CN1059968A

CN1059968A - 有选择性的干涉光学滤光系统

Info

Publication number: CN1059968A
Application number: CN 90107861
Authority: CN
Inventors: 阿莱克斯安德·阿莱克斯埃维克·埃利塞维; 塔麦拉·尼考拉埃维讷·卜卜娃; 奥尔加·维克托劳维讷·拉吾蒂讷; 维奥莱塔·娃斯利维讷斯泰讷
Original assignee: TOMSKY GOSUDARSTVENNY UNIVERSITET IMENI V V KUIBYSHEVA
Current assignee: TOMSKY GOSUDARSTVENNY UNIVERSITET IMENI V V KUIBYSHEVA
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1992-04-01

Abstract

光学系统有两个相同的滤光器件(1，2)，其中每个器件包括数个反射部件(3，4和5，6)以及辐射光透射部件(7，8)。一个滤光器件(1)的通带峰值的波长与另一个滤光器件(2)的通带峰值波长相差一差值，其差值足以使第一个器件(1)的透射指数降低到等于或大于它的峰值的0.85。因为器件(1，2)的通带界线彼此位移，所以，一个滤光器件(1)的通带界线的各附加峰值由于第二个器件(2)的存在将不会通过。

Description

本发明涉及到光学系统，更准确地说是涉及到各种有选择性的干涉光学滤光系统。

本发明可应用于光谱测量和光谱分析，应用于光学仪器，特别是在激光仪器制造中对光学零件的质量控制。

人们已经熟知作为有选择性的干涉光学系统基础的滤光器件。例如，已知的各种选通的干涉滤光器，它们至少由两组平行的且在其间装有许多薄介电层的局部透明的反射镜组成。反射镜由高折射率和低折射率的四分之一波长的多个透明介电层组成，而在反射镜之间的介电层光学厚度等于滤出辐射光的半波长。（伏，伏。列别捷娃“光谱测量技术”，1977，莫斯科，第166-167页;su，A，539284）。

作为光谱测量，这些滤光器的缺点是，其通带宽度太窄，并且存在着附加的干扰分离已有波长的通带。这些滤光器的另一个缺点是在其通带界线附近同时存在着长长伸出的“双翼”。

已知的干涉仪，包括两个互相平行放置的面平行的薄片，该二薄片对入射辐射光呈45°角。在这种仪器中，一束光线入射到第一个薄片时获得两束干涉的光线。第一束光线是在第一个薄片的第一个界面反射形成，入射到第二个薄片，通过第二薄片的第一个界面，又从第二界面反射过来，而且通过第二个薄片的第一个界面。第二束光线通过第一个薄片的第一个界面，从第一个薄片的第二个界面和第二个薄片的第一个界面反射出来。这些光束间的行程差在严格平行的薄片条件下等于零。改变薄片之间的角度，可以得到各干涉光束的行程差，其差值对应于一定波长的干涉峰值（伏.伏.列别捷娃“光谱测量技术”，1977，莫斯科，第167页）。

这种设备的缺点在于干涉峰值很宽，干涉峰值向极小值转移很平坦，因此，干涉图象反差不够。

另一个熟知的干涉仪包括互成直角放置的两个反射镜和两个与它们呈45°角的面平行薄片，一个来透明反射镜被加到它们中第一个面平行薄片的第一个表面上。光束入射到第一个面平行薄片半透明反射镜上并分离成两束相互干涉的光线。第一束光线通过面平行薄片从第一个反射镜反射出，而后从第一薄片的半透明反射镜反射出。第二束光线从第一个薄片的半透明反射镜反射出，而后又从第二反射镜反射出并且通过第一个薄片。沿第二束光的行程在第二反射镜的前面引入第二个面平行薄片以补偿这些光束的行程差。在反射镜的某个位置上各光束行程差为零。用移动第一个反射镜的方法可以得到各干涉光束的行程差值，该差值对应于一定波长的干涉峰值（斯.埃。伏里希，阿。贝。季莫疗娃“普通物理教程”第Ⅲ卷，1952，莫斯科，第438页）。

这种设备和上述的干涉仪有同样的诸多缺点，因为它们两者都是双光束干涉仪。

为人们所熟习的反射干涉滤光器，它带有折射率周期性变化的薄片，同时，折射率变化周期等于在薄片材料中滤光辐射的半波长。入射到分层薄片上的光线一部分从每一层反射出来，一部分则继续向前通过。这样一来，从分层薄片反射出的光线，具有相应于薄片层数那样多数量的干涉光束。多光束干涉的结果，在出射口得到某种波长及其高谐波的高色觉强度的光线。（伏.伏.列别捷娃“光谱测量技术”，1977，莫斯科，第42页;su，A，881647）

这种设备的缺点是同时存在着干涉的各种附加峰值，它们分布在波长标定范围之内各主要峰值间并且干扰该波长的辐射光分离。

本发明的基本点是提出建立有选择性的干涉光学滤光系统的任务该系统具有非常窄的工作通带界线，同时具有高的反差度，这是因为在波长标定中创立了从峰值色觉强度到极小色觉强度的陡峭结，并且降低了通带附加峰值的相对值。

这个任务是这样解决的，即有选择性的干涉光学滤光系统包括以干涉为基础而进行工作的滤光器件，并且至少有一个反射部件和辐射透射部件，按照本发明，还有第二个滤光器件，它与第一个滤光器件相同，并且沿光束行程把它顺序地放在第一个滤光器件的后面，而且它至少包括一个反射部件和辐射透射部件，为此，这些滤光器件是这样制成的，即使一个滤光器件的通带峰值波长不同于另一个滤光器件的通带峰值波长，其差值足以使第一个滤光器件的透射指数减小到等于或大于它的峰值的0.85。

引入第二个滤光器件可以在波长标定范围内形成从峰值色觉强度到极小色觉强度的更陡峭的结，这就导致系统工作通带界线的收缩，与此同时，提高了反差度。

采取以下措施是恰当的，即使每个滤光器件的反射部件都有一对面平行薄片且在任一滤光器件中一对面平行薄片安置在某一角度之下，以保证一个滤光器件的通带峰值相对于另一个滤光器件的通带峰值有一个位移。

下述情况是所希望的，即在每一个滤光器件中，一对面平行薄片置于某角度之下，而使一个滤光器件面平行薄片之间的角度与另一个滤光器件面平行薄片之间的角度有不同的数值以保证上述那个位移。

每个滤光器件的反射部件可以有两个反射镜，而第一个滤光器的一个反射镜可以放置在比第二个滤光器件相应的反射镜更靠近辐射透射部件的地方，以保证一个滤光器件的通带峰值相对于另一滤光器件的通带峰值的位移。

除此之外，这样做看来是适宜的，即使每个滤光器件的反射部件具有以周期函数表示的可调折射率，而反射棱镜则是每个滤光器件的辐射光透射部件，反射部件加在棱镜的反射界面上，同时在第一个滤光器件的出射界面和第二滤光器件的入射界面之间要有一定的角度，以保证一个滤光器件的通带峰值对另一个滤光器件的通带峰值的位移。

接下来对本发明以实施例和附图加以说明，其中：

图1，根据发明描述了有选择性的干涉光学滤光系统;

图2描绘了滤光器件的透射指数对辐射透射光波长之间的关系;

图3，根据发明，描绘了该系统带有面平行薄片的情况;

图4，根据本发明，描绘了带有面平行薄片系统的另一实施方案;

图5，根据本发明，描述了带有反射镜的滤光系统;

图6，根据本发明，描述了带有反射棱镜的滤光系统;

图7a，b，c，d，e，根据本发明，描述了其各种滤光器件不同安排的滤光系统。

有选择性的干涉光学滤光系统包括两个相同的滤光器件1（图1）和2，其中每一个滤光器件按干涉原理而工作。每个滤光器件1（2）至少有一个反射部件（在已提出的方案中有两个），即3，4和5，6以及辐射光透射部件7，8。器件1，2安置在由光学透明材料，例如玻璃，做成的基底9上。

每个反射部件3-6做成分层组件形式10，11，12和13，它们分别由光学透明材料制成。透射光部件7，8由高折射率光学透明材料制成。分层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。紧接着它们的分层10′，11′，12′和13′由与部件7（8）材料相同的高折射率材料做成。接下来的分层10-13和10′-13′按上述顺序依次交替排列。

在器件1，2之间有光学透明层14，将器件1，2分割开来。

滤光器件1，2做成这样，即使滤光器件1（图1，2）的通带16峰值15的波长λ₁（图2）与滤光器件2的通带18之峰值17的波长λ₂相差△λ。

该△λ值由器件1的透射指数T值所确定，而T值要降低到等于或大于对应该器件1的峰值15的0.85。

如果位移大小是这样选定的话，使透射指数降低到小于峰值0.85的值，那么，就不会产生降低通带附加值的效果。在图2中，这个值取值为峰值15的0.97。

实际上位移值△λ可以拟定为5-10纳米（HM）。

对应于器件1，（图1）2的不同的波长λ₁，λ₂是用这样的方法达到的，即使部件7等于λ₁/₂光学厚度，而部件8相应地等于λ₂/₂光学厚度。器件1的各层10，10′，11，11′，都等于λ₁/₄光学厚度，而器件2的各层12，12′，13，13′相应地为λ₂/₄。

由于通带16（18）的峰值15（图2）（17）位移的结果，通带16、18的附加峰值19、20与相应的通带18、16的极小值21、22在波长上几乎是重合的，这就在整个系统的合成通带中保证附加的峰值急剧下降。此外，合成通带由于峰值15（17）的位移而发生附加的收缩，这就改善了系统的光学特性。

图3中导出了实施该系统的另一个方案，该系统对各种干涉仪来说是比较好的。系统包括两个相同滤光器件1′，2′，它们包括一对对的平行薄片23，24，25，26，都是由光学透明材料做成的。

在一个滤光器件中，例如器件1′，薄片23，24平行放置，虽然在另一个器件2′中，薄片25、26被置于某夹角α的位置。

在图3中α角预先给出，但它的值非常小，例如小于1°。

将薄片25、26置于某个角度以保证在干涉图象中峰值的位移，而干涉图象是由器件1、2每个薄片作用所建立的。由此，这个合成图象的界线由于暗区增加而被压缩。图象变得更清晰，这就减轻了干射仪的工作负担。

在器件1′或在两个器件1′和2′（图4）中，可以实现滤光薄片相类似的旋转，在这种情况下，滤光薄片25，26旋转α角，而滤光薄片23，24旋转β角，其角度值不同，但不会超过1°。合成干涉图象与按图3方案中所得到的相同。

下面我们将研究实现干涉仪的另一个方案（图5）。在其中滤光器件1″和2″的每一个包括两个反射镜（27、28和29、30）型的反射部件以及两个辐射光透射部件31，32和33，34。从一个侧面将半透明反射镜各层35，36加到部件32，34上。反射镜28、30装以滑轨37、38和螺钉39、40以实现平行移动。

在一个滤光器件中，例如在器件1″中，反射镜28到透射部件32的距离比在器件2″中反射镜30到透射部件34的距离设置得更近一些。在由器件1″和2″的每一个元件所建立的干涉图象中，这种距离上的差别保证了各峰值的位移。合成的干涉图象如按图3，4的方案所得到的图象那样而获得。

图6中再导出一个有选择性的光学滤光系统的实施例。在此系统中，每个滤光器件1″和2″包括形式为分层薄片41、42的反射部件以及反射棱镜（43，44）型的透射部件。分层薄片41，42的折射率变化不大，并且在不同薄片41、42的附近沿光线行程，以等于在薄片41、42的材料中所滤出辐射光半波长的周期、同样地周期地变化着。

薄片41，42加到棱镜43，44的垂直边界面上，棱镜的各角最好等于90°，30°，60°。棱镜43、44由光学透明材料做成。

棱镜43，44材料的折射率等于相应薄片41、42与薄片41、42相接触的表面上的折射率。

在棱镜43的出射界面45和棱镜44的入射界面46有一r角度，其值不超过1°，且在图6中已约定。

这种角度的存在就形成通带峰值的位移，它与图2中所示相类似，而总的合成通带界线则与图1中所示的系统相类似。

但是在已研究过的实例中（图6），对照薄片41（图6），42，以周期等于λ₁，λ₂半波长的周期函数对折射率进行调制时，可以得到类似的效果。在这个方案中，r等于零。

滤光器件1、2可能排列成各种相互关联的位置，例如，如图7中所示。

图7a，7b中，滤光器件1

，2

是这样放置的，即使棱镜43，44小直角边为器件1

出射界面45和器件2

入射界面46。为此，在图7a中，入射辐射光A和出射辐射光B相互平行，而在图7b中，其方向呈一夹角。

在图7c和7d中，棱镜43的直角三角形斜边界面是器件1

的出射界面45，而棱镜44小直角边界面则是器件2

的入射界面46。为此，在图7e中，辐射光A、B呈一角度，而在图7d中则相互平行。

在图7e中，棱镜43、44直角三角形斜边界面分别是器件1

的出射界面45和器件2

的入射界面46，辐射光A和B的方向分别呈一角度。

有选择性的干涉光学滤光系统按以下方式工作。

入射到系统的光线（图1），在两种介质分界的每个边界上分成前进的和反射的两束光。由于众多束光干涉的结果，通过器件1的不是全部光线，而仅仅是与器件1的通带相符合的那部分光线，其通带在波长λ₁时具有某种宽度的主峰值15和附加峰值19或从主峰值15偏左偏右的“双翼”。由于此光，作用类似器件1的滤光器件2只滤出对应于器件2通带的那些光线。因为器件1和2的通带界线位移，所以附加峰值19（或20）或者一个滤光器件的通带界线的“双翼”将不再从第二个滤光器件通过。系统的合成通带界线宽度较小，同时附加峰值平缓且具有比滤光器件1和2的通带16，18的界线要低的“双翼”。

在图3，4，5中所描绘的系统以下述方式进行工作。通带界线非常宽的“单色”光入射到滤光器件1，1″中。在器件1，1″中，由于两束光线形成的干涉，在器件1′，1″的出射口形成相等倾角（或相等厚度）通带的干涉图象。这些通带从峰值视觉强度到极小值转变平坦而实际上通带之间没有暗区。由器件1，1″出射的光入射到器件2，2″的入射口，它起的作用类似器件1′，1″，但是，依其波长与器件1′，1″的通带波长不同而给出透射峰值。这在图3，4中，在每对薄片23、24和25、26之间以各种不同的角度就能获得;同时在图5里，在器件1″中部件32和反射镜28之间以及在器件2″中部件34和反射镜30之间以各种不同的距离同样可以获得。在从系统（图3，4，5）得到的合成干涉图象中，光带之间的暗区展宽，而与从单独的滤光器件1′，1″或2′，2″所获得的干涉图象相比，其各明亮光带收缩。

图6中描述的系统在其出射口给出了一种波长和它的各谐波分量的窄通带，此时通带界线没有附加的峰值。让我们开始研究这种情况，即在分层薄片41和42中用同一周期进行折射率调制的情况。在这种情况下，有了从薄片41的光反射，就会在多光束干涉的基础上发生辐射光的滤光现象，众多光线的形成是由于从分层薄膜41的所有分层中的光线反射所致。反射峰值的波长取决于分层薄片折射率的调制周期以及光线入射到薄片上的入射角。当光线从法线方向入射到分层薄片41时，反射峰值的波长等于薄片41的两倍调制周期乘以薄片41的平均折射率。假如入射到薄片41的入射角增加，那么从薄片41所反射出来的光线的波长就要减小。

棱镜43用于两个目的。第一，它消除了由“空气-薄片41”边界反射出来的光线。第二，它展宽了光线入射到薄片41的角度变化范围。如果光线从空气中入射到薄片41上，那么，在某些入射角附近，由于在“薄膜-空气”边界上各种折射率的差别，就有可能发生完全的内部反射。设置棱镜43比不设置时可能在更宽的角度变化范围内实现光线入射到薄片41上。正是这样才展宽了从薄片41反射出来光波长可能变化的范围。

滤光器件2

的作用类似器件1

。因为薄片41和42加在棱镜43，44上，所以用旋转器件1

或2

的方法就可以改变光线入射到薄片41或42的角度。这样就将改变滤光器件1

或2

的通带界线峰值的位置。用选择不同数值的小角度的方法，可以使滤光器件1

和2

的通带界线产生位移，以便得到没有各种附加峰值或给定宽度的整个系统的通带合成界线。为了消除附加峰值，必须使通带界线的位移要比在单独的滤光器件的通带界线内附加峰值与极小值之间的距离稍许小些。继续增大入射角将引起通带的更多收缩，但此时各附加峰值也就提升了。

在图6中描述的系统，当r＝0时即可实现，但在这种情况下，在薄片41和42中折射率的调制周期可选择为各种数值。在薄片41，42中的一个薄片里，调制周期等于λ₁/_2n，其中n为该薄片41的平均折射率，而在另一个薄片42中则等于λ₂/_2n。

这个方案的优点在于系统结构比较简单。在这两个方案中，当入射到系统的光线呈某种角度时，系统的通带峰值处在接近波长λ₁或λ₂的位置（在第二方案中是在它们平均值附近）。用改变入射角的方法可以减小这种波长。这样一来，一切就都清清楚楚、明明白白了，这涉及到各滤光器件通带界线与全系统各分层的合成通带界线加以叠加了。

因此，上面所研究过的各系统能够得到非常狭窄的滤光系统的通带界线，这样就能得到没有附加峰值和“双翼”的各界线。在这种情况下，根据此系统，在其各方案之一里，就有可能揉合通带的窄界线而无光谱附加峰值。

Claims

1、有选择性的干涉光学滤光系统包括滤光器件(1)，它按照干涉原理进行工作，并且至少有一个反射部件(3，4)以及辐射光透射部件(7)，其特征在于：它具有第二个滤光器件(2)，且与第一个滤光器件(1)相同，安放在沿光的行程路线紧接在器件(1)的后面，同时至少包括一个反射部件(5，6)和辐射光透射部件(8)，在这种情况下滤光器件(1，2)做成使一个滤光器件(1)的通带(16)峰值(15)的波长与另一个滤光器件(2)的通带(18)峰值(17)的波长相差一个差值，其差值足以将第一个滤光器件(1)的透射指数降低到等于或大于它的峰值(15)的0.85。

2、根据权利要求1的系统，其特征在于：每个滤光器件（1，2）的反射部件都有一对面平行薄片（23，24和25，26）并且在任一滤光器件（1）中，把一对面平行薄片（23，24）置放于一定角度以保证一个滤光器件（1′）的通带峰值相对于另一个滤光器件（2′）的通带峰值有一个位移。

3、根据权利要求2系统，其特征在于：在每一个滤光器件（1′，2′）中，一对面平行薄片（23，24或25，26）置放于某一角度，而一个滤光器件（1′）的面平行薄片（23，24）之间和另一个滤光器件（2′）的面平行薄片（25，26）之间有不同的夹角。

4、根据权利要求1的系统，其特征在于：每个滤光器件（1″，2″）的反射部件都有两个反射镜（27，28和29，30），而第一个滤光器件（1″）的一个反射镜（28）安放得比相应的第二个滤光器件（2″）的反射镜（30）更靠近辐射透射部件（32）以保证一个滤光器件（1″）的通带峰值相对于另一个滤光器件（2″）的通带峰值有一个位移。

5、根据权利要求1的系统，其特征在于：每个滤光器件（1

，2

）的反射部件（41，42）具有以周期函数调制的折射率，反射棱镜（43，44）是辐射光透射部件，反射部件（41，42）加在棱镜的反射界面上，而在第一个滤光器件（1

）的出射界面（45）和第二个滤光器件（2

）的入射界面（46）之间要有一个角度以保证一个滤光器件（1

）的通带峰值相对于另一个滤光器件（2

）的通带峰值有一个位移。