УЗКОПОЛОСНЫЕ ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ СТУПЕНИ ОПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА (НА ОСНОВЕ ДВУХЛУЧЕВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ)
УДК 681.785.57: 535.417
УЗКОПОЛОСНЫЕ ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ СТУПЕНИ ОПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА (НА ОСНОВЕ ДВУХЛУЧЕВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ)
© 2010 г. Е. С. Кулагин, канд. физ.-мат. наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург E-mail: kulaginevgeny@bk.ru
Рассмотрена возможность создания узкополосных широкоугольных и перестраиваемых ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с металлическими полупрозрачными слоями. Применение разработанной многократной двухлучевой интерференции света на металлических полупрозрачных слоях позволяет упростить схему последовательно расположенных ступеней фильтра. Для стабильности юстировки и возможности перестройки по спектру предлагается склеивать или жестко закреплять основные элементы в один блок с воздушными зазорами в каждой ступени. Зазоры позволяют располагать в них юстировочные элементы и перестраивать ступень в широком спектральном диапазоне. Получены основные формулы двухлучевого интерферометра с широким угловым полем зрения и их вариант для ступени с зазорами. Создан и испытан рабочий макет склеенной первой ступени.
Ключевые слова: узкополосный оптический фильтр, двухлучевой интерферометр с широким полем, полупрозрачный металлический слой.
Коды OCIS: 120.2440, 260.3910
Поступила в редакцию 31.03.2010
Введение
Узкополосные оптические фильтры (спектральное разрешение R > 104) широко применяются в физике, в частности, для исследований в области физики Солнца. Если полоса пропускания фильтра уже, чем солнечная линия, то становится возможной двумерная (фильтровая) спектроскопия. Несколько фильтрограмм, полученных в различных частях линии, дают информацию о контуре этой линии во всех разрешаемых точках изображения. Для этой же цели потребовалось бы множество щелевых спектрограмм. Двумерная спектроскопия дает возможность получать карты лучевых скоростей и магнитных полей на солнечной поверхности с высоким пространственным и временным разрешением. Все современные солнечные телескопы оснащаются узкополосными фильтрами. В настоящее время узкополосные фильтры реализуются в виде интерференционно-поляризационного фильтра или интерферометра Фабри–Перо. В качестве предварительного монохроматора, сужающего полосу пропускания до нескольких нанометров, обычно используется интерферен-
ционный фильтр. С интерференционно-поляризационным фильтром сложно получить узкую полосу пропускания из-за отсутствия больших и однородных кристаллов. Так же трудно сделать интерференционно-поляризационный фильтр перестраиваемым в широком спектральном диапазоне. Основными недостатками фильтра Фабри–Перо являются сложности с выделением рабочего порядка и малое угловое поле зрения.
В качестве узкополосной ступени оптического фильтра используется двухлучевой интерферометр. Он является аналогом ступени интерференционно-поляризационного фильтра. Но в двухлучевом интерферометре не используются кристаллы. Необходимая разность хода создается в стекле и в воздухе. Поэтому нет ограничения на сужение полосы пропускания. При определенном соотношении разности хода в стекле и в воздухе двухлучевой интерферометр имеет широкое угловое поле зрения.
В работе показана возможность создания узкополосных широкоугольных и перестраиваемых ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с полупрозрачными металлическими слоями. Применение
78 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
разработанной многократной последовательной двухлучевой интерференции света на полупрозрачных металлических слоях позволяет существенно упростить схему нескольких ступеней фильтра, состоящих из двухлучевых интерферометров.
Для стабильности юстировки и возможности перестройки ступени в широком спектральном диапазоне предлагается склеивать или закреплять основные элементы ступеней в единый жесткий блок с воздушными зазорами в каждой ступени. В этих зазорах располагаются юстировочные и сканирующие элементы, работающие на пропускание света. Наличие зазоров и малая селективность полупрозрачных металлических слоев позволяет перестраивать ступени в широком спектральном диапазоне.
Двухлучевой интерферометр с широким угловым полем
Важное свойство двухлучевого интерферометра – иметь широкое угловое поле зрения известно давно [1]. Здесь приводится краткое изложение этого вопроса, которое дает возможность получить точную формулу для изменения разности хода в широком угловом поле зрения интерферометра. Полученные формулы потребуются для дальнейшего изложения.
Найдем соотношение между разностью хода в стекле и в воздухе, необходимое для получения широкого углового поля с неизменной, отличной от нуля, разностью хода в двухлучевом интерферометре.
Слой воздуха толщиной t дает следующую известную зависимость оптического хода Δ от угла наклона луча ϕ относительно нормали к слою. Приводится точная формула и приближенная, с точность до ϕ2
Δ
=
tcos
ϕ
≈
t
−
t
ϕ2 2
.
(1)
Слой стекла такой же толщины с показателем преломления n дает оптический ход
Δ
=
t(n2
−
)sin2ϕ 1/2
≈
tn
−t
ϕ2 2n
.
(2)
Если в двухлучевом интерферометре исходная разность хода лучей в его плечах равна нулю, то после введения в одно из плеч стеклянной пластинки толщиной t, будем иметь следующую разность хода (с точностью до ϕ2), учитывая, что стекло вытеснило равный по толщине слой воздуха. Из (1) и (2) получаем
Δ
=
(n
−1)t
+
⎝⎜⎜⎛⎜1
−
1 n
⎠⎟⎟⎟⎞t
ϕ2 2
.
(3)
Заметим, что в (3) разность хода растет с углом ϕ. Поэтому добавление в это же плечо интерферометра дополнительного слоя воздуха толщиной
d
=
⎜⎛⎝⎜⎜1−
1 n
⎞⎟⎟⎟⎠t
(4)
делает разность хода в двухлучевом интерфе-
рометре независимой от угла падения луча с точностью до ϕ2. Будем называть эту разность хода “широкоугольной” и обозначим как Δш. Добавляя в (3) слой воздуха (4), расписанный с точностью до ϕ2 по (1), получаем
Δø
=
⎜⎝⎜⎜⎛n
−
1 n
⎞⎠⎟⎟⎟t.
(5)
Теперь можно записать точную формулу для широкоугольной разности хода Δш, используя точные формулы (1) и (2) для стекла толщиной t, вытесненного им слоя воздуха, той же толщины, и необходимой для создания широкого углового поля дополнительной воздушной разности хода в том же плече d (4). Получаем
Δø
=
t(n2
−
)sin2ϕ 1/2
−
tcosϕ
+
t⎛⎝⎜⎜1
−
1 n
⎟⎞⎠⎟⎟cosϕ
и окончательно имеем точную формулу
{ }Δø = (n2− )sin2ϕ 1/2−(cosϕ)/n t.
(6)
Формула (6) переходит в формулу (5) при ϕ
УЗКОПОЛОСНЫЕ ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ СТУПЕНИ ОПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА (НА ОСНОВЕ ДВУХЛУЧЕВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ)
© 2010 г. Е. С. Кулагин, канд. физ.-мат. наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург E-mail: kulaginevgeny@bk.ru
Рассмотрена возможность создания узкополосных широкоугольных и перестраиваемых ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с металлическими полупрозрачными слоями. Применение разработанной многократной двухлучевой интерференции света на металлических полупрозрачных слоях позволяет упростить схему последовательно расположенных ступеней фильтра. Для стабильности юстировки и возможности перестройки по спектру предлагается склеивать или жестко закреплять основные элементы в один блок с воздушными зазорами в каждой ступени. Зазоры позволяют располагать в них юстировочные элементы и перестраивать ступень в широком спектральном диапазоне. Получены основные формулы двухлучевого интерферометра с широким угловым полем зрения и их вариант для ступени с зазорами. Создан и испытан рабочий макет склеенной первой ступени.
Ключевые слова: узкополосный оптический фильтр, двухлучевой интерферометр с широким полем, полупрозрачный металлический слой.
Коды OCIS: 120.2440, 260.3910
Поступила в редакцию 31.03.2010
Введение
Узкополосные оптические фильтры (спектральное разрешение R > 104) широко применяются в физике, в частности, для исследований в области физики Солнца. Если полоса пропускания фильтра уже, чем солнечная линия, то становится возможной двумерная (фильтровая) спектроскопия. Несколько фильтрограмм, полученных в различных частях линии, дают информацию о контуре этой линии во всех разрешаемых точках изображения. Для этой же цели потребовалось бы множество щелевых спектрограмм. Двумерная спектроскопия дает возможность получать карты лучевых скоростей и магнитных полей на солнечной поверхности с высоким пространственным и временным разрешением. Все современные солнечные телескопы оснащаются узкополосными фильтрами. В настоящее время узкополосные фильтры реализуются в виде интерференционно-поляризационного фильтра или интерферометра Фабри–Перо. В качестве предварительного монохроматора, сужающего полосу пропускания до нескольких нанометров, обычно используется интерферен-
ционный фильтр. С интерференционно-поляризационным фильтром сложно получить узкую полосу пропускания из-за отсутствия больших и однородных кристаллов. Так же трудно сделать интерференционно-поляризационный фильтр перестраиваемым в широком спектральном диапазоне. Основными недостатками фильтра Фабри–Перо являются сложности с выделением рабочего порядка и малое угловое поле зрения.
В качестве узкополосной ступени оптического фильтра используется двухлучевой интерферометр. Он является аналогом ступени интерференционно-поляризационного фильтра. Но в двухлучевом интерферометре не используются кристаллы. Необходимая разность хода создается в стекле и в воздухе. Поэтому нет ограничения на сужение полосы пропускания. При определенном соотношении разности хода в стекле и в воздухе двухлучевой интерферометр имеет широкое угловое поле зрения.
В работе показана возможность создания узкополосных широкоугольных и перестраиваемых ступеней оптического фильтра на основе двухлучевых интерферометров с полупрозрачными металлическими слоями. Применение
78 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
разработанной многократной последовательной двухлучевой интерференции света на полупрозрачных металлических слоях позволяет существенно упростить схему нескольких ступеней фильтра, состоящих из двухлучевых интерферометров.
Для стабильности юстировки и возможности перестройки ступени в широком спектральном диапазоне предлагается склеивать или закреплять основные элементы ступеней в единый жесткий блок с воздушными зазорами в каждой ступени. В этих зазорах располагаются юстировочные и сканирующие элементы, работающие на пропускание света. Наличие зазоров и малая селективность полупрозрачных металлических слоев позволяет перестраивать ступени в широком спектральном диапазоне.
Двухлучевой интерферометр с широким угловым полем
Важное свойство двухлучевого интерферометра – иметь широкое угловое поле зрения известно давно [1]. Здесь приводится краткое изложение этого вопроса, которое дает возможность получить точную формулу для изменения разности хода в широком угловом поле зрения интерферометра. Полученные формулы потребуются для дальнейшего изложения.
Найдем соотношение между разностью хода в стекле и в воздухе, необходимое для получения широкого углового поля с неизменной, отличной от нуля, разностью хода в двухлучевом интерферометре.
Слой воздуха толщиной t дает следующую известную зависимость оптического хода Δ от угла наклона луча ϕ относительно нормали к слою. Приводится точная формула и приближенная, с точность до ϕ2
Δ
=
tcos
ϕ
≈
t
−
t
ϕ2 2
.
(1)
Слой стекла такой же толщины с показателем преломления n дает оптический ход
Δ
=
t(n2
−
)sin2ϕ 1/2
≈
tn
−t
ϕ2 2n
.
(2)
Если в двухлучевом интерферометре исходная разность хода лучей в его плечах равна нулю, то после введения в одно из плеч стеклянной пластинки толщиной t, будем иметь следующую разность хода (с точностью до ϕ2), учитывая, что стекло вытеснило равный по толщине слой воздуха. Из (1) и (2) получаем
Δ
=
(n
−1)t
+
⎝⎜⎜⎛⎜1
−
1 n
⎠⎟⎟⎟⎞t
ϕ2 2
.
(3)
Заметим, что в (3) разность хода растет с углом ϕ. Поэтому добавление в это же плечо интерферометра дополнительного слоя воздуха толщиной
d
=
⎜⎛⎝⎜⎜1−
1 n
⎞⎟⎟⎟⎠t
(4)
делает разность хода в двухлучевом интерфе-
рометре независимой от угла падения луча с точностью до ϕ2. Будем называть эту разность хода “широкоугольной” и обозначим как Δш. Добавляя в (3) слой воздуха (4), расписанный с точностью до ϕ2 по (1), получаем
Δø
=
⎜⎝⎜⎜⎛n
−
1 n
⎞⎠⎟⎟⎟t.
(5)
Теперь можно записать точную формулу для широкоугольной разности хода Δш, используя точные формулы (1) и (2) для стекла толщиной t, вытесненного им слоя воздуха, той же толщины, и необходимой для создания широкого углового поля дополнительной воздушной разности хода в том же плече d (4). Получаем
Δø
=
t(n2
−
)sin2ϕ 1/2
−
tcosϕ
+
t⎛⎝⎜⎜1
−
1 n
⎟⎞⎠⎟⎟cosϕ
и окончательно имеем точную формулу
{ }Δø = (n2− )sin2ϕ 1/2−(cosϕ)/n t.
(6)
Формула (6) переходит в формулу (5) при ϕ