專利名稱：有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光學(xué)系統(tǒng)，更準(zhǔn)確地說是涉及到各種有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)。
本發(fā)明可應(yīng)用于光譜測量和光譜分析，應(yīng)用于光學(xué)儀器，特別是在激光儀器制造中對光學(xué)零件的質(zhì)量控制。
人們已經(jīng)熟知作為有選擇性的干涉光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)的濾光器件。例如，已知的各種選通的干涉濾光器，它們至少由兩組平行的且在其間裝有許多薄介電層的局部透明的反射鏡組成。反射鏡由高折射率和低折射率的四分之一波長的多個透明介電層組成，而在反射鏡之間的介電層光學(xué)厚度等于濾出輻射光的半波長。(伏，伏。列別捷娃“光譜測量技術(shù)”，1977，莫斯科，第166-167頁;su，A，539284)。
作為光譜測量，這些濾光器的缺點是，其通帶寬度太窄，并且存在著附加的干擾分離已有波長的通帶。這些濾光器的另一個缺點是在其通帶界線附近同時存在著長長伸出的“雙翼”。
已知的干涉儀，包括兩個互相平行放置的面平行的薄片，該二薄片對入射輻射光呈45°角。在這種儀器中，一束光線入射到第一個薄片時獲得兩束干涉的光線。第一束光線是在第一個薄片的第一個界面反射形成，入射到第二個薄片，通過第二薄片的第一個界面，又從第二界面反射過來，而且通過第二個薄片的第一個界面。第二束光線通過第一個薄片的第一個界面，從第一個薄片的第二個界面和第二個薄片的第一個界面反射出來。這些光束間的行程差在嚴(yán)格平行的薄片條件下等于零。改變薄片之間的角度，可以得到各干涉光束的行程差，其差值對應(yīng)于一定波長的干涉峰值(伏.伏.列別捷娃“光譜測量技術(shù)”，1977，莫斯科，第167頁)。
這種設(shè)備的缺點在于干涉峰值很寬，干涉峰值向極小值轉(zhuǎn)移很平坦，因此，干涉圖象反差不夠。
另一個熟知的干涉儀包括互成直角放置的兩個反射鏡和兩個與它們呈45°角的面平行薄片，一個來透明反射鏡被加到它們中第一個面平行薄片的第一個表面上。光束入射到第一個面平行薄片半透明反射鏡上并分離成兩束相互干涉的光線。第一束光線通過面平行薄片從第一個反射鏡反射出，而后從第一薄片的半透明反射鏡反射出。第二束光線從第一個薄片的半透明反射鏡反射出，而后又從第二反射鏡反射出并且通過第一個薄片。沿第二束光的行程在第二反射鏡的前面引入第二個面平行薄片以補償這些光束的行程差。在反射鏡的某個位置上各光束行程差為零。用移動第一個反射鏡的方法可以得到各干涉光束的行程差值，該差值對應(yīng)于一定波長的干涉峰值(斯.埃。伏里希，阿。貝。季莫療娃“普通物理教程”第Ⅲ卷，1952，莫斯科，第438頁)。
這種設(shè)備和上述的干涉儀有同樣的諸多缺點，因為它們兩者都是雙光束干涉儀。
為人們所熟習(xí)的反射干涉濾光器，它帶有折射率周期性變化的薄片，同時，折射率變化周期等于在薄片材料中濾光輻射的半波長。入射到分層薄片上的光線一部分從每一層反射出來，一部分則繼續(xù)向前通過。這樣一來，從分層薄片反射出的光線，具有相應(yīng)于薄片層數(shù)那樣多數(shù)量的干涉光束。多光束干涉的結(jié)果，在出射口得到某種波長及其高諧波的高色覺強(qiáng)度的光線。(伏.伏.列別捷娃“光譜測量技術(shù)”，1977，莫斯科，第42頁;su，A，881647)這種設(shè)備的缺點是同時存在著干涉的各種附加峰值，它們分布在波長標(biāo)定范圍之內(nèi)各主要峰值間并且干擾該波長的輻射光分離。
本發(fā)明的基本點是提出建立有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)的任務(wù)該系統(tǒng)具有非常窄的工作通帶界線，同時具有高的反差度，這是因為在波長標(biāo)定中創(chuàng)立了從峰值色覺強(qiáng)度到極小色覺強(qiáng)度的陡峭結(jié)，并且降低了通帶附加峰值的相對值。
這個任務(wù)是這樣解決的，即有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)包括以干涉為基礎(chǔ)而進(jìn)行工作的濾光器件，并且至少有一個反射部件和輻射透射部件，按照本發(fā)明，還有第二個濾光器件，它與第一個濾光器件相同，并且沿光束行程把它順序地放在第一個濾光器件的后面，而且它至少包括一個反射部件和輻射透射部件，為此，這些濾光器件是這樣制成的，即使一個濾光器件的通帶峰值波長不同于另一個濾光器件的通帶峰值波長，其差值足以使第一個濾光器件的透射指數(shù)減小到等于或大于它的峰值的0.85。
引入第二個濾光器件可以在波長標(biāo)定范圍內(nèi)形成從峰值色覺強(qiáng)度到極小色覺強(qiáng)度的更陡峭的結(jié)，這就導(dǎo)致系統(tǒng)工作通帶界線的收縮，與此同時，提高了反差度。
采取以下措施是恰當(dāng)?shù)模词姑總€濾光器件的反射部件都有一對面平行薄片且在任一濾光器件中一對面平行薄片安置在某一角度之下，以保證一個濾光器件的通帶峰值相對于另一個濾光器件的通帶峰值有一個位移。
下述情況是所希望的，即在每一個濾光器件中，一對面平行薄片置于某角度之下，而使一個濾光器件面平行薄片之間的角度與另一個濾光器件面平行薄片之間的角度有不同的數(shù)值以保證上述那個位移。
每個濾光器件的反射部件可以有兩個反射鏡，而第一個濾光器的一個反射鏡可以放置在比第二個濾光器件相應(yīng)的反射鏡更靠近輻射透射部件的地方，以保證一個濾光器件的通帶峰值相對于另一濾光器件的通帶峰值的位移。
除此之外，這樣做看來是適宜的，即使每個濾光器件的反射部件具有以周期函數(shù)表示的可調(diào)折射率，而反射棱鏡則是每個濾光器件的輻射光透射部件，反射部件加在棱鏡的反射界面上，同時在第一個濾光器件的出射界面和第二濾光器件的入射界面之間要有一定的角度，以保證一個濾光器件的通帶峰值對另一個濾光器件的通帶峰值的位移。
接下來對本發(fā)明以實施例和附圖加以說明，其中

圖1，根據(jù)發(fā)明描述了有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng);
圖2描繪了濾光器件的透射指數(shù)對輻射透射光波長之間的關(guān)系;
圖3，根據(jù)發(fā)明，描繪了該系統(tǒng)帶有面平行薄片的情況;
圖4，根據(jù)本發(fā)明，描繪了帶有面平行薄片系統(tǒng)的另一實施方案;
圖5，根據(jù)本發(fā)明，描述了帶有反射鏡的濾光系統(tǒng);
圖6，根據(jù)本發(fā)明，描述了帶有反射棱鏡的濾光系統(tǒng);
圖7a，b，c，d，e，根據(jù)本發(fā)明，描述了其各種濾光器件不同安排的濾光系統(tǒng)。
有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)包括兩個相同的濾光器件1(圖1)和2，其中每一個濾光器件按干涉原理而工作。每個濾光器件1(2)至少有一個反射部件(在已提出的方案中有兩個)，即3，4和5，6以及輻射光透射部件7，8。器件1，2安置在由光學(xué)透明材料，例如玻璃，做成的基底9上。
每個反射部件3-6做成分層組件形式10，11，12和13，它們分別由光學(xué)透明材料制成。透射光部件7，8由高折射率光學(xué)透明材料制成。分層10(11-13)直接附加在部件7(8)上，它是由比部件7(8)折射率低的材料做成。緊接著它們的分層10′，11′，12′和13′由與部件7(8)材料相同的高折射率材料做成。接下來的分層10-13和10′-13′按上述順序依次交替排列。
在器件1，2之間有光學(xué)透明層14，將器件1，2分割開來。
濾光器件1，2做成這樣，即使濾光器件1(圖1，2)的通帶16峰值15的波長λ1(圖2)與濾光器件2的通帶18之峰值17的波長λ2相差△λ。
該△λ值由器件1的透射指數(shù)T值所確定，而T值要降低到等于或大于對應(yīng)該器件1的峰值15的0.85。
如果位移大小是這樣選定的話，使透射指數(shù)降低到小于峰值0.85的值，那么，就不會產(chǎn)生降低通帶附加值的效果。在圖2中，這個值取值為峰值15的0.97。
實際上位移值△λ可以擬定為5-10納米(HM)。
對應(yīng)于器件1，(圖1)2的不同的波長λ1，λ2是用這樣的方法達(dá)到的，即使部件7等于λ1/2光學(xué)厚度，而部件8相應(yīng)地等于λ2/2光學(xué)厚度。器件1的各層10，10′，11，11′，都等于λ1/4光學(xué)厚度，而器件2的各層12，12′，13，13′相應(yīng)地為λ2/4。
由于通帶16(18)的峰值15(圖2)(17)位移的結(jié)果，通帶16、18的附加峰值19、20與相應(yīng)的通帶18、16的極小值21、22在波長上幾乎是重合的，這就在整個系統(tǒng)的合成通帶中保證附加的峰值急劇下降。此外，合成通帶由于峰值15(17)的位移而發(fā)生附加的收縮，這就改善了系統(tǒng)的光學(xué)特性。
圖3中導(dǎo)出了實施該系統(tǒng)的另一個方案，該系統(tǒng)對各種干涉儀來說是比較好的。系統(tǒng)包括兩個相同濾光器件1′，2′，它們包括一對對的平行薄片23，24，25，26，都是由光學(xué)透明材料做成的。
在一個濾光器件中，例如器件1′，薄片23，24平行放置，雖然在另一個器件2′中，薄片25、26被置于某夾角α的位置。
在圖3中α角預(yù)先給出，但它的值非常小，例如小于1°。
將薄片25、26置于某個角度以保證在干涉圖象中峰值的位移，而干涉圖象是由器件1、2每個薄片作用所建立的。由此，這個合成圖象的界線由于暗區(qū)增加而被壓縮。圖象變得更清晰，這就減輕了干射儀的工作負(fù)擔(dān)。
在器件1′或在兩個器件1′和2′(圖4)中，可以實現(xiàn)濾光薄片相類似的旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，濾光薄片25，26旋轉(zhuǎn)α角，而濾光薄片23，24旋轉(zhuǎn)β角，其角度值不同，但不會超過1°。合成干涉圖象與按圖3方案中所得到的相同。
下面我們將研究實現(xiàn)干涉儀的另一個方案(圖5)。在其中濾光器件1″和2″的每一個包括兩個反射鏡(27、28和29、30)型的反射部件以及兩個輻射光透射部件31，32和33，34。從一個側(cè)面將半透明反射鏡各層35，36加到部件32，34上。反射鏡28、30裝以滑軌37、38和螺釘39、40以實現(xiàn)平行移動。
在一個濾光器件中，例如在器件1″中，反射鏡28到透射部件32的距離比在器件2″中反射鏡30到透射部件34的距離設(shè)置得更近一些。在由器件1″和2″的每一個元件所建立的干涉圖象中，這種距離上的差別保證了各峰值的位移。合成的干涉圖象如按圖3，4的方案所得到的圖象那樣而獲得。
圖6中再導(dǎo)出一個有選擇性的光學(xué)濾光系統(tǒng)的實施例。在此系統(tǒng)中，每個濾光器件1″和2″包括形式為分層薄片41、42的反射部件以及反射棱鏡(43，44)型的透射部件。分層薄片41，42的折射率變化不大，并且在不同薄片41、42的附近沿光線行程，以等于在薄片41、42的材料中所濾出輻射光半波長的周期、同樣地周期地變化著。
薄片41，42加到棱鏡43，44的垂直邊界面上，棱鏡的各角最好等于90°，30°，60°。棱鏡43、44由光學(xué)透明材料做成。
棱鏡43，44材料的折射率等于相應(yīng)薄片41、42與薄片41、42相接觸的表面上的折射率。
在棱鏡43的出射界面45和棱鏡44的入射界面46有一r角度，其值不超過1°，且在圖6中已約定。
這種角度的存在就形成通帶峰值的位移，它與圖2中所示相類似，而總的合成通帶界線則與圖1中所示的系統(tǒng)相類似。
但是在已研究過的實例中(圖6)，對照薄片41(圖6)，42，以周期等于λ1，λ2半波長的周期函數(shù)對折射率進(jìn)行調(diào)制時，可以得到類似的效果。在這個方案中，r等于零。
濾光器件1、2可能排列成各種相互關(guān)聯(lián)的位置，例如，如圖7中所示。
圖7a，7b中，濾光器件1
，2
是這樣放置的，即使棱鏡43，44小直角邊為器件1
出射界面45和器件2
入射界面46。為此，在圖7a中，入射輻射光A和出射輻射光B相互平行，而在圖7b中，其方向呈一夾角。
在圖7c和7d中，棱鏡43的直角三角形斜邊界面是器件1
的出射界面45，而棱鏡44小直角邊界面則是器件2
的入射界面46。為此，在圖7e中，輻射光A、B呈一角度，而在圖7d中則相互平行。
在圖7e中，棱鏡43、44直角三角形斜邊界面分別是器件1
的出射界面45和器件2
的入射界面46，輻射光A和B的方向分別呈一角度。
有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)按以下方式工作。
入射到系統(tǒng)的光線(圖1)，在兩種介質(zhì)分界的每個邊界上分成前進(jìn)的和反射的兩束光。由于眾多束光干涉的結(jié)果，通過器件1的不是全部光線，而僅僅是與器件1的通帶相符合的那部分光線，其通帶在波長λ1時具有某種寬度的主峰值15和附加峰值19或從主峰值15偏左偏右的“雙翼”。由于此光，作用類似器件1的濾光器件2只濾出對應(yīng)于器件2通帶的那些光線。因為器件1和2的通帶界線位移，所以附加峰值19(或20)或者一個濾光器件的通帶界線的“雙翼”將不再從第二個濾光器件通過。系統(tǒng)的合成通帶界線寬度較小，同時附加峰值平緩且具有比濾光器件1和2的通帶16，18的界線要低的“雙翼”。
在圖3，4，5中所描繪的系統(tǒng)以下述方式進(jìn)行工作。通帶界線非常寬的“單色”光入射到濾光器件1，1″中。在器件1，1″中，由于兩束光線形成的干涉，在器件1′，1″的出射口形成相等傾角(或相等厚度)通帶的干涉圖象。這些通帶從峰值視覺強(qiáng)度到極小值轉(zhuǎn)變平坦而實際上通帶之間沒有暗區(qū)。由器件1，1″出射的光入射到器件2，2″的入射口，它起的作用類似器件1′，1″，但是，依其波長與器件1′，1″的通帶波長不同而給出透射峰值。這在圖3，4中，在每對薄片23、24和25、26之間以各種不同的角度就能獲得;同時在圖5里，在器件1″中部件32和反射鏡28之間以及在器件2″中部件34和反射鏡30之間以各種不同的距離同樣可以獲得。在從系統(tǒng)(圖3，4，5)得到的合成干涉圖象中，光帶之間的暗區(qū)展寬，而與從單獨的濾光器件1′，1″或2′，2″所獲得的干涉圖象相比，其各明亮光帶收縮。
圖6中描述的系統(tǒng)在其出射口給出了一種波長和它的各諧波分量的窄通帶，此時通帶界線沒有附加的峰值。讓我們開始研究這種情況，即在分層薄片41和42中用同一周期進(jìn)行折射率調(diào)制的情況。在這種情況下，有了從薄片41的光反射，就會在多光束干涉的基礎(chǔ)上發(fā)生輻射光的濾光現(xiàn)象，眾多光線的形成是由于從分層薄膜41的所有分層中的光線反射所致。反射峰值的波長取決于分層薄片折射率的調(diào)制周期以及光線入射到薄片上的入射角。當(dāng)光線從法線方向入射到分層薄片41時，反射峰值的波長等于薄片41的兩倍調(diào)制周期乘以薄片41的平均折射率。假如入射到薄片41的入射角增加，那么從薄片41所反射出來的光線的波長就要減小。
棱鏡43用于兩個目的。第一，它消除了由“空氣-薄片41”邊界反射出來的光線。第二，它展寬了光線入射到薄片41的角度變化范圍。如果光線從空氣中入射到薄片41上，那么，在某些入射角附近，由于在“薄膜-空氣”邊界上各種折射率的差別，就有可能發(fā)生完全的內(nèi)部反射。設(shè)置棱鏡43比不設(shè)置時可能在更寬的角度變化范圍內(nèi)實現(xiàn)光線入射到薄片41上。正是這樣才展寬了從薄片41反射出來光波長可能變化的范圍。
濾光器件2 的作用類似器件1 。因為薄片41和42加在棱鏡43，44上，所以用旋轉(zhuǎn)器件1 或2 的方法就可以改變光線入射到薄片41或42的角度。這樣就將改變?yōu)V光器件1 或2 的通帶界線峰值的位置。用選擇不同數(shù)值的小角度的方法，可以使濾光器件1 和2 的通帶界線產(chǎn)生位移，以便得到?jīng)]有各種附加峰值或給定寬度的整個系統(tǒng)的通帶合成界線。為了消除附加峰值，必須使通帶界線的位移要比在單獨的濾光器件的通帶界線內(nèi)附加峰值與極小值之間的距離稍許小些。繼續(xù)增大入射角將引起通帶的更多收縮，但此時各附加峰值也就提升了。
在圖6中描述的系統(tǒng)，當(dāng)r＝0時即可實現(xiàn)，但在這種情況下，在薄片41和42中折射率的調(diào)制周期可選擇為各種數(shù)值。在薄片41，42中的一個薄片里，調(diào)制周期等于λ1/2n，其中n為該薄片41的平均折射率，而在另一個薄片42中則等于λ2/2n。
這個方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單。在這兩個方案中，當(dāng)入射到系統(tǒng)的光線呈某種角度時，系統(tǒng)的通帶峰值處在接近波長λ1或λ2的位置(在第二方案中是在它們平均值附近)。用改變?nèi)肷浣堑姆椒梢詼p小這種波長。這樣一來，一切就都清清楚楚、明明白白了，這涉及到各濾光器件通帶界線與全系統(tǒng)各分層的合成通帶界線加以疊加了。
因此，上面所研究過的各系統(tǒng)能夠得到非常狹窄的濾光系統(tǒng)的通帶界線，這樣就能得到?jīng)]有附加峰值和“雙翼”的各界線。在這種情況下，根據(jù)此系統(tǒng)，在其各方案之一里，就有可能揉合通帶的窄界線而無光譜附加峰值。
權(quán)利要求
1.有選擇性的干涉光學(xué)濾光系統(tǒng)包括濾光器件(1)，它按照干涉原理進(jìn)行工作，并且至少有一個反射部件(3，4)以及輻射光透射部件(7)，其特征在于它具有第二個濾光器件(2)，且與第一個濾光器件(1)相同，安放在沿光的行程路線緊接在器件(1)的后面，同時至少包括一個反射部件(5，6)和輻射光透射部件(8)，在這種情況下濾光器件(1，2)做成使一個濾光器件(1)的通帶(16)峰值(15)的波長與另一個濾光器件(2)的通帶(18)峰值(17)的波長相差一個差值，其差值足以將第一個濾光器件(1)的透射指數(shù)降低到等于或大于它的峰值(15)的0.85。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于每個濾光器件(1，2)的反射部件都有一對面平行薄片(23，24和25，26)并且在任一濾光器件(1)中，把一對面平行薄片(23，24)置放于一定角度以保證一個濾光器件(1′)的通帶峰值相對于另一個濾光器件(2′)的通帶峰值有一個位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2系統(tǒng)，其特征在于在每一個濾光器件(1′，2′)中，一對面平行薄片(23，24或25，26)置放于某一角度，而一個濾光器件(1′)的面平行薄片(23，24)之間和另一個濾光器件(2′)的面平行薄片(25，26)之間有不同的夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于每個濾光器件(1″，2″)的反射部件都有兩個反射鏡(27，28和29，30)，而第一個濾光器件(1″)的一個反射鏡(28)安放得比相應(yīng)的第二個濾光器件(2″)的反射鏡(30)更靠近輻射透射部件(32)以保證一個濾光器件(1″)的通帶峰值相對于另一個濾光器件(2″)的通帶峰值有一個位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于每個濾光器件(1 ，2 )的反射部件(41，42)具有以周期函數(shù)調(diào)制的折射率，反射棱鏡(43，44)是輻射光透射部件，反射部件(41，42)加在棱鏡的反射界面上，而在第一個濾光器件(1 )的出射界面(45)和第二個濾光器件(2 )的入射界面(46)之間要有一個角度以保證一個濾光器件(1 )的通帶峰值相對于另一個濾光器件(2 )的通帶峰值有一個位移。
全文摘要
光學(xué)系統(tǒng)有兩個相同的濾光器件(1，2)，其中每個器件包括數(shù)個反射部件(3，4和5，6)以及輻射光透射部件(7，8)。一個濾光器件(1)的通帶峰值的波長與另一個濾光器件(2)的通帶峰值波長相差一差值，其差值足以使第一個器件(1)的透射指數(shù)降低到等于或大于它的峰值的0.85。因為器件(1，2)的通帶界線彼此位移，所以，一個濾光器件(1)的通帶界線的各附加峰值由于第二個器件(2)的存在將不會通過。
文檔編號G02B5/28GK1059968SQ9010786
公開日1992年4月1日 申請日期1990年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月20日
發(fā)明者阿萊克斯安德·阿萊克斯埃維克·埃利塞維, 塔麥拉·尼考拉埃維訥·卜卜娃, 奧爾加·維克托勞維訥·拉吾蒂訥, 維奧萊塔·娃斯利維訥斯泰訥 申請人:托木斯克國立庫伊比謝瓦大學(xué)