4.7. Монохроматор с фазовым кодированием на входе.

Оригинальный метод пространственного кодирования входной апертуры спектрального прибора, построенного по схеме, аналогичной классической, был предложен Жираром в 1960 г. [14]. На входе и выходе вместо щелей он поставил плоские прозрачные пластинки, склеенные из двоякопреломляющих линз (рис. 4.19). Линзы изготовлены из кристаллического кварца, и

а	б
Рис. 4.19

оптические оси кристаллов при склеивании скрещиваются. В этом случае луч, который входит в первую часть пластинки (рис. 4.19 а) как «обыкновенный» пройдет через вторую уже как «необыкновенный». Изменение фазы луча, прошедшего через всю пластинку, можно представить в виде , где и — толщины соответствующих частей пластинки; и — коэффициенты преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей. Части пластинки выполнены в виде плоско-выпуклой и плоско-вогнутой линз с одинаковым радиусом кривизны и сложены по сферической поверхности. Очевидно, что сумма равна толщине пластинки. Ввиду того, что соотношение между и меняется от центра к краю, между лучами, прошедшими через центр и периферические области, возникает разность хода. Эта разность будет зависеть от расстояния до центра пластинки. Обозначим радиус кривизны поверхностей , тогда

(4.16)

Если осветить подобную пластинку плоско-поляризованным светом с такой ориентацией поляризации, чтобы амплитуды обыкновенного и необыкновенного лучей были равны (учтите, что при этом мы потеряли половину неполяризованного светового потока!), то на выходе получим, в общем случае, эллиптически поляризованный свет. Форма и ориентация эллипса зависят от величины (рис. 4.20). Поставим после пластинки поляризатор, скрещенный

Рис. 4.20

со входным. Такая система из двух поляризаторов и пластинки будет по-разному пропускать свет при изменении . Если , то пропускание будет равно единице. В итоге в плоскости такой составной пластины наблюдаются кольца, сжимающиеся от центра к краю в соответствии с формулой (4.16) (рис. 4.21).

Рис. 4.21

Мы видим, что полученная система аналогична зонной пластинке, сформированной оригинальным интерференционным методом, и может играть роль входного растра. Дополнительный растр образует двулучепреломляющая пластинка, обратная первой (рис. 4.19 б). Схема спектрометра приведена на рис. 4.22.

Рис. 4.22

Излучение источника 1 направляется конденсором 2 на входную кварцевую пластину 4 описанного типа. По пути оно проходит через поляризатор 3. В обычном спектральном приборе, образованном элементами 5, 6, 7, происходит пространственное разложение излучения на монохроматические составляющие, и на выходе образуется набор изображений входной пластины, соответствующий излучению с различными длинами волн. Декодирование картины осуществляется выходной пластиной 8. Затем световой поток проходит через анализатор 9 и с помощью линзы 10 собирается на фотоприемник.

При точном совпадении изображения входной пластинки с выходной разность хода между обыкновенными и необыкновенными лучами полностью компенсируется по всему полю изображения. Одинаковой ориентации поляризаторов при этом соответствует светлое поле, скрещенной — темное. Смещение изображения относительно выходной пластинки сопровождается декомпенсацией фаз. Разность фаз, как нетрудно видеть из формулы (4.16), при небольших смещениях будет линейно меняться при изменении координаты и не зависеть от :

.

(4.17)

Получается картина, аналогичная рассмотренному ранее образованию полос муара, но меняется здесь не амплитуда прошедшей волны, а состояние ее поляризации. Дешифровка образовавшейся в выходной плоскости интерференционной картины осуществляется путем вращения выходного поляризатора. При модулируется весь световой поток, увеличение приводит к тому, что в пределах выходной пластинки появляются зоны с эллиптической поляризацией излучения, а также противофазной. В тоге средняя глубина модуляции уменьшается. Поскольку соотношение (4.17) подобно формуле (4.9) по зависимости от , становится очевидным, что при прямоугольной форме кодирующих поляризационных пластин мы получим аппаратную функцию, аналогичную рассмотренной нами для растрового спектрометра. Для круглых пластин аппаратная функция будет несколько шире, но побочные максимумы будут спадать быстрее, т. е. контур будет аподизирован.

В построенном Жираром приборе с поляризационным кодированием во входной фокальной плоскости использовались кварцевые пластины диаметром при . Разрешающая способность соответствовала классическому монохроматору со щелями шириной .

Оценим выигрыш прибора по световому потоку, учитывая, что при поляризации падающего излучения половина светового потока теряется, тогда . Если высоту щели принять равной диаметру поляризующей пластинки, то для описанного прибора . Ниже будет показано, что этот выигрыш можно было бы реализовать только для ИК-области спектра. Однако, во-первых, используемый для регистрации фотоприемник будет иметь площадь, равную площади растра, и реальный выигрыш в отношении сигнал/шум будет существенно меньше. Во вторых, в ИК-области имеются значительные трудности в подборе как поляризаторов, так и веществ, обладающих двойным лучепреломлением. Кроме того, необходимо учесть как трудности, обусловленные частичной поляризацией проходящего через прибор излучения на диспергирующих элементах (дифракционной решетке, или призмах), так и искажения, внесенные спектральным прибором в изображение входного растра, что потребует коррекции формы границы раздела частей поляризующих пластин. В связи с этим создание серийных спектрометров инфракрасного излучения, с использованием подобного принципа маловероятно.