Фильтр Лио

Фильтр Лио ( поляризационно - интерференционный монохроматор , двулучепреломляющий фильтр), названный в честь своего изобретателя и французского астронома Бернара Лио , представляет собой тип оптического фильтра , который использует двойное лучепреломление для создания узкой полосы пропускания передаваемых длин волн . Фильтры Лио используются в астрономии , особенно в солнечной астрономии , лазерах , биомедицинской фотонике и комбинационного рассеяния света химической визуализации .

Основные принципы

Путь света (красная пунктирная линия) через однопластинчатый фильтр Лио. Первый поляризатор передает горизонтально поляризованный свет на волновую пластинку. Быстрое (F) и медленное (S) направления передачи волновой пластины составляют угол 45 градусов к горизонту. Для длины волны в этом примере волновая пластинка преобразует горизонтальную поляризацию света в круговую поляризацию. Второй поляризатор пропускает только часть света, горизонтальную составляющую света с круговой поляризацией, что приводит к зависимости количества света от длины волны.

В этом разделе описывается, как передача света фильтром Лио в зависимости от длины волны возникает из-за двойного лучепреломления.

Однопластинчатый оптический фильтр

Фильтр Лио основан на свойстве поляризации света, векторе ( вектор Джонса ), перпендикулярном пути света, который имеет фиксированное направление ( линейная поляризация ) или изменяющееся во времени направление вращения ( круговая или эллиптическая поляризация). В типичном однопластинчатом фильтре Лио свет проходит через три последовательных оптических элемента, которые изменяют поляризацию света: первый горизонтальный поляризатор , волновую пластинку (замедлитель) и второй горизонтальный поляризатор. волновой пластинки Линейно поляризованный свет распространяется быстрее всего, если выровнен по быстрому направлению F волновой пластинки . S , и медленнее всего, если выровнен по ортогональному медленному направлению Разница в скорости зависит от разницы между обычным показателем преломления и необыкновенным показателем преломления волновой пластинки . В этом примере предполагается, что горизонталь составляет угол 45 градусов с направлениями F и S волновой пластины.

Первый горизонтальный поляризатор преобразует поляризацию падающего света в горизонтально поляризованный свет, пропуская только компонент горизонтальной поляризации входящего света . Волновая пластинка может изменять падающий горизонтально поляризованный свет на другую поляризацию в зависимости от длины волны света. Второй горизонтальный поляризатор пропускает только компонент горизонтальной поляризации света, выходящего из волновой пластинки. Например, если на одной длине волны свет, выходящий из волновой пластинки, поляризован горизонтально, то свет полностью проходит через второй горизонтальный поляризатор, выходя из оптического фильтра без ослабления . Если на другой длине волны свет, выходящий из волновой пластинки, поляризован вертикально, то свет не проходит через второй горизонтальный поляризатор и не выходит из оптического фильтра. На большинстве длин волн будет происходить некоторое затухание, зависящее от длины волны.

Этот однопластинчатый оптический фильтр передает интенсивность света $I_{T}$ от входа интенсивности горизонтально поляризованного света $I_{X}$ с длиной волны $\lambda$, толщина волновой пластинки $d$, обычный показатель преломления волновой пластинки $n_{o}$ и необычный показатель преломления волновой пластинки $n_{e}$:

$I_{T}=I_{X}\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {\pi (n_{o}-n_{e})d}{\lambda }}\right)$

Многопластинчатый оптический фильтр

Многопластинчатые фильтры представляют собой серию последовательных однопластинчатых фильтров, каждая из которых вдвое толще предыдущей. Используя эту конструкцию, график, описывающий интенсивность передаваемого света на каждой длине волны, будет показывать более резкие основные пики (более узкую полосу пропускания) проходящего света и больший интервал длин волн между основными пиками проходящего света ( свободный спектральный диапазон ). В качестве примера можно расширить уравнение однопластинчатого оптического фильтра до трехпластинчатого оптического фильтра с максимальной толщиной волновой пластины. $d$Этот многопластинчатый оптический фильтр передает интенсивность света $I_{T}$ от входа интенсивности горизонтально поляризованного света ${\textstyle I_{X}}$:

$I_{T}=I_{X}\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {2\pi (n_{o}-n_{e})d}{2\lambda }}\right)\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {2\pi (n_{o}-n_{e})d}{2^{2}\lambda }}\right)\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {2\pi (n_{o}-n_{e})d}{2^{3}\lambda }}\right)$

Особенности конструкции

Волновые пластины обычно представляют собой кварц или кальцит . Вращение волновой пластины может сместить длину волны пиков передачи. Разделив кристаллы пополам и добавив Половина пластины волновой посередине увеличивает поле зрения фильтра. Разделение и узость пиков пропускания зависит от количества, толщины и ориентации пластин. Из-за зависящих от температуры свойств двойного лучепреломления кварца и кальцита фильтр Лио требует термостата для минимизации температурных колебаний.

Настраиваемые фильтры

Электрически перестраиваемый фильтр Лио содержит перестраиваемые электрооптические или жидкокристаллические двулучепреломляющие элементы. В перестраиваемом электрооптическом фильтре Лио для настройки фильтра используется оптокерамика из ниобата свинца, магния и титаната свинца (PMN-PT). Перестраиваемые жидкокристаллические фильтры позволяют осуществлять аналоговую настройку передаваемой длины волны путем тщательной регулировки напряжения на жидкокристаллических ячейках. Спектральная полоса пропускания жидкокристаллического фильтра Лио может составлять от 30 нм до 0,05 нм. Жидкокристаллические фильтры Лио делятся на две категории: поляризационные интерференционные фильтры и электрооптические фотонные кристаллы. Часто эти фильтры основаны на оригинальной конструкции Лио, но существует множество других конструкций, позволяющих достичь других свойств, таких как узкополосная или широкополосная передача или поляризационная избирательность.

Сравнительная производительность

Фильтр Лио и фильтр Фабри-Перо являются наиболее распространенными перестраиваемыми электрооптическими фильтрами. По сравнению с фильтром Фабри-Перо перестраиваемый фильтр Лио имеет более широкий и стабильный регулируемый диапазон, но фильтр Лио пропускает меньше света. Плохое пропускание происходит из-за большого количества сильно поглощающих поляризаторов и несовершенного действия волновых пластин. Фильтры Лио могут содержать до 12 отдельных фильтров, что делает фильтр Лио дорогим и ограничивает его использование в компактных приборах. В отличие от фильтров Лио, фильтр Solc использует только два поляризатора, что приводит к меньшему снижению освещенности.

Приложения

В солнечной астрономии для просмотра солнечной хромосферы , второго атмосферного слоя Солнца, требуются узкополосные оптические фильтры ( спектрогелиографы ), такие как фильтр Лио, использующие длины волн для просмотра солнечных вспышек , протуберанцев , нитей и пятен , возникающих из кальция и водорода .

Одно- и многопластинчатые фильтры Лио часто используются внутри оптического резонатора лазеров, чтобы обеспечить настройку лазера. В этом случае брюстеровские потери на пластине и других внутрирезонаторных элементах обычно достаточны для создания поляризующего эффекта и дополнительных поляризаторов не требуется. Фильтры Лио используются также в широкополосных титан - сапфировых лазерах и лазерных генераторах на красителях для селекции длин волн.

Хотя их механизмы различаются, лазеры с синхронизацией моделей и лазеры с фильтром Лио создают гребенку нескольких длин волн, которую можно разместить в сетке каналов ITU для мультиплексирования с плотным разделением волн (DWDM) или использовать для предоставления каждому загородному дому собственного лазера обратного сигнала. длина волны в пассивной оптической сети (PON), используемой для обеспечения FTTH (оптоволокно до дома).

Еще одним применением фильтров Лио является рамановская химическая визуализация. Другие применения были в микроспектрометрах и устройствах гиперспектральной визуализации , а также в биомедицинской фотонике.

См. также

• Лёт стоп
• Деполяризатор Лио
• Жидкокристаллический перестраиваемый фильтр

Ссылки

• Амбастха, Ашок (2020). Физика невидимого Солнца: приборы, наблюдения и выводы . ЦРК Пресс. стр. 2.5.2. ISBN  978-1-000-76087-3 .
• Амманн, Э.О. (1971). «Синтез оптических двулучепреломляющих сетей». В Вольф, Э. (ред.). Прогресс в оптике Том IX . Эльзевир. стр. 125–180. ISBN  978-0-08-087973-4 .
• Бейн, Ашим Кумар; Чанд, Прем (2017). Сегнетоэлектрики: принципы и применение . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-3-527-80533-4 .
• Бекман, Йерун; Хуэй, Тянь; Ванбрабант, Питер Дж. М.; Змиян, Роберт; Нейтс, Кристиан (2009). «Поляризационный селективный перестраиваемый фильтр по длине волны» . Молекулярные кристаллы и жидкие кристаллы . 502 (1): 19–28. Бибкод : 2009MCLC..502...19B . CiteSeerX   10.1.1.159.2814 . дои : 10.1080/15421400902813626 . S2CID   9235494 .
• Бхаргава, Рохит; Левин, Ира В. (2008). Спектрохимический анализ с использованием инфракрасных многоканальных детекторов . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-470-99412-2 .
• Бхатнагар, А.; Ливингстон, Уильям Чарльз (2005). Основы солнечной астрономии . Всемирная научная. ISBN  978-981-256-787-1 .
• Бинь, Ле Нгуен; Нго, Нам Куок (2018). Сверхбыстрые волоконные лазеры: принципы и применение моделей MATLAB® . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4398-1130-6 .
• Кроуфорд, Грегори Филип (2007). Жидкие кристаллы: границы биомедицинских приложений . Всемирная научная. ISBN  978-981-277-887-1 .
• Льюис, Ян Р.; Эдвардс, Хауэлл (2001). Справочник по рамановской спектроскопии: от исследовательской лаборатории до технологической линии . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4200-2925-3 .
• Харрисон, Кен М. (2016). Получение изображения солнечного света с помощью цифрового спектрогелиографа . Спрингер. ISBN  978-3-319-24874-5 .
• Ли-Чан, Юнис; Чалмерс, Джон М.; Гриффитс, Питер Р. (2010). Применение колебательной спектроскопии в пищевой науке, набор из 2 томов . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-470-74299-0 .
• Лизана, Ангел; Изуэль, Мария Хосефа; Эскалера, Хуан Карлос; Кампос, Хуан (2019). Пулен-Жирар, Анн-Софи; Шоу, Джозеф А. (ред.). «Обучение поляризации через виртуальную среду обучения» . Труды SPIE . 11143 : 87. дои : 10.1117/12.2523772 . ISBN  978-1-5106-2979-0 .
• Лиот, Б. (1933). «Оптический аппарат широкого поля зрения, использующий интерференцию поляризованного света». акад. Наука . 197 .
• Мешеде, Дитер (2004). Оптика, свет и лазеры . Уайли. ISBN  978-3-527-40364-6 .
• Стикс, Майкл (2012). Солнце: Введение . Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-642-56042-2 .