Фильтр Лиота
Астрономический спектральный процессор света

Фильтр Лио ( поляризационно - интерференционный монохроматор , двулучепреломляющий фильтр), [1] : 106  названный в честь его изобретателя и французского астронома Бернара Лио , представляет собой тип оптического фильтра , который использует двулучепреломление для создания узкой полосы пропускания передаваемых длин волн . [2] [3] : 177  Фильтры Лио используются в астрономии , особенно для солнечной астрономии , лазеров , биомедицинской фотоники и рамановской химической визуализации . [4] : 2.5.2  [5] : 163  [6] : 5.8.3  [7] : 202  [8] : 327  [9] : 14 

Основные принципы

Путь света (красная пунктирная линия) через однопластинчатый фильтр Лио. Первый поляризатор пропускает горизонтально поляризованный свет на волновую пластину. Направления быстрой (F) и медленной (S) передачи волновой пластины составляют угол 45 градусов к горизонтали. Для длины волны в этом примере волновая пластина преобразует горизонтальную поляризацию света в круговую поляризацию. Второй поляризатор пропускает только часть света, горизонтальную составляющую кругово поляризованного света, что приводит к величине пропускания света, зависящей от длины волны.

В этом разделе описывается, как зависящее от длины волны пропускание света фильтром Лиота возникает из-за двойного лучепреломления.

Однопластинчатый оптический фильтр

Фильтр Лио основан на свойстве поляризации света, векторе ( векторе Джонса ), перпендикулярном пути света, который имеет фиксированное направление ( линейная поляризация ) или изменяющееся во времени направление вращения ( круговая или эллиптическая поляризация). Для типичного однопластинчатого фильтра Лио свет проходит через три последовательных оптических элемента, которые изменяют поляризацию света: первый горизонтальный поляризатор , волновую пластину (замедлитель) и второй горизонтальный поляризатор. [10] [11] : 95–96  Линейно поляризованный свет распространяется быстрее всего, когда он совмещен с быстрым направлением F волновой пластины , и медленнее всего, когда он совмещен с ортогональным медленным направлением S волновой пластины . [12] : 125  : 127  Разница в скорости зависит от разницы между обычным показателем преломления волновой пластины и необыкновенным показателем преломления . [11] : 95–96  В этом примере предполагается, что горизонталь образует угол 45 градусов с направлениями F и S волновой пластины. [11] : 95–96 

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

Этот однопластинчатый оптический фильтр пропускает интенсивность света от входного горизонтально поляризованного света с длиной волны , толщиной волновой пластины , обычным показателем преломления волновой пластины и необыкновенным показателем преломления волновой пластины : [11] : 95–96  [10] я Т {\displaystyle I_{T}} я Х {\displaystyle I_{X}} λ {\displaystyle \лямбда} г {\displaystyle д} н о {\displaystyle n_{o}} н е {\displaystyle n_{e}}

я Т = я Х ⋅ потому что 2 ⁡ ( π ( н о − н е ) г λ ) {\displaystyle 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 ряд последовательных однопластинчатых фильтров, где каждая волновая пластина имеет половину толщины предыдущей пластины. [10] При использовании этой конструкции график, описывающий интенсивность прошедшего света на каждой длине волны, покажет более острые основные пики (более узкую полосу пропускания) прошедшего света и больший интервал длин волн между основными пиками прошедшего света ( свободный спектральный диапазон ). [11] : 95–96  [1] : 108  В качестве примера, расширяя уравнение однопластинчатого фильтра до оптического фильтра с 3 пластинами и максимальной толщиной волновой пластины , этот многопластинчатый оптический фильтр передает интенсивность света от входа горизонтально поляризованной интенсивности света : [10] г {\displaystyle д} я Т {\displaystyle I_{T}} я Х {\textstyle I_{X}}

я Т = я Х ⋅ потому что 2 ⁡ ( 2 π ( н о − н е ) г 2 λ ) ⋅ потому что 2 ⁡ ( 2 π ( н о − н е ) г 2 2 λ ) ⋅ потому что 2 ⁡ ( 2 π ( н о − н е ) г 2 3 λ ) {\displaystyle 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)}

Конструктивные особенности

Волновые пластины обычно изготавливаются из кварца или кальцита . [1] : 109  Вращение волновой пластины может сместить длину волны пиков пропускания. [4] : 2.5.2  Разделение кристаллов пополам и добавление волновой пластины размером 1 ⁄ 2 в середину увеличивает поле зрения фильтра. [10] Разделение и узость пиков пропускания зависят от количества, толщины и ориентации пластин. [12] : 125  Из-за зависящих от температуры свойств двупреломления кварца и кальцита фильтру Лио требуется термостат для минимизации температурных колебаний. [1] : 109 

Настраиваемые фильтры

Электрически настраиваемый фильтр Лио содержит настраиваемые электрооптические или жидкокристаллические двулучепреломляющие элементы. [13] : 30  Настраиваемый электрооптический фильтр Лио использует оптокерамику свинцово-магниево-ниобат-титанат свинца (PMN-PT) для настройки фильтра. [6] : 5.8.3  Жидкокристаллические настраиваемые фильтры позволяют 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. [3] : 177  Двумя категориями жидкокристаллических фильтров Лио являются поляризационные интерференционные фильтры замедления и электрооптические фотонные кристаллы. [5] : 167  Часто эти фильтры основаны на оригинальной конструкции Лио, но существует много других конструкций для достижения других свойств, таких как узко- или широкополосная передача или поляризационная селективность. [14]

Сравнительная производительность

Фильтр Лио и фильтр Фабри-Перо являются наиболее распространенными настраиваемыми электрооптическими фильтрами. [6] : 5.8.3  По сравнению с фильтром Фабри-Перо настраиваемый фильтр Лио имеет более широкий и стабильный диапазон регулировки, но фильтр Лио пропускает меньше света. [6] : 5.8.3  Низкая пропускаемость возникает из-за большого количества сильно поглощающих поляризаторов и несовершенного действия волновой пластины. [3] : 177  Фильтры Лио могут содержать до 12 отдельных фильтров, что делает фильтр Лио дорогим и ограничивает его использование в компактных приборах. [5] : 166  В отличие от фильтров Лио, фильтр Solc использует только два поляризатора, что приводит к меньшему снижению освещенности. [10]

Приложения

В солнечной астрономии для наблюдения за хромосферой Солнца , вторым атмосферным слоем Солнца, требуются узкополосные оптические фильтры ( спектрогелиографы ), такие как фильтр Лиота, использующие длины волн для наблюдения за солнечными вспышками , протуберанцами , волокнами и флоккулами , возникающими из кальция и водорода . [8] : 327  [9] : 14 

Одно- и многопластинчатые фильтры Лиота часто используются внутри оптического резонатора лазеров для настройки лазера. [7] : 202  В этом случае потери Брюстера от пластины и других внутрирезонаторных элементов обычно достаточны для создания поляризационного эффекта, и дополнительные поляризаторы не требуются. Фильтры Лиота также используются в широкополосных лазерах Ti — сапфир и генераторах лазеров на красителях для выбора длины волны. [11] : 96 

Хотя их механизмы различны, лазеры с синхронизацией мод и лазеры с фильтром Лиота создают гребенку из нескольких длин волн, которую можно разместить в сетке каналов ITU для плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) или использовать для предоставления каждому пригородному дому собственной длины волны лазера обратного сигнала в пассивной оптической сети (PON), используемой для обеспечения FTTH (волокно до дома). [6] : 5.8.3 

Другое применение фильтров Лиота — это рамановская химическая визуализация. [15] : 205  Другие применения — микроспектрометры, гиперспектральные устройства визуализации и биомедицинская фотоника. [5] : 163 

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ abcd Стикс 2012.
  2. ↑ Лиот 1933.
  3. ^ abc Ли-Чан, Чалмерс и Гриффитс 2010.
  4. ^ ab Ambastha 2020.
  5. ^ abcd Кроуфорд 2007.
  6. ^ abcde Bain & Chand 2017.
  7. ^ Аб Бинь и Нго 2018.
  8. ^ аб Бхатнагар и Ливингстон 2005.
  9. ^ ab Harrison 2016.
  10. ^ abcdef Лизана и др. 2019.
  11. ^ abcdef Мешеде 2004.
  12. ^ ab Амманн 1971.
  13. ^ Бхаргава и Левин 2008.
  14. ^ Бекман и др. 2009.
  15. ^ Льюис и Эдвардс 2001.

Ссылки

  • Амбаста, Ашок (2020). Физика невидимого Солнца: приборы, наблюдения и выводы. CRC Press. С. 2.5.2. ISBN 978-1-000-76087-3.
  • Амманн, Э.О. (1971). «Синтез оптических двулучепреломляющих сетей». В Вольфе, Э. (ред.). Progress in Optics Volume IX. Elsevier. стр.  125–180 . ISBN 978-0-08-087973-4.
  • Бэйн, Ашим Кумар; Чанд, Прем (2017). Сегнетоэлектрики: принципы и применение. John Wiley & Sons. 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, Айра В. (2008). Спектрохимический анализ с использованием инфракрасных многоканальных детекторов. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-99412-2.
  • Бхатнагар, А.; Ливингстон, Уильям Чарльз (2005). Основы солнечной астрономии. World Scientific. ISBN 978-981-256-787-1.
  • Бинь, Ле Нгуен; Нго, Нам Куок (2018). Сверхбыстрые волоконные лазеры: принципы и применение с моделями MATLAB®. CRC Press. ISBN 978-1-4398-1130-6.
  • Кроуфорд, Грегори Филип (2007). Жидкие кристаллы: Границы биомедицинских приложений. World Scientific. ISBN 978-981-277-887-1.
  • Льюис, Ян Р.; Эдвардс, Хауэлл (2001). Справочник по Рамановской спектроскопии: от исследовательской лаборатории до технологической линии. CRC Press. ISBN 978-1-4200-2925-3.
  • Харрисон, Кен М. (2016). Визуализация солнечного света с помощью цифрового спектрогелиографа. Springer. ISBN 978-3-319-24874-5.
  • Ли-Чан, Юнис; Чалмерс, Джон М.; Гриффитс, Питер Р. (2010). Применение колебательной спектроскопии в науке о продуктах питания, 2 тома. John Wiley & Sons. 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 с широким полем, использующий интерференцию поляризованного света». Acad. Sci . 197 .
  • Мешеде, Дитер (2004). Оптика, свет и лазеры. Wiley. ISBN 978-3-527-40364-6.
  • Стикс, Майкл (2012). The Sun: Введение. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-56042-2.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lyot_filter&oldid=1228841081"