49. Прецизионное ориентирование и сборка пластин фильтра
advertisement
ПРЕЦИЗИОННОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ И СБОРКА ПЛАСТИН ФИЛЬТРА ШОЛЬЦА В.И.Скоморовский, Г.И. Кушталь, М.С. Мамченко, В.П. Садохин Институт солнечно-земной физики СО РАН, 664033 Иркутск, Лермонтова, 126А Разработан метод и устройство прецизионного ориентирования пластин фильтра Шольца с одновременной их сборкой в оптическую стопу фильтра. Метод позволяет достичь необходимой для аподизированных фильтров Шольца точности ориентации 1'. 1. Введение Для достижения высокого пропускания и контраста интерференционнополяризационных фильтров (ИПФ) важен не только выбор схемных решений, но и соблюдениe допусков на ориентацию двупреломляющих элементов фильтров. ИПФ Лио состоят из независимых поляризационных ступеней с внутренними поляризаторами. В ступенях оси кристаллических пластин расположены под углом 45° к направлению пропускания поляризаторов, и для получения контрастной полосы достаточно ориентировать их с точностью 10'-15'. В отличие от фильтров Лио, аподизированные фильтры Шольца без внутренних поляризаторов требуют точности 1'-3,' так как их полоса пропускания формируется за счет интерференции большого числа поляризованных лучей с малыми разностями фазовых сдвигов [1]. В ИСЗФ разработан широкоугольный фильтр Шольца [2] из 24 пластинок. В этом фильтре для повышения контраста и формирования удобного для измерения магнитных полей контура - «вилки» применена аподизация, в которой разность углов cоседних пластинок находится в пределах 4'-20'. Для этого фильтра необходимо ориентировать пластинки с точностью не хуже 1'. 2. Ориентирование пластин В пластинках ИПФ оптическая кристаллографическая ось расположена перпендикулярно падающему пучку света (параллельно плоскости поверхности пластинки) и выходит на боковую поверхность, которая может быть цилиндрической восьмигранной или квадратной формы. При сборке оптической стопы фильтра необходимо знать положение оптической оси и выполнить взаимный разворот пластинок. Определить направление выхода оптической оси на боковую плоскую поверхность пластинки и выполнить ориентирование можно по коноскопической картине. На рис.1 пластинка в оправе установлена в цанге оптической делительной головки. Коноскоп показан схематически. Точечный источник монохроматического света (лазер) через коллиматор просвечивает снизу пластинку в направлении кристаллографической оптической оси. Объектив коллиматора коноскопа содержит слаборассеивающую поверхность (рассеяние показано стрелками). 187 Рис. 1. Ориентирование с помощью коноскопа. В фокальной плоскости второго объектива строятся два изображения: коноскопической картины – в свете рассеянного расходящегося пучка, и светящейся точки – в свете параллельного пучка. Вращением делительной головки центр коноскопической картины (оптическая ось) совмещается с изображением светящейся точки. Точность ориентирования практически не зависит от инструментальных ошибок коноскопа, так как оба изображения строятся одной оптической системой. Каждая пластинка от отсчета на свой центр коноскопической картины поворачивается на расчетный угол и закрепляется в оптической стопе. Точность поворота 1'-2'. Она приблизительно такая же, как точность ориентации оптической оси в самой пластинке с подобным коноскопом [3] во время изготовления пластинок фильтра. Не всегда оказывается возможным определить оптическим способом направление кристаллографической оси в пластинках через боковую поверхность, например в круглых пластинках или в пластинках с очень небольшой толщиной. В рабочем направлении в пластинках любой формы положение оптической оси можно определить модуляционным методом. Для ориентирования пластинок модуляционным методом используется регистрация гармонического сигнала при качании плоскости поляризации относительно плоскости оптической оси кристалла [4]. В нашем устройстве качание плоскости поляризации излучения после входного поляризатора Р1 осуществляется с помощью модулятора – электрооптического кристалла DKDP и четвертьволновой пластинки λ/4 (рис. 2). При подаче напряжения U=Umsint с частотой в кристалле DKDP возникает фазовый сдвиг =Asinωt, где А=КE, К – электрооптический коэффициент, E –напряженность электрического поля. Для удобства расчетов А берется в радианах. Например, для электрооптического кристалла DKDP напряжение 1800в соответствует π/2 рад для красной области спектра. Рис.2. Оптическая схема устройства для ориентации и сборки кристаллических пластинок. 188 Без ориентируемой пластинки на регистрирующем устройстве D появляется гармонически меняющийся сигнал с частотой 2ω. При внесении в схему кристаллической пластинки Кр, азимут оптической оси которой составляет угол α с направлением выходного поляризатора P2, в сигнале появляется модуляция (рис.3). Относительная интенсивность выходного сигнала определяется выражением: I 2 1 1 cos 2t 1 1 cos 2k sin 2 A sin 2 1 cos 2t A sin 4 sin t . 2 4 2 2 Рис. 3. Расчетный сигнал при азимуте оптической оси пластинки α =1'. Φ – фазовый сдвиг ×10π рад, I – относительная интенсивность выходного сигнала. В сигнале, кроме гармоники с частотой 2, присутствует первая гармоника с частотой . Амплитуда колебания сигнала с этой частотой зависит не только от величины отклонения азимута ориентируемой кристаллической пластинки от плоскости выходного поляризатора, но и от фазового сдвига kπ в самой пластинке. Если на длине волны монохроматического источника фазовый сдвиг пластинки равен целом числу длин волн, модуляции нет и ориентировать пластинку невозможно. В этом случае можно использовать немонохроматический источник света со спектральной шириной, сопоставимой с шириной максимумов пропускания канавчатого спектра пластинки или превыщающей ее. 3.Устройство для ориентирования и сборки оптической стопы Ориентируемая пластинка в своей оправе устанавливается в цангу оптической делительной головки ОДГ (рис.4). Ось делительной головки и цанга имеют сквозное отверстие, через которое пучок света от лазера ЛГ после поляризатора P1и модулятора проходит ориентируемую пластинку Кр и попадает на расположенный за выходным поляризатором P2 фотоприемник. Вращением делительной головки пластинка устанавливается в «нулевое» положение, при котором в выходном сигнале будет только одна частота. На рис. 5 приведены картинки сигналов - реальных осциллограмм, по которым оператор находит «нулевое» положение пластинок при их ориентации. Пластинку поворачивают делительной головкой до тех пор, пока в сигнале (рис. 5а – не точно ориентированная пластинка) не исчезнет первая гармоника. Рис 4. Блок-схема и конструкция устройства для сборки оптической стопы фильтра Шольца. Дисплей оператора показан над оптической делительной головкой. 189 Для удобства контроля подбором сигнала синхронизации на осциллографе колебания второй гармоники, модулированные первой, накладываются друг на друга (рис 5б), и нулевое положение находится по совпадению амплитуд гармоник (рис 5 в, г). Практика показала, что визуальная фиксация положения совпадения кривых обеспечивает точность ориентирования в пределах 30 угл. сек. При этом не требуется дополнительное электронное усиление и выделение сигнала первой гармоники. а б в г Рис.5. Осциллограммы сигнала при ориентировании кристаллических пластинок. Если поляризационные элементы устройства выставлены не точно, модуляция второй гармоники присутствует и с точно ориентированной кристаллической пластинкой, и даже совсем без нее. Модуляцию в сигнале вызывают неточная установка поляризаторов, наклон DKDP к падающему лучу, ошибка в ориентации азимута четвертьволновой пластинки. В начале работы перед ориентированием необходимо выставить поляризаторы, DKDP и четвертьволновую пластинку по отсутствию модуляции сигнала без кристалла. Ориентация и последующее взаимное закрепление пластинок выполняется на сборочном устройстве (рис.4). В принятой нами конструкции фильтров Шольца каждая пластинка заключена в свою собственную кольцевую оправу, которая может быть жестко скреплена с оправой соседней пластинки после разворота. Принципиальным элементом устройства является угольник из стекла с малым коэффициентом расширения (ситалл), жестко связанный единой плитой с делительной головкой и оптической скамьей. Угольник является базой, на которой располагается стальная прямоугольная призма – оправа с опорным поляризатором и светоприёмником. Обе поверхности угольника точно отшлифованы. На нем, как на направляющей, все пластинки собираются в единую оптическую стопу с помощью второй призмы – ползуна («сборка» на рис. 4) и делительной головки. Очередную пластинку (в оправе) помещают в цангу оптической делительной головки. Пластинку вращают делительной головкой, находят «нулевое» положение пластинки по отсутствию первой гармоники и затем поворачивают пластинку на расчетный угол. После этого призму с поляризатором Р2 и светоприемником выводят из пучка, как это показано на рисунке. Призму-ползун (сборку с пластинками) придвигают к цанге и оптическую стопу сцепляют с очередной пластинкой. 4. Выводы В процессе эксплуатации макета устройства выяснилось, что изменение окружающей температуры приводит к деформации и кручению оптической скамьи и стоек поляризационных оптических деталей устройства. Во время сборки оптической стопы появляется ложный модулирующий сигнал, и это может привести к ошибке в ориентации пластинок. Для выравнивания температурных градиентов, уменьшения изгиба и взаимного скручивания оптических элементов устройство размещено на платформе из однородного материала с хорошей теплопроводностью. Сама платформа разгружена на швеллерах через амортизаторы. 190 Рис. 6. Настройка модулятора по коноскопической картине. Одной из причин нестабильности устройства и появления ложного сигнала была конструкция оправы модулятора. Обычная система регулировки наклона электрооптического модулятора DKDP – в трех точках упорный винт и ответная пружина – оказалась чувствительной к изменению и абсолютному значению температуры. Разное изменение с температурой длины регулировочных винтов приводит к наклону и нарушению центровки коноскопической картины и, как следствие, к появлению ложного сигнала. Новая конструкция оправы (рис.6) с регулировкой наклона DKDP на скользящих посадках и с зажимами на встречных винтах значительно снизила температурную зависимость. Входной и выходной поляризаторы также оказались чувствительны к изменению температуры. Поляризатор – растянутая пленка поливинилового спирта, пропитанная дихроическим веществом – обычно заклеивается в защитные стекла. Но при изменении температуры, например от тепла оператора, возникало натяжение в стеклах, изменялось эффективное направление поляризации, и появлялся ложный сигнал. Применение не заклеенной в стекла поляроидной пленки на основе поливинилового спирта устранило влияние температуры на эффективную ориентацию поляризатора. При непрерывном, в течение нескольких дней, контроле «нуля» установки (с выставленной кристаллической пластинкой и без нее) выяснилось, что нестабильность юстировки электрооптического модулятора иногда все же является источником ложного сигнала. Поэтому желательно перед установкой очередной пластинки проверить сигнал на дисплее и откорректировать «нуль» юстировкой наклона модулятора. Литература 1. Fredga K. Hogbom J.A. A versatile birefringent filter // Solar Phys. 1971. v.20. n1. P. 224227. 2. Кушталь Г.И., Скоморовский В.И., Домышев Г.Н., Садохин В.П., Опсиков И.А. Интерференционно-поляризационный фильтр типа Шольца с увеличенным угловым полем зрения // Труды УАФО. т10. вып.10 Владивосток: Дальнаука, 2007. С.58-68. 3. Домышев Г.Н., Садохин В.П., Скоморовский В.И. Способ ориентирования кристаллических пластин.// Авт. свид. № 1506420. Бюл. изобр. 1989. №33. 4. Виноградова Т.А., Кузнецов Б.В., Сидоренко А.А. Контрастный интерференционнополяризационный фильтр для УФ области спектра// Оптика и спектроскопия. 1983. том 54, вып.2. С.372-376. 191
