaniya_IPF_brjusterovskogo_tipa.pdf
Помимо механических способов перестройки полосы пропускания ИПФ можно использовать явления изменения оптических свойств двулучепреломляющих кристаллов под действием электрических и магнитных полей (электрооптический эффект Поккельса и магнитооптический эффект Фарадея). Электрический способ управления положением полосы имеет ряд преимуществ перед другими способами. Он обеспечивает недостижимую при иных способах скорость спектрального смещения полосы пропускания, позволяет автоматизировать измерения, осуществлять дистанционное управление, освободиться от движущихся деталей: SHirokopolosnye_lazernye_IPF_s_jelektricheskim_upravleniem.pdf
Способы увеличения светового поля
Общее количество света, проходящего через интерференционно-поляризационный фильтр (ИПФ), пропорционально квадрату диаметра светового отверстия кристаллических пластин и квадрату апертурного угла, определяемого допустимым изменением волновой разности хода при наклоне лучей. Диаметр узкополосного фильтра практически не превосходит 40 мм из-за трудности получения больших объёмов исландского шпата требуемого качества. В связи с этим при разработке ИПФ одной из наиболее важных задач является возможность создания приборов, допускающих значительный наклон лучей. Так как ИПФ часто работает в параллельных пучках и допустимый наклон лучей реализуется в виде углового поля, то в дальнейшем будем употреблять для характеристики фильтра термин «угловое поле».
Изменение разности хода приводит к спектральному сдвигу полосы пропускания ИПФ, поэтому угловое поле прибора определяется максимально допустимой величиной изменения ВРХ для ступени, содержащей пластинку с наибольшей разностью хода.
Обычно принимают допустимое изменение ВРХ не более 0,1, что соответствует смещению полосы пропускания по спектру на величину, не превыщающую 0,05 её ширины.
В узкополосных фильтрах, в основу оптической схемы которых положены простые однокомпонентные ступени, при ширине полосы 0,1 нм угловое поле составляет примерно 1 град.. Принципиальной особенностью ИПФ, их преимуществом перед другими узкополосными фильтрами является возможность увеличения углового поля без изменения ширины полосы пропускания. Известны три типа широкоугольных ступеней. Ступень типа I отличается от простой ступени тем, что вместо одной кристаллической пластины толщиной l она содержит ориентированные на вычитание две пластины из того же материала толщиной l /2. Помещённая между ними полуволновая пластинка, поворачивая на 90 град плоскость поляризации после первой кристаллической пластины, обеспечивает сложение волновых разностей хода обоих компонентов. В то же время изменения разности хода в обеиих пластинках, вызванные наклоном лучей, имеют разный знак, т.е. компенсируются.
Коноскопическая картина такой ступени представляет собой концентрические окружности, т.е. в некотором диапазоне углов разность хода лучей не зависит от их наклона.
У такой ступени, изготовленной из исландского щпата, угловое поле примерно в 4 раза больше, чем у простой неширокоугольной ступени. В случае применения кварца поле возрастает примерно в 16 раз. Недостатком ступени типа I является ограниченная спектральная область действия, определяемая той длиной волны, на которую рассчитана полуволновая пластина. При разработке широкоугольных ИПФ, спектрально перестраиваемых в широком диапазоне длин волн, необходимо использовать соответствующие ахроматические полуволновые пластинки.
Двухкомпонентная широкоугольная ступень типа II состоит из двух пластин, изготовленных из кристаллов разного знака (отрицательного и положительного). Пластины ориентированы так, что их оптические оси параллельны. Полуволновая пластинка здесь не нужна. Подбором волновых разностей хода пластин можно добиться, чтобы изохромы приобрели форму колец. Вследствие этого угловое поле расширяется и не меняет своего значения с изменением азимутального угла плоскости падения. Угловое поле такой ступени в средней части видимого спектра в 9 раз больше, чем эквивалентной неширокоугольной кварцевой ступени. Недостаток двухкомпонентной широкоугольной ступени заключается в том, что из-за различной дисперсии показателей двупреломления кристаллов при удалении от рабочей длины волны, на которую рассчитан прибор, возрастает интенсивность фона.
Широкоугольная ступень по третьему варианту состоит из трёх пластин. Две вырезаются из кристалла одного знака и ориентируются так, что их оптические оси скрещены. Третья пластина вырезается из кристалла противоположного знака и ориентируется так, чтобы её оптическая ось была параллельна оптической оси одной из первых пластинок.
При подборе кристаллов возможны два варианта (в обоих случаях будем иметь в виду одноосные кристаллы):
Компонент а изготавливается из положительного кристалла, компоненты в и с – из отрицательного.
Компонент а изготавливается из отрицательного кристалла, компоненты в и с – из положительного.
Рассмотрим следующие сочетания кристаллов: кварц – шпат,ц – KDP, кварц – ADP, вольфромат кальция – шпат. В трёх случаях, когда для компонента а был выбран кварц, исходные данные для расчёта определялись следующим образом. При изготовлении простой широкоугольной ступени ИПФ толщина кварцевой пластины обычно не превышает 30 мм (при большей толщине кварц выгоднее заменять кальцитом). Сочетание кристаллов кварц – шпат для обеспечения широкоугольности практически трудно осуществимо: в ступенях низких порядков очень мала толщина компонентов из шпата. Использование этого сочетания в ступенях высоких порядков приводит к очень большой толщине кварцевых пластин (более 100 мм). Лучший вариант широкоугольной трёхкомпонентной ступени из кристаллов разного вида может быть осущуствлен на основе применения пар кварц – KDP или кварц – ADP в ступенях низких порядков и пары вольфромат кальция – шпат в ступенях высокого порядка.
Способы повышения пропускания
Наиболее простым способом повышения общего количества света, проходящего через ИПФ, является увеличение светового диаметра оптических деталей. Однако в узкополосных ИПФ, содержащих ступени Лио, для формирования полосы пропускания по уровню 0,5 шириной 0,1 нм и менее используется исландский шпат, обладающий большим двупреломлением. Диаметр кристаллической оптики при этом не может быть более 40 мм из-за отсутствия крупных кристаллов высокого оптического качества. В связи с этим большое значение имеет разработка принципиальной схемы прибора, обеспечивающего узкую полосу пропускания при использовании лишь кристаллического кварца.
В узкополосных интерференционно-поляризационных фильтрах пропускание на рабочей длине волны зависит от количества и качества поляризаторов. Рассмотрим ИПФ с полосой пропускания шириной 0,08 нм. В качестве двупреломляющего материала используем кристаллы кварца, исландского шпата и дигидрофосфата аммония. Всего схема содержит 18 кристаллических пластин, 7 поляроидов и интерференционный фильтр с шириной полосы пропускания 1,6 нм и пропусканием в максимуме 54 %. Пропускание прибора на рабочей длине волны излучения составляет 5,5 %, оно ограничивается большим числом поляризаторов и узкополосным интерференционным фильтром. В связи с этим большой интерес представляет вариант фильтра по схеме Шольца. Согласно этой схеме между двумя поляризаторами помещён ряд кристаллических пластин одинаковой толщины из одного материала. Такой фильтр может быть выполнен в двух вариантах. В первом варианте поляризаторы параллельны. Одно из главных направлений пластинок с нечётным номером составляет с главным направлением входного поляризатора угол х/2, отсчитанный, например, по часовой стрелке, а для пластин с чётным номером – тот же угол х/2, но отсчитанный против часовой стрелки. Во втором варианте поляризаторы скрещены, а кристаллооптическая ось каждой следующей пластины повёрнута относительно предыдущей на угол х в одну и ту же сторону. Приближённо х = 90град/m, где m – число пластинок: Mnogokomponentnaya_stupen.pdf
Спектральное распределение пропускания имеет приблизительно тот же характер, что и пропускание фильтра Лио, состоящего из нескольких ступеней. Одна многокомпонентная ступень в некоторых отношения эквивалентна фильтру Лио, состоящему из нескольких ступеней. Для сравнения целесообразно взять многокомпонентную ступень Шольца, состоящую из m = 2 в степени n одинаковых кристаллических пластин, где n – число ступеней в фильтре Лио. Кроме того, следует задать толщину пластинок в многокомпонентной ступени равной толщине пластинки в первой ступени фильтра Лио (с наименьшей разностью хода). При этих условиях спектральный интервал между главными максимумами пропускания, число нулей и число вторичных максимумов получаются в многокомпонентной ступени одинаковыми по отношению к фильтру Лио. Однако анализ показывает, что полная ширина полосы пропускания, равная спектральному интервалу между минимумами, для многокомпонентной ступени в 0,87 раз меньше, чем в сопостовляемом фильтре Лио. При достаточно большом n (n пропускание во вторичных максимумах близких к главному максимуму для фильтра Шольца примерно 2,5 раза больше, чем для эквивалентного ему фильтра Лио. Таким образом, в отношении вторичных максимумов многокомпонентная ступень значительно уступает фильтру Лио. Далее будет показана возможность снижения спектрального фона вне полосы пропускания путём определения закономерностей изменения величины углов ориентации пластин: Modificcirovannaya_mnogokomponentnaya_stupen.pdf
Получение достаточно обширной области свободной дисперсии в одной многокомпонентной ступени связано с необходимостью применения большого количества кристаллических пластин. Например, при ширине полосы пропускания 0,3 нм необходимы 80 кварцевых пластин толщиной по 2,2 мм, что обеспечивает величину области дисперсии примерно 14 нм в видимой области спектра. При ширине полосы меньше 0,1 нм число пластин достигает нескольких сотен.
В результате совместного действия нескольких многокомпонентных ступеней, содержащих пластины с несколько различной толщиной, можно одновременно расширить область свободной дисперсии и повысить селективность ИПФ. Селективность ИПФ определяется отношением области свободной дисперсии к ширине полосы пропускания. В ступени Вуда селективность равна 2. В многокомпонентной ступени эта величина зависит от числа пластин m и равна 2m. Для двух последовательных ступеней фильтра Лио отношение областей свободной дисперсии равно 2. Величина отношения областей свободной дисперсии двух многокомпонентных ступеней должна выбираться с учётом заданной ширины полосы пропускания ИПФ и требований к допустимому уровню вторичных максимумов пропускания.
С целью повышения пропускания Эванс предложил ступень, состоящую из трёх кристаллических пластин. По этой схеме ориентация поляризаторов 45 град и 135 град, а пластин 0 град, 45 град и 0 град. Толщины крайних пластинок равны. Такая ступень по своему действию эквивалентна двум однокомпонентным ступеням Лио, поэтому получила название ступени двойного действия. Она позволяет уменьшить число поляризаторов, благодаря чему повышается пропускание ИПФ. Недостаток трёхкомпонентной ступени в том, что по мере удаления от рабочей длины волны она работает с погрешностями, устранить которые можно путём добавления к каждой из крайних пластин ахроматической пластинки в четверть волны.
Способы уменьшения вторичных максимумов
При разработке многокомпонентной ступени весьма существенно определение оптимального значения угла взаимной ориентации кристаллических пластин, при котором достигается наибольшее относительное пропускание в главных максимумах по сравнению с вторичными. При использовании приближённой формулы для определения величины углов ориентации пропускание в наиболее сильных вторичных максимумах достигает 10 – 12 % от пропускания в главном. Фон может быть снижен, если углы ориентации крайних пластин будут меньше, чем центральные, причём закон изменения азимутов пластин может быть различным ("треугольник", Гаусс и т.д.): Kontrastnyi_interferenccionno.pdf
.
Одной из наиболее существенных характеристик ИПФ, в частности, предназначенных для астофизических исследований, является качество изображения. Одним из способов повышения качества изображения является использование специальной корригирующей ступени, получившей название контраст – элемента. Назначение этой ступени – подавлять те вторичные максимумы, которые появляются и значительно возрастают при перемещении полосы пропускания по спектру (в управляемых ИПФ). В связи с этим толщина кристаллов контраст-элемента рассчитывается специальным образом, в то время как толщины пластин остальных ступеней подчиняются отношению 1:2:4:8:16 и т.д.
Если ширина полосы пропускания ИПФ больше ширины линии излучения, в которой осуществляется наблюдение объекта, введение контраст – элемента позволяет сужать полосу пропускания фильтра, т.е. наблюдать структуру линии, а не всю линию сразу, как при широкой полосе. Если же ширина полосы фильтра меньше ширины линии излучения, использование контраст – элемента повышает контраст и качество изображения. Существует зависимость между толщиной контраст – элемента и отношением сигнала к шуму(S/N). При этом под шумом понимается общее количество энергии, проходящей через фильтр, а сигнал – это интеграл между точками, соответствующими интенсивности 50 %. Если ИПФ узкополосный, то хороший результат даёт контраст – элемент, толщина кристалла в котором равна тощине кристаллической пластины во второй ступени ИПФ (считая, что самую толстую пластину с наибольшей разностью хода содержит первая ступень).
Уменьшение величины вторичных максимумов с одновременным сужением полосы пропускания может быть осуществлено путём введения в ИПФ внутренней модуляции, зависящей от формы поляризации светового потока после двулучепреломляющей пластины, в сочетании с электрической фазочувствительной регистрацией: Modulyaccionnye_IPF.pdf