отражения от границы раздела двух сред для лучей, у которых вектор поляризации параллелен плоскости падения, R- коэффициент отражения для неполяризованных лучей. Наиболее резкая зависимость коэффициента отражения от угла падения имеет место для R(9) (p -компоненты поляризации). Поэтому для увеличения разрешающей способности в устройствах, реализующих способ целесообразно устанавливать на входе поляроид, выделяющий из исследуемого излучения p-компоненту поляризации.

Если направить полихроматический пучок света, распространяющийся в среде с показателем преломления nj к границе раздела сред, у которой d9ic/dX > 0, под углом равным критическому 9к1(Хк1) для одной из длин волн (Хк1), то лучи с X < Хк1 будут отражаться от границы раздела сред, а лучи с X > Хк1 будут проходить через границу раздела сред, Если направить полихроматический пучок света, распространяющийся в среде с показателем преломления nj, к границе раздела сред, у которой d9ic/dX < 0, под углом равным критическому 9к2(Хк2) для одной из длин волн (Хк2), то лучи с X > Хк2 будут отражаться от границы раздела сред, а лучи с X < будут проходить через границу раздела сред, Если полихроматическое излучение последовательно отражается от границы раздела сред с положительной производной угла ПВО и от границы раздела сред с отрицательной производной угла ПВО под углами равными, соответственно, 9к1(Xк1) и 9к2(Xк2) при < X^, то изменение спектра светового потока после двух отражений будет таким, как после прохождения через полосовой фильтр с AX « - X^. При =Xк1=Xк получается фильтр с шириной пропускания, определяемой дисперсией углов 9^^) и 9^^) и числом отражений от границ разделов сред. Таким образом, можно осуществлять спектральную фильтрацию оптического пучка. Настройка на заданную длину волны производится путем настройки углов падения в соответствии с выражениями (1) и (2) и графиками, приведенными на рис.1 и рис. 2.

Фильтрующие устройства

I. Вариант 1. Однокоординатное устройство, настраиваемое на фильтрацию каждой заданной длины волны, содержащее две пары оптических сред, для одной из которых производная зависимости угла полного внутреннего отражения (ПВО) от длины волны положительна, а для другой пары отрицательна.

Оптическая схема устройства (Вариант 1), реализующего этот метод, приведена на рис. 3 . Отличительной особенностью Варианта 1 является то, что в нем ограничивают угловую расходимость падающего полихроматического пучка величиной фмах, рассчитанной по соотношению фмах < ^9к / dX)-X /А) с учетом требуемой величины разрешающей способности А и устанавливают для каждой фильтруемой в данный момент времени длины волны X, угол падения на первую пару поверхностей раздела равный или больший критического 9^^) и угол падения на вторую пару поверхностей раздела равный или меньший критического 9]<2(X).

Основными элементами устройства являются плоскопараллельные пластина 3 из СаБ2 длиной L1 с поперечным сечением а1 х b1 и пластина 6 из BaF2 длиной L2 с поперечным сечением а2 х b2. К обеим широким граням пластины из BaF2 прикреплены (на оптическом контакте) пластины 5 из CaF2. Торцевые грани пластин скошены, так чтобы бы их поверхности были расположены под углами близкими к п/2 к входящим и выходящим лучам. Перед каждой пластиной расположены настроечные зеркала, закрепленные в прецизионных механических устройствах (механические устройства на схеме не показаны), обеспечивающие поворот каждого зеркала на заданный угол.

При реализации метода с помощью устройства, представленного на рис. 3, спектральная фильтрация осуществляется следующим образом. Пусть требуется выделить (отфильтровать) из полихроматического пучка монохроматический луч, например, с длиной волны Xm=5.601 мкм. По соотношениям (1) и (2) рассчитывают 9к1(X)=45.9950 и 9^^=74.062 . Задаются требуемым значением AX. или А. Для выбранной длины волны Xm

рассчитывают d0к1(?un)/dЛ, и d0к2(?un)/ dA,. и определяют фмах по следующему выражению: фмах < (d0к / dA)AA, = (d0к / dA^A, /А. Где: d0к / dA равно меньшему по модулю значению из величин d01к / dA и d02к / dA.

Устанавливают такие диафрагмы в блоке 7, чтобы ограничить угловую расходимость пучка до расчетной величины фмах < ^0к / dA^A /А.

С помощью зеркала 1 направляют полихроматический пучок на пластину 3 так, чтобы угол между оптической осью пучка и внутренней гранью пластины 3 (поверхностью раздела первой оптической среды - СаF2 и второй оптической среды - воздухом) был равен 0к1(А)=45.9950. С помощью зеркала 4 направляют полихроматический пучок на пластину 6 так, чтобы угол между оптической осью пучка и внутренней гранью пластины 6 (поверхностью раздела третьей оптической среды - BaF2 и четвертой оптической среды -СаF2) был равен 0к2(А)=74.062 . В этом случае из полихроматического пучка, будет выделен (отфильтрован) монохроматический луч с длиной волны Am=5.601 мкм.

Рис. 3. Устройство спектральной фильтрации

1- первое настроечное поворотное зеркало; 7 - блок, в котором находятся прямоугольные диафрагмы, ограничивающие плоский угол, в пределах которого распространяется пучок исходного излучения в плоскости, в которой находятся оптические оси падающего и отраженного от границ раздела сред пучка излучения, до величины фмах; 2- поляризатор, пропускающий компоненты входящего излучения с плоскостью поляризации параллельной плоскости чертежа; 3 - пластина из СаF2; 4 - второе настроечное поворотное зеркало; 5 - пластины из CaF2; 6- пластина из BaF2.

Оценка основных характеристик подобного спектрального фильтра.

Важнейшими характеристиками перестраиваемых спектральных фильтров (монохроматоров) являются [17,18 ]:

Разрешающая способность А и G- геометрический фактор потока лучей прибора, который характеризует фотометрические свойства прибора и наряду со спектральной яркостью источника излучения на входе фильтра определяет спектральную плотность мощности излучения на выходе прибора.

Другим не менее важным параметром фильтра можно считать число спектрально-пространственных мод излучения М [19] на выходе прибора в спектральном интервале ДА, так как мощность излучения на выходе фильтра Р№ и число элементов изображения пропускаемого СФИ пропорциональны М :

Рw ~ Т •М Рт ,(6)

где т- коэффициент пропускания фильтра, Рт- мощность излучения с длиной волны А в спектральном интервале ДА в одной пространственно-спектральной моде прибора.

Произведение разрешающей способности на G принято называть параметром качества К спектрального прибора :

К= A- G(7)

Этот параметр используют при сопоставлении различных типов спектральных приборов.

Представляется также целесообразным при сопоставлении различных вариантов СФИ использовать в качестве дополнительного параметра произведение:

Кт= А- М(8)

Проведем оценку разрешающей способности А подобного фильтра. Пусть на вход фильтра, принципиальная оптическая схема которого показана на рис.3, поступает полихроматическое излучение интенсивностью 1(А).

Предположим для упрощения изложения, что в спектральном диапазоне длин волн от 2 до 7 мкм, (который будем считать рабочим диапазоном) отсутствует поглощение в материалах пластин 3 и 6, а спектральная плотность излучения не зависит от длины волны:

I(A) = I0(9)

Определим зависимость относительной интенсивности излучения от длины волны после пластины из CaF2 (при прохождении, через которую пучок испытывает N отражений от границ раздела CaF2 /воздух) - IN(A) .

In(A) = I(A)/I0 = RN (А),(10)

где R(A) описывается выражением (4). На рис. 4 показаны рассчитанные зависимости относительной интенсивности излучения от длины волны после пластины из CaF2 (при прохождении, через которую пучок испытывает N отражений от границ раздела