Введение
Астрономический спектрологический светопроцессор Льотовский фильтр (поляризационный интерференционный монохроматизатор, бирефрингентный фильтр), названный в честь его изобретателя и французского астронома Бернарда Льота, является типом оптического фильтра, который использует бирефрингентность для создания узкой полосы пропускания передаваемых длин волн. Льётные фильтры используются в астрономии, особенно для солнечной астрономии, лазеров, биомедицинской фотоники и химической визуализации Рамана.
A Lyot filter (polarization interference monochromator, birefringent filter), named for its inventor and French astronomer Bernard Lyot, is a type of optical filter that uses birefringence to produce a narrow passband of transmitted wavelengths. Lyot filters are used in astronomy, particularly for solar astronomy, lasers, biomedical photonics and Raman chemical imaging.
Основные принципы
В этом разделе описывается, как из бирефригенции возникает зависимая от длины волны передача света в фильтре Льота.
Многоплановый оптический фильтр
Многопластовые фильтры представляют собой серию последовательных однопластовых фильтров, причем толщина каждой пластинки равна половине толщины предыдущей пластинки. Используя эту конструкцию, график, описывающий интенсивность передаваемого света на каждой длине волны, покажет более четкие основные пики (более узкая полоса пропускания) передаваемого света и больший интервал длины волны между основными пиками передаваемого света (свободный спектр). В качестве примера, расширяя уравнение однопластового оптического фильтра на 3 пластинки с максимальной толщиной волновой пластины, этот многопластовый оптический фильтр передает интенсивность света от входа горизонтально поляризованной интенсивности света:
Особенности конструкции
Волновые плиты обычно кварцевые или кальцитовые. Поворотом волновой пластины может быть изменена длина волны пиков передачи. Разделение кристаллов пополам и добавление 1/2 волновой пластины посередине увеличивает поле зрения фильтра. Разделение и узкость передающих пиков зависит от количества, толщины и ориентации плит. Из-за температурно-зависимых двуломоразрывных свойств кварца и кальцита, фильтру Льота требуется термостат для минимизации колебаний температуры.
Настраиваемые фильтры
Электрически настраиваемый фильтр Lyot содержит настраиваемые электрооптические или жидкокристаллические двураздельные элементы. Настраиваемый электрооптический фильтр Lyot использует свинцовый магниевый ниобат, свинцовый титанат (PMN PT) и оптическую керамику для настройки фильтра. Фильтры с регулируемой жидкокристаллической системой позволяют осуществлять аналоговую настройку передаваемой длины волны путем тщательной регулировки напряжения в жидкокристаллических ячейках. Спектральный пропускной способности фильтра Lyot с жидкими кристаллами может колебаться от 30 до 0,05 нм. Две категории фильтров Lyot с жидкими кристаллами - это фильтры с торможением поляризующих помех и электрооптические фотонные кристаллы. Часто эти фильтры основаны на оригинальной конструкции Lyot, но существует много других конструкций для достижения других свойств, таких как узкая или широкая полоса передачи или селективность поляризации.
Сравнительная производительность
Фильтр Льота и фильтр Фабри Перо являются наиболее распространенными настраиваемыми электрооптическими фильтрами. По сравнению с фильтром Фабри Перо, настраиваемый фильтр Льота имеет более широкий и более стабильный регулируемый диапазон, но фильтр Льота передает меньше света. Плохая пропускательность происходит из-за большого количества высокопоглощающих поляризаторов и несовершенного действия волновой пластины. Льётные фильтры могут содержать до 12 отдельных фильтров, что делает их дорогими и ограничивает их использование в компактных приборах. В отличие от фильтров Lyot, фильтр Solc использует только 2 поляризатора, что приводит к меньшему сокращению света.
Приложения
В солнечной астрономии, для наблюдения хромосферы Солнца, второго атмосферного слоя Солнца, требуются узкополосные оптические фильтры (спектрогелиографы), такие как фильтр Льота, использующие длины волн для наблюдения солнечных вспышек, просветлений, нитей и плесени, возникающих из кальция и водорода. Одноплановые и многоплановые фильтры Lyot часто используются внутри оптической полости лазеров для настройки лазера. В этом случае, потери Брюстера от пластины и других элементов внутри полости обычно достаточно для получения поляризующего эффекта и не требуются дополнительные поляризаторы. Льотовые фильтры используются также в широкополосных лазерах Tisapphire и лазерных осцилляторах для выбора длины волны. Хотя их механизмы различны, моделирующие лазеры и лазеры фильтра Lyot производят гребень с несколькими длинами волн, которые могут быть помещены в сетку каналов ITU для мультиплексирования плотной волны (DWDM) или использоваться для предоставления каждому пригородному дому собственной длины волны обратного сигнала лазера в пассивной оптической сети (PON), используемой для обеспечения FTTH (Fiber To The Home). Еще одно применение фильтров Lyot - для химической визуализации Рамана. Другие применения были в микроспектрометре и гиперспектральных устройствах визуализации и биомедицинской фотонике.