Стокс-поляриметр на основе двухлучевой схемы для решения задач инструментальной астрономии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Кукушкин Дмитрий Евгеньевич

• Кукушкин Дмитрий Евгеньевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Кукушкин Дмитрий Евгеньевич

РЕФЕРАТ

ABSTRACT

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Способы описания состояния поляризации электромагнитного излучения

1.1.1 Вектор Джонса

1.1.2 Вектор Стокса

1.1.3 Матрица когерентности

1.1.4 Матрицы Мюллера

1.2 Элементная база поляриметра

1.2.1 Поляризационные анализаторы

1.2.2 Фазовые пластинки и оптические элементы, обеспечивающие сдвиг фазы

1.2.3 Деполяризаторы

1.3 Существующие Стокс-поляриметры

1.3.1 Поляриметр PAOLO для телескопа TNG

1.3.2 Поляриметр EPOL: the exoplanet Polarimeter

1.3.3 Поляриметр HANPO для телескопа TNG

1.3.4 Поляриметр PEPSI (Potsdam Echelle Polarimetrie and Spectroscopic Instrument) для телескопа LBT

1.3.5 Поляриметр для спектрометра X-shooter телескопа VLT

1.3.6 Поляриметр ESPaDOnS: Echelle SpectroPolarimetric Device for the Observation of Stars

1.3.7 Поляриметр для спектрометра высокого спектрального разрешения SARG для телескопа TNG (3,55 м)

1.3.8 Поляриметр спектрометра SCORPIO-2 на 6-м телескопе БТА

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. МОДУЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СТОКС-ПОЛЯРИМЕТРА

2.1 Основные схемы измерения состояния поляризации с помощью фазовых пластин и анализатора

2.1.1 Схема устройства измерения поляризации с помощью четвертьволновой фазовой пластинки и анализатора

2.1.2 Схема устройства измерения поляризации с помощью полуволновой и четвертьволновой фазовых пластин и анализатора

2.1.3 Эффекты оптических компонентов

2.2 Этапы построения оптической системы Стокс-поляриметра

2.3 Габаритный и аберрационный расчеты оптической системы Стокс-

поляримера

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СТОКС-ПОЛЯРИМЕТРА

3.1 Оценка инструментальной поляризации главного зеркала БТА

3.2 Оценка инструментальной поляризации линзовой части Стокс-поляриметра

3.3 Оценка инструментальной поляризации фазосдвигающих пластин поляриметра на основе экспериментальных данных

3.3.1 Измерение интенсивности светового потока с полуволновой ФП

3.3.2 Измерение интенсивности светового потока с четвертьволновой ФП

3.3.3 Оценка инструментальной поляризации, вносимой ФП на измерения параметров Стокса

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. РАССЧИТАННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ СТОКС-ПОЛЯРИМЕТРОВ

4.1 Оптическая схема Стокс-поляриметра для эшелле-спектрометра высокого спектрального разрешения БТА

4.1.2 Оценка инструментальной поляризации оптической схемы Стокс-поляриметра для эшелле-спектрометра высокого спектрального разрешения БТА

4.2 Оптическая система Стокс-поляриметра на основе параболических зеркал

4.2.1 Сравнительный анализ пропускания зеркальных оптических схем Стокс-поляриметров на базе призм Волластона и Фостера

4.2.2 Оценка инструментальной поляризации оптической системы Стокс-поляриметра на основе параболических зеркал

4.3 Взаимосвязь элементов матрицы Мюллера, определяющих состояние поляризации проходящего излучения, в линзовых системах

4.4 Расчет линзового коллиматора Стокс-поляриметра с учетом вносимой им

инструментальной поляризации

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

244

РЕФЕРАТ

Поляриметрические исследования в астрономии широко применяются в настоящее время. С их помощью изучаются магнитные поля звезд, определяется ориентация орбит экзопланет, эффекты отражения в атмосферах звезд и аккреционных дисках и многое другое. К методам исследования магнитных полей звезд относится наблюдение и анализ эффекта Зеемана, связанные с поляризацией спектральных линий космических объектов. С этой целью астрофизики разработали ряд наблюдательных поляриметрических и спектрополяриметрических методов, которые позволяют успешно проводить измерения магнитных полей поверхностей звезд различных классов светимости, определять ориентацию орбит экзопланет, исследовать эффекты отражения в атмосферах звезд, в аккреционных дисках и многое другое. Существуют две основные причины, благодаря которым поляриметрия обеспечивает дополнительные преимущества для обнаружения и определения характеристик экзопланет, околозвездных дисков, звездных струй и других околозвездных объектов.

1) Рассеянный экзопланетами свет поляризован, что обеспечивает уникальный способ отличить экзопланету или другой околозвездный объект от не поляризованного звездного света.

2) Количество линейно поляризованного света и его ориентация позволяют получить дополнительные сведения, об исследуемых объектах.

Практически все современные спектрометры оснащаются Стокс-поляриметрами, позволяющими производить измерения всех четырех параметров Стокса.

Основным ограничивающим фактором в поляриметрических исследованиях в области астрономии является инструментальная поляризация самих Стокс-поляриметров. Так как поляриметры подобного класса работают совместно с телескопом, спектрометром и другим служебным оборудованием, невозможно исключить влияние этих компонентов на результаты измерений. Основными источниками инструментальной поляризации, определяющими нижнюю границу точности измерения Стокс-поляриметра, являются: деполяризация, вносимая наклонными зеркалами, эффекты двулучепреломления в стекле, остаточный хроматизм фазосдвигающих пластин (что особенно критично при работе в широком спектральном диапазоне), хроматизм поляризационного анализатора. Влияние на состояние поляризации падающего излучения также оказывают вносимая атмосферой деполяризация и различные дефекты зеркального покрытия зеркал телескопа. Учет влияния перечисленных эффектов ведет к повышению точности измерения параметров Стокса входящего излучения, что позволяет исследовать более слабые и удаленные космические объекты.

Методика измерений, расчет, построение, элементная база, способы учета и минимизации инструментальной поляризации поляриметрических инструментов для различных телескопов подробно описываются в работах следующих авторов:

Е. Ф. Ищенко, А.Л. Соколов, М. Л. Демидов, И. Д. Найденов, А. М. Шутов, Л. Колоколова, J. Hough, L. Fossati, K.G. Strassmeier, K. H. Nordsieck, J. S. Miller и др. Открытым остается вопрос создания методики синтеза оптической системы Стокс-поляриметра с минимальной инструментальной поляризацией. Синтез оптических систем с исправленной инструментальной поляризацией является актуальной задачей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стокс-поляриметр на основе двухлучевой схемы для решения задач инструментальной астрономии»

Цель работы

Разработка методики расчета Стокс-поляриметра на основе двухлучевой схемы для решения задач инструментальной астрономии.

Задачи исследования

1. Обзор существующих оптических схем Стокс-поляриметров и их элементной базы.

2. Разработка методики расчета оптической системы Стокс-поляриметра на основе двухлучевой схемы.

3. Исследование инструментальной поляризации, вносимой компонентами Стокс-поляриметра.

4. Аналитическое и экспериментальное исследование влияния величины сдвига фазы на инструментальную поляризацию фазосдвигающих пластин.

5. Оценка пропускания оптической системы Стокс-поляриметра при использовании различных поляризационных анализаторов.

Объект исследования - Стокс-поляриметры на основе двухлучевой схемы, применяющиеся в астрономии.

Предмет исследования - методика функционального проектирования Стокс-поляриметра на основе двухлучевой схемы с оптимальными характеристиками качества.

Методология и методы исследования

1. Аналитические методы, основанные на применении волновой теории электромагнитного излучения, теории параксиальной оптики и теории аберраций третьего порядка.

2. Методы компьютерного моделирования и автоматизированной коррекции конструктивных параметров по критериям качества изображения оптических систем с использованием программного пакета OpticStudio.

3. Методы экспериментального определения интенсивности светового потока, прошедшего через оптическую систему с исследуемыми фазосдвигающими пластинами.

Научная новизна работы

1. Разработана методика расчета оптической системы Стокс-поляриметра на основе двухлучевой схемы с исправленной инструментальной поляризацией.

2. Подтверждена возможность использования радиусов кривизны преломляющих поверхностей в качестве компенсационных параметров при расчете линзовых объективов по критерию минимизации инструментальной поляризации.

3. Проведена оценка инструментальной поляризации, вносимой главным зеркалом БТА с учетом отклонения формы поверхности от расчетной.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Использование матриц Мюллера на этапе синтеза позволяет создать оптическую систему Стокс-поляриметра с исправленной инструментальной поляризацией.

2. Стокс-поляриметр на основе двухлучевой схемы с инструментальной поляризацией 58'<10_4 может быть построен, если ошибки сдвигов фазы фазосдвигающих пластин для полуволновой не превышают 1,5°, для четвертьволновой не превышают 1,1°.

3. Радиусы кривизны преломляющих поверхностей могут выступать в качестве компенсационных параметров при расчете линзовых объективов по критерию минимизации инструментальной поляризации.

Достоверность результатов подтверждается согласованием результатов аналитических расчетов с результатами компьютерного моделирования, корреляцией данных численного моделирования и экспериментальных исследований.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Показана эффективность использования матриц Мюллера на этапе синтеза оптической системы, что позволяет рассчитать двухлучевые Стокс-поляриметры с исправленной инструментальной поляризацией.

2. Рассчитана двухлучевая оптическая схема Стокс-поляриметра для спектрометра высокого спектрального разрешения БТА с инструментальной поляризацией, не превышающей £±4,09х10_3; , ± 4,47х10"3; . ± 4,76х10"3 при степени поляризации входящего излучения Р<10%.

3. Рассчитана инструментальная поляризация, вносимая главным зеркалом БТА с учетом отклонения формы поверхности от расчетной, которая составляет £±2,2x10"$;, ± 9,3х10"5; . ± 8,9х10"5, при степени поляризации входящего излучения Р<10%.

4. Рассчитано и экспериментально подтверждено влияние величины сдвига фазы фазосдвигающих пластин на результаты измерения параметров Стокса. Найдена максимальная инструментальная поляризация вносимая фазосдвигающими пластинами: £±9,6х10_4; , ± 9,6х10"6; . ± 1,8х10"5, при степени поляризации входящего излучения Р<10%.

5. Показана возможность расчета отдельных компенсационных линз в составе линзового объектива коллиматора с целью уменьшения инструментальной поляризации, вносимой объективом.

Апробация результатов исследования

Результаты работы были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях: II, IV, V, VI Всероссийском конгрессе молодых ученых Университета ИТМО 2014, 2015, 2016, 2017 годов соответственно; 10th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication 2016 года; международной конференции "Физика звезд: от коллапса до коллапса" 2016 года; SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2016, SPIE Optical Metrology 2017, Всероссийской астрометрической конференции "Пулково-2018"; XLIII, XLV, XLVI, XLVIII научной и учебно-методической конференциях Университета ИТМО 2014, 2016, 2017, 2019 годов соответственно.

Выступления были отмечены дипломами:

Диплом «Лучший научно-исследовательский доклад аспиранта» (V ВКМУ, 2016),

Диплом «За лучший доклад на секции» (VI ВКМУ, 2017).

Публикации

Подготовлены и опубликованы 8 научных трудов по исследуемой проблеме, из них 6 печатных, из которых одна статья в издании из перечня ВАК, 5 статей в изданиях, включенных в системы цитирования Scopus/Web of Science, и 2 труда в электронных изданиях материалов конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, библиографического списка из 101 наименования и 3 приложений; содержит 209 страниц машинописного текста, 60 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и задачи, отображены научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы представлен литературный обзор основных способов описания состояния поляризации электромагнитного излучения. В первом разделе описана методика работы с частично поляризованным излучением при помощи матриц Мюллера и вектора Стокса. Показан способ построения математической аналитической модели Стокс-поляриметра при помощи матриц Мюллера. Во втором разделе приводится краткий обзор элементной базы Стокс-поляриметра. Представлены особенности применения и ограничивающие факторы для различных поляризаторов (поляризационных анализаторов) и деполяризаторов. Описаны способы контролируемой поляризации и деполяризации электромагнитного излучения. В третьем разделе рассмотрены существующие Стокс-поляриметры, использующиеся на крупных телескопах астрономами всего мира и позволяющие производить измерение всех параметров Стокса. В обзор вошли интересные схемные решения по построению оптических систем для разделения входящего пучка лучей поляризационным анализатором и минимизации инструментальной

поляризации. Приводится обоснование выбора двухлучевой схемы как наиболее оптимальной с точки зрения минимальной инструментальной поляризации.

Во второй главе рассматриваются принципы модульного построения оптической системы Стокс-поляриметра. В первом разделе обсуждаются различные способы измерения параметров Стокса при помощи фазовых пластин и поляризационного анализатора. Приведены принципиальная схема устройства (рисунок 1) и соотношения, позволяющие путем шести измерений определить все параметры Стокса. Обсуждаются основные источники инструментальной поляризации в выбранной схеме измерения. Во втором разделе предложена блок-схема расчета оптической системы Стокс-поляриметра. Модульный принцип позволяет решать сложную задачу путем деления её на составляющие, что существенно упрощает процесс разработки. В третьем разделе рассмотрен габаритный и аберрационный расчет оптической системы Стокс-поляриметра. Приведены соотношения, определяющие зависимость фокусных расстояний коллимирующего и проекционного объективов. В габаритном расчете учтены углы падения на поверхности оптических элементов с целью минимизации их инструментальной поляризации.

Главное зеркало ВТ А

Рисунок 1 - Принципиальная схема работы поляриметра. ПД - полевая диафрагма, 1 - коллимационный объектив, 2, 3 - полуволновая и четвертьволновая фазовые пластинки, поочередно вводятся в ход лучей, 4 -

поляризационный анализатор, 5 - деполяризатор (устанавливается при необходимости), 6 - проекционные объективы, проецируют два ортогонально поляризованных пучка света на соответствующие торцы оптоволоконных каналов, 7 - изображения входной щели Стокс-поляриметра, входные щели

спектрометра

Фазосдвигающие пластинки и поляризатор устанавливаются в параллельный ход лучей. При использовании в качестве поляризационного анализатора призмы Волластона необходимо учитывать влияние хроматических аберраций призмы на качество изображения системы. Для минимизации этого влияния угол разведения обыкновенного и необыкновенного лучей призмой должен быть минимально возможным для разрабатываемой системы. При этом пространственное разведение двух ортогонально поляризованных пучков на необходимое расстояние достигается увеличенным задним отрезком системы.

Рабочее увеличение оптической системы также оказывает влияние на остаточный хроматизм оптической системы Стокс-поляриметра.

В третьей главе рассмотрены основные источники инструментальной поляризации Стокс-поляриметра и рассчитаны матрицы Мюллера каждого компонента поляриметра. На основе найденных матриц Мюллера произведена оценка инструментальной поляризации, вносимой каждым компонентом.

В первом разделе приведен расчет матрицы Мюллера главного зеркала (ГЗ) Большого телескопа Азимутального (БТА), составленной на основе формул Френеля и матрицы Джонса точечной отражающей поверхности. После нахождения матриц Джонса для нескольких точек поверхности главного зеркала и приведения их к общей системе координат была получена усредненная матрица Джонса поверхности зеркала. Затем при помощи известных выражений матрица Джонса была преобразована в матрицу Мюллера для отражающей поверхности ГЗ БТА. Были учтены отклонения формы зеркала от расчетной на основании внутреннего отчета сотрудников САО РАН. Было получено распределение коэффициента деполяризации Кс1 ГЗ в зависимости от длины волны, представленное на рисунке 2.

При помощи полученной матрицы Мюллера проанализировано влияние ГЗ БТА на падающее излучение с известным вектором Стокса (таблица 1). Для нахождения вектора Стокса выходящего излучения 8' (таблица 2) использовалось следующее выражение:

5' = 8(-;<) • МГЗ • • 5. (1)

Таблица 1 - Вектор Стокса входящего излучения 8

Р=0.1 Р=0.1 Р=0.1 Р=0.10013 Р=0.10013 Р=0.10013 Р =0.10046 Р=0

81 82 83 84 85 86 87 88

Г 1 ] Г 1 ] Г 1 ] Г 1 ] Г 1 ] Г 1 ] Г 1 ] Г11

0.1 0 0 0.0708 0 0.0708 0.058 0

0 0.1 0 0.0708 0.0708 0 0.058 0

1 0 \ 1 0 \ 1-0.1 1 0 \ 1-0.0708-1 1-0.0708-1 1-0.058-1 10]

Таблица 2 - Вектор Стокса выходящего излучения 8' (ГЗ с учетом местных ошибок)____

Р'=0.09975 Р'=0.1 Р'=0.1 Р'=0.09994

II ■ 0,8769 - 0,0874 -3,9х10"6 -1,5х10"6. 52' = ■ 0,8769 ■ -2,2х10"4 0.0877 . 8,9х10"5 . 53' = " 0,8769 " -2,2х10"$ -9,3х10"5 0.0877 54' = " 0,8769 " 0.0618 0.0621 .6,2х10"5.

Р'=0.10012 Р'=0.09995 Р'=0.10031 Р'=2,6х10"4

55' = ' 0,8769 " -2,2х10"4 0.0620 0.0621 56' = ' 0,8769 " 0.0618 -6,7х10"5 0.0621 57' = 0,8769" 0.0506 0.0508 1-0.0509-1 58' = 0,8769 -2,2х10"4 3,9х10#6 0

1,00055 1,0005 1,00045 -Q 1,0004 1,00035

1,0003 1,00025

0,38 0,43 0,48 0,53 0,58 0,63 0,68 0,73

Л, АЛКАЛ

Рисунок 2 - Коэффициент деполяризации главного зеркала БТА, покрытого алюминием, в диапазоне длин волн 380 - 750 нм

Получены значения коэффициентов деполяризации ГЗ БТА для различных длин волн в спектральном диапазоне 380 - 750 нм, которые составляют MN = 3,123 • 10"4 - 5,129 • 10"4. При этом из-за неравномерного влияния ГЗ инструментальная поляризация при измерении параметра Q увеличивается с длиной волны. Разница в степенях поляризации входящего и выходящего излучений достигает ДР'=0,00025, что совпадает с полученными ранее значениями коэффициента деполяризации. Влияние инструментальной поляризации, вносимой главным зеркалом телескопа, на измеренные значения параметров Стокса не превышает 6S'=10-4.

Во втором разделе приведено исследование инструментальной поляризации линзовой части поляриметра и её влияние на измеряемые параметры Стокса. C учетом углов падения на поверхности линзы и её толщину в месте прохождения луча, возможно получить матрицу Мюллера одиночной линзы. Ошибки, вносимые одиночной плоскопараллельной пластиной толщиной 10 мм из стекла К8 на измеренные значения параметров Стокса, представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Вектор Стокса выходящего излучения S' (O = 30°, Q1 = 19,23°)

Р'=0.1 Р'=0.1 Р'=0.1 Р'=0.100126

1 1 1 ■ 1 1

0,0997 —3,4х10-2 - 6,8х10- 3 0,0706

—3,4х10-2 0,0999 - 1,0х10- -3 0,0707

.6,77х10_3. .1,01x10-*. 0,0997 .5,5х10-3.

Р'=0.100126 Р'=0.100126 Р '=0.10046 Р 0

1 1 Г 1 1 Г1]

-4,8х10-3 0,0658 0,0539 0

0,0700 -7,4х10-4 0,0574 0

, 0,0713 . 0,0754 0,0624 10

Из таблицы 3 видно, что инструментальная поляризация, вносимая одиночной линзой толщиной 10 мм и влияющая на измеренные значения параметров Стокса, сильно зависит от состояния поляризации входящего излучения и угла 0. При входящем излучении, в котором одновременно не присутствуют параметры и и V, инструментальная поляризация не превышает 58'=10_3, при присутствии в векторе Стокса входящего излучения одновременно параметров и и V инструментальная поляризация достигает 58'=10_2. При наличии угла в между падающим пучком и быстрой осью двулучепреломления в стекле появляются дополнительные ошибки в измеряемых параметрах вектора Стокса, не превышающие 58'=10_3. Для линзы появляется возможность использовать отрицательные углы падения крайних лучей, так как опорная система координат может менять своё направление (знак). При умножении матриц Мюллера, т.е. в случае использования нескольких линз, некоторые элементы матрицы могут оказаться противоположными по знаку, что дает возможность компенсировать ошибку, вносимую предыдущей линзой.

В третьем разделе приведена оценка инструментальной поляризации фазовых пластин поляриметра на основе экспериментальных данных. На основании паспортных данных о неравномерности фазового сдвига полуволновой и четвертьволновой фазовых пластин в спектральном диапазоне (400 - 750) нм были получены их матрицы Мюллера. Для измерения ошибок, вносимых полуволновой и четвертьволновой фазовыми пластинами, были собраны оптические схемы (рисунок 3).

После составления модели лабораторной установки для юстировки полуволновой фазосдвигающей пластины (ФП), используя формализм Мюллера и регистрации измерений интенсивности сигнала на выходе лабораторной установки, были получены графики модуляции интенсивностей измеренных и рассчитанных значений (рисунок 4). Вектор Стокса выходящего излучения лабораторной установки для юстировки полуволновой пластины:

5' = Я(-ф<) • Ми/2 • Чфд • Я(-Ф2) • • Я(ф2) • 5, (2)

где Мшо1 - матрица Мюллера призмы Волластона, М^/2- матрица Мюллера полуволновой пластины на длине волны 700 нм (ближайшая к 680 нм), Я(ф) -матрица поворота, ф - угол ориентации компонента.

На вход в модели подается естественно поляризованный свет 8=[1,0,0,0], что в максимальной степени соответствует излучению лазера. В модели полуволновую пластину поворачиваем на угол, соответствующий углу поворота шагового двигателя лабораторной установки.

Как видно на рисунке 4, рассчитанные и измеренные значения совпадают по периоду и отличаются по амплитуде. Отличия в амплитуде можно объяснить тем, что в модели учитываются ошибки только полуволновой ФП, а падающее излучение представляет собой полностью неполяризованное излучение. В результате анализа разности амплитуд интенсивностей измеренных и рассчитанных значений в зависимости от угла поворота фазовой полуволновой

пластины было определено, что постоянная составляющая разности значений интенсивностей прошедшего света Ат;п=0,0158, максимальная разность значений достигает величины Атах=0,0722.

а) б)

12 3 4-5 6 1 2 3 ^ 5 6 7 8

Рисунок 3 - Оптическая схема для измерения инструментальной поляризации, вносимой полуволновой (а) и четвертьволновой (б) ФП. а) 1 -полупроводниковый лазер на основе Оа1пР (Х=680 нм), 2 - коллиматор, 3 -призма Волластона, 4 - полуволновая пластина, 5 - проекционный объектив, 6 -

бленда для наблюдения одного из лучей, 7 - цифровой регистратор интенсивности излучения. б) 1 - светодиод, 2 - коллиматор, 3 - поляроид 1, 4 -призма Волластона, 5 - четвертьволновая пластина, 6 - проекционный объектив, 7- поляроид 2, 8 - бленда для наблюдения одного из лучей, 9 - цифровой регистратор интенсивности излучения

Рисунок 4 - Рассчитанное и измеренное значения интенсивности одного из

лучей с полуволновой ФП

При этом, как видно на графике, максимальная разница наблюдается при углах ориентации быстрой оси полуволновой ФП ф1=22,5° и ф1=112,5°, минимальная разница при ф1=45° и ф1=135°. Отсутствие полной амплитуды при углах пластины ф1=67,5° и ф1=157,5° может объясняться инструментальными эффектами, вносимыми источником излучения, призмой Волластона, коллимирующим объективом. Принимая во внимание полученные значения, можно сделать вывод, что наименьшая ошибка при измерениях на поляриметре

достигается при положении быстрой оси полуволновой ФП ф1=45° и ф1=135°, максимальная - при ф1=22,5° и ф1=112,5°.

Аналогичные измерения были проведены с четвертьволновой пластиной (рисунок 5). Вектор Стокса выходящего излучения лабораторной установки для измерения инструментальной поляризации, вносимой четвертьволновой пластины:

5' = Я(-ф<) • Мр • Я(ф<) • ^-ф^ • МЛ/4 • Я^) • Я(-ф*) • М[01 • Я(ф*) • 5, (3) где Мр - матрица Мюллера линейного поляризатора, М[о1 - матрица Мюллера призмы Волластона, Ми/4- матрица Мюллера четвертьволновой пластины на длине волны 600 нм, ф<, ф2, ф3 - углы ориентации компонентов. Оси линейного поляризатора и призмы Волластона взаимно перпендикулярны. На вход модели поступает линейно поляризованный свет 8=(1,1,0,0), что соответствует излучению лазера, прошедшему через линейный поляризатор (поляроид 1).

Средняя величина разницы значений интенсивности измеренных и рассчитанных значений составляет Датег=0,0551, минимальное значение Дтт=0,043, максимальное значение Дтах=0,0682. Модуляция для разности интенсивности значений не происходит, ошибка равномерна во всем рабочем диапазоне углов ориентации быстрой оси ФП.

-Рассчитанные значения

— Измеренные значения

Угол поворота, градусы

Рисунок 5 - График интенсивности измеренных и рассчитанных значений для ФП

Х/4

Принимая во внимание то, что расчетная модель для определения ошибок, вносимых ФП, подтверждается измерениями, была оценена ошибка, вносимая фазовыми пластинами, на измеренные значения параметров Стокса. Для нахождения всех параметров Стокса необходимо снять по четыре измерения для каждого из параметров. Нормированный параметр Q/I может быть получен при положении полуволновой ФП под углами 0 и 45° относительно оптической оси поляризационной призмы:

= (Я1 - 1)/(Я1 + 1), =л/(1о,о/1о,е)/(145,о/145,е), (4)

где I0 — измеренное значение интенсивности для обычного пучка лучей, Ie — измеренное значение интенсивности для необычного пучка лучей.

Нормированный параметр U/I может быть получен при положении полуволновой ФП под углами 22,5 и 67,5° относительно оптической оси поляризационной призмы:

= (R2 — 1)/(R2 + 1), R2 ^(I22,5,o/l22,5,e)/(l67,5,o/l67,5,e)- (5)

Нормированный параметр V/I измеряется при выведенной из хода лучей полуволновой пластине и введенной четвертьволновой ФП под углами 45 и -45° относительно оптической оси анализатора:

= (R3 — 1)/(R3 + 1), R3 =V(I45,o/l45,e)/(I-45,o/I-45,e). (6)

Оценивалось влияние инструментальной поляризации, вносимой ФП при указанных ориентациях, на результаты измерения параметров Стокса. Для этого при помощи аналитической модели поляриметра, основанной на матрицах Мюллера, проводились последовательные измерения интенсивности выходящего излучения. На вход в модель подавались различные комбинации вектора Стокса, соответствующие излучению со степенью поляризации 10 %. Матрица Мюллера поляриметра для обыкновенного луча: ?о = R(0) • MWoi • R(0) • RC—ф) • МФП • ВД, (7)

матрица Мюллера поляриметра для необыкновенного луча: Ме = R(—90) • Mwoi • R(90) • RC—ф) • Мфп • Rfo), (8)

где Mwol - идеальный линейный поляризатор, МФП - фазовая пластина, ф - угол поворота быстрой оси ФП.

В результате численного моделирования получены следующие значения для параметра Q: наибольшая инструментальная поляризация составила AQ=9,6x10_4 при входящем векторе Стокса S3, наименьшая инструментальная поляризация составила AQ=9x10_6 при входящем векторе Стокса S1. Для параметра U получены следующие ошибки: наибольшая инструментальная поляризация составила AU=9,6x10_6 при входящем векторе Стокса S2, минимальная инструментальная поляризация AU=2x10_7 при входящем векторе Стокса S6. Для параметра V: наибольшая инструментальная поляризация составила AV=1,8x 10_5 при входящем векторе Стокса S3, минимальная инструментальная поляризация составила AV=1,3x10-7 при входящем векторе Стокса S1.

В Четвертой главе представлены рассчитанные оптические системы Стокс-поляриметров на базе линзовых и зеркальных объективов, проведена оценка пропускания системы с различными поляризационными анализаторами, даны рекомендации по выбору поляризационного анализатора. Произведен расчет инструментальной поляризации для каждой оптической системы, также рассчитана оптическая система линзового коллиматора на минимум инструментальной поляризации.

В первом разделе представлены габаритный и аберрационный расчеты линзовой оптической схемы Стокс-поляриметра для эшелле-спектрометра БТА (рисунок 6) и приведена оценка её инструментальной поляризации.

——1 Ч-л —=*§=- —

гЪ 4 1===:

Рисунок 6 - Оптическая схема поляриметрического модуля. 1, 5 -коллимационный и проекционный объективы, 2 - полуволновая поляризационная пластинка, 3 - четвертьволновая поляризационная пластинка, 4 - поляризатор -

призма Волластона

Параксиальные характеристики: ^=81,36 мм; Г2=551,3 мм, А=0,125, А'=0,018, Бкол=21 мм. Достоинствами данной системы являются возможность использовать одну оптическую схему для работы в разных режимах и высокая эффективность вследствие малой толщины поляризатора. Моделирование производилось с использованием стандартного пакета программы ОрйсБШёю. При оптимальной величине поля в 1,5" полный диаметр пятна рассеяния поляризованного пучка составил 1,7 мм. Однако 80% энергии излучения, согласно функции концентрации энергии (ФКЭ), попадает в кружок диаметром 1,2 мм. Отличие диаметра изображения от расчетного обуславливается хроматизмом, вносимым призмой Волластона, который увеличивает пятно рассеяния из-за работы оптической системы с большим увеличением. Анализ пятен рассеяния каждого из поляризованных пучков для конечного варианта системы показал, что оптическая схема в целом соответствует требованиям к качеству изображения и может быть использована в базовой схеме инструмента.

Получена матрица Мюллера коллимирующего объектива и оценена инструментальная поляризация:

"10 0 0

об.кол.

0 0,9946 -1,276x10-* -0,1042 0 4,39х10-* 0,9995 0,0297 0 0,1042 -0,03 0,9941

Вектор Стокса выходящего излучения получен из выражения: 5' = ?об.кол. • 5. Векторы Стокса входящего излучения для оценки соответствуют состояниям с полностью поляризованным и естественным излучением. В таблице 4 представлены вектора Стокса выходящего излучения. Согласно полученным матрицам Мюллера, объектив коллиматора вносит кросстолк (переход излучения с линейной поляризацией в круговую и наоборот), который достигает 10,42%, при степени поляризации излучения Р=10% величина кросстолка составит 1,042%.

Таблица 4 - Вектора Стокса выходящего излучения

р 0 Р=1 , 8=2,99, ф=0,13 Р'=1 , 8=-0,86, ф=-44,96 Р'=1, 8=41,89, ф =-7,96

Г11 Г 1 Г 1 1 Г 1

0 0,9946 -1,27х10-* -0,1042

0 4,39х10-* 0,9995 0,0297

10] _ 0,1041 _ _ -0,03 _ 0,9941

Оценена величина инструментальной поляризации поляриметра. На вход в модель подавались известные вектора Стокса (см. Таблицу 1) и, используя выражения (4) - (6), найдены параметры Стокса на выходе из модели. Матрица Мюллера поляриметра для обыкновенного луча:

?о = R(0) • Mwol • R(0) • RC-ф) • Мфп • ВД • Моб1 • МГЗ, (9)

матрица Мюллера поляриметра для необыкновенного луча:

?е = R(-90) • Mwol • R(90) • ^-Ф • МФП • ВД • ?об1 • ?ГЗ, (10)

где MWol - матрица Мюллера идеальной призмы Волластона. Вектор Стокса выходящего излучения: SQ' = М0 • S, Se' = Ме • S (11, 12). Результаты моделирования для центральной и крайних длин волн рабочего спектрального диапазона приведены в таблицах 5, 6.

Как видно из таблицы 6, наибольшая инструментальная поляризация при измерении параметров Стокса достигается в том случае, когда во входящем излучении преобладают параметры Q и V. Разница значений при измерении параметра U минимальна. Максимальная разница рассчитанных и измеренных значений параметра U достигает AU = 2,84х10-3 при входящем векторе Стокса S3.

Таблица 5 - Разница теоретических и расчетных значений параметров Стокса для Х=546,7 нм_

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7

AQ 6,26х 10-4 3,37х 10-4 0,0097 6,12х 10-4 7,26х 10-3 7,05х 10-3 6,07х 10-3

AU 4,38х 10-4 5,46х 10-5 2,84х 10-3 2,73х 10-4 2,32х 10-3 1,97х 10-3 1,87х 10-3

AV 0,0104 2,89х 10-3 6,05х 10-4 5,31х 10-3 6,93х 10-3 2,47х 10-3 4,01х 10-3

Таблица 6 - Разница теоретических и расчетных значений параметров Стокса

Х=400 нм Х=750 нм

S1 S2 S3 S1 S2 S3

AQ 5,72х10-4 3,35х10-4 0,00927 8,35х10-4 6,07х 10-4 0,01125

AU 4,38х10-4 6,28х10-5 2,84х 10-3 4,38х10-4 6,28х 10-5 2,8х10-3

AV 0,01039 2,84х10-3 6,19х 10-4 0,01038 2,92х 10-3 6,49х10-4

Из полученных результатов видно, что решающее воздействие на состояние поляризации входящего излучения оказывают линзы объектива коллиматора. Инструментальная поляризация для параметра Q максимальна на длине волны 750 нм - ДQ=0,01125. Разница между между максимальной и минимальной ошибкой Д@75о — Д@4оо =0,002 обуславливается влиянием ГЗ телескопа. Ошибка

измерения параметра V составляет АР=0,01039 и постоянна во всем рабочем спектральном диапазоне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кукушкин Дмитрий Евгеньевич, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Zeeman P. The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance / P. Zeeman // Nature. - 1897. - Vol. 55. - P. 347.

2. Клочкова В. Г. Поляриметрия и спектрополяриметрия звезд. Приборы и методы / В. Г. Клочкова [и др.] // Астрофизический бюллетень. - 2005. -Том 58, № 2. - C. 132-144.

3. Шутов А.М. Методы оптической астрополяриметрии. М.: УРСС, 2007. 232 с.

4. Stenflo J.O. Calibration of the 6302/6301 stokes v line ratio in terms of the 5250/5247 ratio / J.O. Stenflo et. al. // Astronomy and Astrophysics. - 2013. -Vol. 556. - P. A113.

5. Stokes R.A., Swedlund J.B., Avery R.W., Michalsky J.J. Interstellar circular polarization: results from a survey of 84 stars // Astron. J. - 1974. - V.79. N 6. -P. 678-681.

6. Coffen D.L. Optical polarization measurements of the Jupiter atmosphere at 103° phase angle // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. N 25. P. 3645-3652.

7. Daniel J.V. Monte Carlo analysis of polarization by Thomson scattering in circum stellar envelopes // Astronomy and Astrophysics. - 1980. - V. 86. N 1-2. - P. 198-203.

8. Dollfus A. Optical polarimetry of the Galilcan Satellites of Jupiter // Icarus. 1975. V. 25. N 3. P. 416-431. Dollfus A., Deschamps M., Ksanfomaliti L.V. The surface texture of the martian sell photopolarimeters // Astronomy and Astrophysics. -1983. - V. 123. N 2. - P. 225-237.

9. Keller C.U. EPOL: the exoplanet polarimeter for EPICS at the E-ELT / C. U. Keller // Proc. of SPIE. - 2010. - Vol. 7735. -P. 77356G-1

10.Valyavin G. G. High-resolution fiber-fed echelle spectrograph for the 6-m telescope. I. Optical scheme, arrangement, and control system / G. G. Valyavin et. all // Astrophysical Bulletin. - 2014. - Vol. 69. No 2. - P. 224-239.

11.Vasilyev V.N. A high spectral resolution spectrograph with fiber input for the Big Azimuthal Telescope of SAO RAS. Improvement of the spectral module / V. N. Vasilyev // Optical Review. -2016.- Vol. 23. No. 5.- P. 878-884.

12.Кукушкин, Д. Е. Спектрограф высокого спектрального разрешения с оптоволоконным входом для 6-м телескопа САО РАН. Поляризационный модуль / Д. Е. Кукушкин [и др.] // Астрофизический бюллетень. - 2016. -Том 71, № 2. - C. 270-278.

13.Borra E.F., Polarimetry at the coude focus / E.F. Borra // PASP. - 1976. - Vol. 88. P. 548.

14.Clarke D. Effects of polarization on the transmission of Coude-spectrometer systems / D. Clarke // A&A. - 1973. - Vol. 24. P. 165.

15. Савикин А. П., Шутов А. М. Измерение инструментальной поляризации, вносимой катадиоптрическим объективом. / А. П. Савикин, А. М. Шутов // Оптический Журнал. - 2013. - Том 80, №9. - С. 23 - 26.

16.Fossati L. Polarimetry as a tool to find and characterise habitable planets orbiting white dwarfs / L. Fossati // Proceedings of the International Astronomical Union. - 2015. - Vol. 305.- P. 325-332.

17.Отчет САО РАН 2014. [Электронный ресурс] URL: https://www.sao.ru/Doc-k8/Science/Public/Reports/Y2014/021-BTA-ktbt.pdf / (дата обращения: 05.06.2017).

18.Kolokolova L. Polarimetry of stars and planetary systems / L. Kolokolova, J. Hough, A-C, Ltvasseur-Regourd. - Cambridge University Press.: 2015. - 488 p. ISBN 978-1-107-04390-9 (hbk.)

19.Волкова Е.А. Поляризационные измерения / Е. А. Волкова. - М.: 1978.

20.ГОСТ 23778-79. Измерения оптические поляризационные. Термины и определения. - М.: 1979.

21.Ерофеева М.С. ИК-поляриметрия волноводных оптических элементов: диссертация кандидата технических наук: 05.11.07 / Ерофеева Мария Сергеевна. - Санкт-Петербург, 2006. - 151 с. : ил.

22.Ищенко Е. Ф. Поляризационная оптика / Е. Ф. Ищенко, А. Л. Соколов. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2019. - 576 с.

23.Аззам Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара. Пер. с англ. под ред. чл.-корр. АН СССР А.В. Ржанова и К.К. Свиташева. - М.: Мир, 1981. - 583 с.: ил.

24.Lockhart M. Novel infrared polarimeter for the ESO CRIRES+ instrument / M. Lockhart et. al. // Proc. of SPIE. - 2014. - Vol. 9147. - P. 91478P-1.

25.Millar-Blanchaer M. Polarization gratings for visible and near-infrared astronomy / M. Millar-Blanchaer et. al. // Proc. of SPIE. -2014.- Vol. 9151. - P. 91514I-1.

26.Packham C. Polarization Gratings: A Novel Polarimetric Component for Astronomical Instruments / C. Packham et. al. // Publications of the astronomical society of the pacific. - 2010. - Vol. 122. - P. 1471.

27.Oswalt T. D. Planets, Stars and Stellar Systems Volume 2: Astronomical Techniques, Software, and Data / T. D. Oswalt, H. E. Bond. - Springer Reference, 2013.

28. Beckers, J. M. (1971). Achromatic linear retarders. Applied Optics, 10(4), 973975.

29.Pancharatnam S. Achromatic combinations of birefringent plates. Part II. An achromatic quarter-wave plate / S. Pancharatnam // Proceedings of the Indian Academy of Science. - 1955. - Vol. A41. -P. 137-144.

30. Aitken, D. K. and Hough, J. H. (2001). Spectral modulation, or ripple in retardation plates for linear and circular polarization. Publications of the Astronomical Society of the Paci c, 113(788), 1300-1305.

31.Semel M. Spectropolarimetry and polarization-dependent fringes / M. Semel // Astronomy and Astrophysics. - 2003. - Vol. 401. - P. 1-14.

32.Clarke D. Effects in polarimetry of interference within wave plates / D. Clarke // Astronomy and Astrophysics. - 2005. - Vol. 434. - P. 377-384.

33. Hale, P. D. and Day, G. W. (1988). Stability of birefringent linear retarders (waveplates). Applied Optics, 27, 5146-5153.

34.Samoilov A.V. Properties of multicomponent achromatic and superachromatic zero-order wave plates / A. V. Samoilov et. al. // The Journal of Optical Technology. - 2009. - Vol. 76. - P. 312-315.

35. Komanduri, R. K., Lawler, K. F., and Escuti, M. J. (2013). Multi-twist retarders: broadband retardation control using self-aligning reactive liquid crystal layers. Optics Express, 21, 404.

36.Donati J.-F. ESPaDOnS: An Echelle spectropolarimetric device for the observation of stars at CFHT / J.-F. Donati et. al. // ASP Conference Proceedings. - 2003. - Vol. 307. - P. 41.

37.Capobianco G. Electro-optical polarimeters for ground-based and space-based observations of the solar K-corona / G. Capobianco et al. // In Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. - 2012. - Vol. 8450. - P. 40.

38.Характеристики деполяризатора Лио [Электронный ресурс]. - URL: http://elan-optics.com/docs/depolar/3DepolyarizatorLio.pdf / (дата обращения: 24.04.2019).

39. Carlos J. G. de Sande. Polarization changes at Lyot depolarizers output for different types of input beams / J. G. de Sande Carlos et. al. // Journal of the Optical Society of America A. - 2012. - Vol. 29, №3. P. 278.

40. Характеристики комбинированного деполяризатора [Электронный ресурс].

URL:http://elanoptics.com/docs/depolar/6Kombinirovanniydepolyarizator_ELA NF.pdf / (дата обращения: 24.04.2019).

41.Джеррард А. Введение в матричную оптику/ А. Джеррард, Дж. М. Бёрч // Пер. с англ. канд. физ.-мат. наук А.И. Божкова и Д.В. Власова. - М.: Мир, 1978. - 341 с.: ил.

42.Covino S. PAOLO: A Polarimeter Add-On for the LRS Optics at a Nasmyth focus of the TNG / Covino S. et. al. // Astronomische Nachrichten. 2013. - Vol. 335(2). - P. 117.

43. Leone F. The HARPS-North@TNG polarimeter / F. Leone et. al. // Proc. of SPIE. - 2014. - Vol. 9908. - P. 99087K-1.

44.Leone F. A polarimetric unit for HARPS-North at the Telescopio Nazionale HANPO Galileo / F. Leone et. al. // Proc. of SPIE. - 2014. - Vol. 9147. - P. 91472F-1.

45.Strassmeier K.G. PEPSI: The high-resolution echelle spectrograph and polarimeter for the Large Binocular Telescope / Strassmeier K.G. et. al. // Astron. Nachr. - 2015. - Vol. 336, No. 4. - P. 324 - 361. / DOI 10.1002/asna.201512172.

46.Ilyin I. Design of the PEPSI spectropolarimeter for the LBT / Ilyin I. et. al.// Astron. Nachr. - 2011. - Vol. 332, No. 8. - P. 753 - 758. / DOI 10.1002/asna.201111600

47.Snik F. Design of a Full-Stokes Polarimeter for VLT/X-shooter / F. Snik et. al. // Proc. of SPIE. - 2012. - Vol. 8446. P. 844625-1.

48.Donati J.-F. ESPaDOnS: The new generation stellar spectro-polarimeter. Performances and results / Donati J.-F. et. al. // In Astronomical Society of the Pacific Conference Series. - 2006. - Vol. 358. - P. 362.

49.Leone F. The High Resolution Spectropolarimeter of the Italian Telescopio Nazionale Galileo / F. Leone // ASP Conference Proceedings. - 2003. - Vol. 307. - P.51.

50. Афанасьев В. Л. Методика поляриметрических наблюдений слабых объектов на 6-м телескопе БТА / В.Л. Афанасьев, В.Р. Амирханян // Астрофизический бюллетень. - 2012. - Том 67, №4. - С. 455-469.

51. Spano P. Optical design of CAOS: a high-resolution spectropolarimetr for the Catania Astrophysical Observatory 0.91 m telescope / P. Spano et. al. // Proc. of SPIE. - 2004. - Vol. 5492. - P. 373.

52. Donati J.-F. A dedicated polarimeter for the MuSiCoS echelle spectrograph / J.-F. Donati et. al. // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. - 1999. - Vol. 134. -P. 149159.

53.Olivia E. Wedged double Wollaston, a device for single shot polarimetric measurements / E. Olivia // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. - 1997. - Vol. 123. -P. 589 - 592.

54. Perreault J. D. Triple Wollaston-prism complete-Stokes imaging polarimeter / J. D. Perreault // Optics Letters. - 2013. - Vol.38, №19. - P.3874.

55.Junfeng H. Design and measurement of a full-stokes spectro-polarimeter with KD*P crystals for land objects / H. Junfeng // Proc. of SPIE. - 2014. - Vol. 9099. - P. 909917-1.

56. Friberg P. POL-2: a polarimeter for the James-Clerk-Maxwell telescope / P. Friberg et. al. // Proc. of SPIE. - 2016. - Vol. 9914. - P. 991403.

57.Nordsieck K. H. A simple polarimetric system for the Lick Observatory ImageTube Scanner /K. H. Nordsieck // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. - 1974. - Vol. 86. - P. 324-329.

58.Oka K. Spectroscopic polarimetry with a channeled spectrum / K. Oka, T. Kato // Optics Letters. - 1999. - Vol. 24(21). - P. 1475-1477.

59. Joos F. Reduction of polarimetric data using Mueller calculus applied to Nasmyth instruments / F. Joos et. al. // Proc. of SPIE. - 2008. - Vol. 7016. - P. 70161l.

60.Снопко В.Н. Поляризационные характеристики оптического излучения и методы их измерения. — Мн.: Навука i тэхшка, 1992. —336 с. — ISBN 5343-01063-6.

61.Шутов А. М. // Опт.-мех. пром-сть. 1985. № 11. С. 52-56.

62.Aspens D. E., Hauge P. S. // J. Opt. Soc. Amer. 1976. Vol. 66, № 9. P.9F.49-954.

63.Длугунович В. А. Анализ метода измерения поляризационных характеристик Стокс-поляриметром с вращающейся фазовой пластинкой / В. А. Длугунович, В. Н. Снопко // Оптический журнал. -2001.- Том 68, №4.- С. 37-42.

64. Tinbergen J., Rutten R. Measuring polarization with ISIS. Users Manual. 1997, html_manuals/wht_instr/isis_hyper/isis_hyper.html.

65.Van Harten G. Polarization properties of real aluminum mirrors, Influence of the aluminum oxide layer / G. Van Harten, F. Snik, C. U. Keller // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. - 2009. - Vol. 121. - P. 377-383.

66.Barrick G. Correcting polarization crosstalk in the ESPaDOnS spectro-polarimeter / G. Barrick, T. Benedict, D. Sabin // Proc. of SPIE. - 2010. - Vol. 7735. - P. 77354C.

67.Kukushkin D.E. Assessing the Efficiency of a Stokes Polarimeter with Different Polarization Analyzers / D. E. Kukushkin et. al. // Astrophysical Bulletin. - 2019. - Vol. 74, No. 3. - P. 316-323.

68.Shakhovskoy N. M. Candidate's Dissertation in Mathematics and Physics (MGU, Moskov, 1965), in Methods of variable stars inverstigation, Ed. by V. A. Nikonov. - Nauka, Moscow. - 1971, p. 199.

69. Hu Ch.R. Symmetry theorems on the forward and backward scat- tering Mueller matrices for light scattering from a non- spherical dielectric scatterer / Ch. R. Hu et. al. // Applied Optics. - 1987. - Vol. 26, N 19. - P. 4159-4173.

70. Коханенко Г.П. Вид матрицы Мюллера для случая молекулярного рассеяния света атмосферными газами / Г. П. Коханенко // Оптика атмосферы и океана. - 2012. - Том 25, №12. - С. 1039 - 1042.

71.Tinbergen J. Accurate optical polarimetry on the Nasmyth platform / J. Tinbergen // Publications of the astronomical society of the pacific. - 2007. - Vol. 119. - P. 1371-1384.

72.Socas-Navarro H. Characterization of telescope polarization properties across the visible and near-infrared spectrum / Socas-Navarro H. et. al. // Astronomy and Astrophysics. - 2011. - Vol. 531. - P. A2.

73.Miller R. H. The effects of telescopes on astronomical polarization measurements / R. H. Miller // Applied Optics. - 1963. - Vol 2. - P. 61-65.

74.Kukushkin D.E. Analysis of instrumental effects on polarization of the polarimetric unit in the high-spectral resolution spectrograph with fiber input for

the 6m SAO RAS telescope / Kukushkin D.E. et. al. // Proceedings of SPIE. -2017. - Vol. 10330. - P. 103301D.

75.Barrick G. Experimental results from using two laminated film polarizers to make absolute measurements of polarization crosstalk in an optic / G. Barrick, T. Benedict // Proc. of SPIE. - 2010. - Vol. 7735. - P. 773548.

76. Золотарев В.М. Оптические постоянные природных и технических сред / В. М. Золотарев, В. Н. Морозов, Е. В. Смирнова. - Л.: Химия,1984. - 216 с.

77. Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. Volume 3 / E.D. Palik. -Academic press, 1998. - 999 p.

78.Huige Di, Polarization analysis and corrections of different telescopes in polarization lidar. / D. Huige et. al. // Applied Optics. -2015. - Vol. 54. No. 3. pp. 389-397.

79.Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. — М.: Наука, 1973. — 720 с. с илл.

80.Savenkov Mueller-matrix model of an inhomogeneous linear birefringent medium: single scattering case / Savenkov, et al // JQSRT. - 2007. - Vol. 106. -P. 475-86.

81.Astropribor [Электронный ресурс]: офиц. сайт. 2019. http://astropribor.com/super-achromatic-quarter-and-half-waveplate.

82. Андреев Л.Н. Вычислительная оптика. Справочник / Л. Н. Андреев [и др.]. -3 изд. - М.: Либроком, 2009. - 424 с.

83.Polymicro Technologies [Электронный ресурс]: офиц. сайт. 2016. http://www.ru.molex.com/molex/common/staticLoader.jsp?fileName=/Polymicro TechnologiesCatalog.html.

84.OpticStudio LLC [Электронный ресурс]: офиц. сайт. 2019.

http://www.zemax.com 85.Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии / В. В. Лебедева. - М.: Изд-во МГУ, 2-е изд., перераб. и доп, 1986. - 352 c.

86.Михельсон Н. Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция / Н. Н. Михельсон. - M.: Наука, 1976. - 512 c.

87.[Электронный ресурс] URL: http://www.b-halle.de/products/Polarizers/Foster_Polarizing_Beamsplitters.html / / (дата обращения: 24.04.2019)

88.Романюк И. И. Магнитные поля химически пекулярных и родственных им звезд. 4. Основные результаты 2017 года и анализ ближайших перспектив / И. И. Романюк // Астрофизический бюллетень. - 2018. - Том 73, № 4. - C. 464-480.

89. Antonyuk K.A. Detection of circular polarization and low-amplitude photometric variability of the white dwarf WD1748+508 / K. A. Antonyuk et. al. // Astrophysical Bulletin. - 2016. - Vol.71(4). P. 475 - 478.

90. Valyavin G. G. Suppression of cooling by strong magnetic fields in white dwarf stars / G. G. Valyavin et. al. // Nature. - 2014. - Vol. 515, Issue 7525. - P. 88-91.

91. Landstreet J.D. Monitoring and Modelling Magnetic Variability in Two White Dwarfs with Very Weak Magnetic Fields / Landstreet J.D., Bagnulo S., Valyavin G.G. // Contr. Astron. Obs. Skalnate Pleso: Proc. of Conf.: "Stars with a Stable Magnetic Field: from Pre-main Sequence to Compact Remnants". — 2018. — Vol. 48, N. 1. — P. 284-288.

92. Bagnulo S. A High-precision Survey of Magnetic White Dwarfs / Bagnulo S., Landstreet J.D., Martin A.J., Valyavin G.G. // Contr. Astron. Obs. Skalnate Pleso: Proc. of Conf.: "Stars with a Stable Magnetic Field: from Pre-main Sequence to Compact Remnants". — 2018. — Vol. 48, N. 1. — P. 236-244.

93. Bagnulo S. A., Landstreet J. D. Searching for the weakest detectable magnetic fields in white dwarfs // Astronomy and Astrophysics. - 2018. - Vol. 618. - P.42.

94.Landstreet J.D. Monitoring and modelling of white dwarfs with extremely weak magnetic fields - WD 2047+372 and WD 2359-434 / J. D. Landstreet et. al. // Astronomy and Astrophysics. - 2017. - Vol. 607. - P.15.

95.Ilyin I. Second-order error propagation in the Mueller matrix of a spectropolarimeter. / I. Ilyin // Astron. Nachr. - 2012. - Vol. 333, №3. - P. 213 -229.

96.Gil J. J. Polarized light and the Mueller matrix approach / J. J. Gil, R. Ossikovski. - CRC Press Taylor & Francis Group, 2016. - 373 pp.

97.Коротаев В.В. Методы расчета состояния поляризации оптическогоизлучения при прохождении зеркальных и призменных систем // Изв.Вузов СССР - Приборостроение. - 1979. - Т. 22 - N4. - C. 77- 82.

98. Коротаев В.В. Дифференциальное поляризационное устройство для измерения скручивания / В. В. Коротаев, В. Л. Мусяков, Э. Д. Панков // Изв.вузов СССР -Приборостроение. - 1977.-Т.20-Ш. - С.95-99.

99. Вихорев А.И. Влияние оптических приборов на поляризацию света // Приборы и техника эксперимента. - 1979.-No 1. - С. 175-178.

100. Mueller H. The foundation of optics / H. Mueller. - J. Opt. Soc. Am. -1948. -Vol. 38. - P. 661.

101. Mignani R. Astronomical Polarisation from the Infrared to Gamma Rays / R. Mignani, A. Shearer. - Springer Nature Switzerland AG, 2019. - 391 p., ISBN 0067-0057.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ......................................................................................211

1. Общие данные об объекте исследований...................................................................212

2. Основная (аналитическая) часть.................................................................................213

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................................215

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................................217

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................205

ПРИЛОЖЕНИЕ В...................................................................................................................220

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ЕПО Европейская патентная организация

МПК Международная патентная классификация

РФ Российская Федерация

США Соединенные Штаты Америки

УДК Универсальная десятичная классификация

ФИПС Федеральный институт промышленной собственности

БТА Большой Телескоп Азимутальный

1. Общие данные об объекте исследований

Объектом исследования является оптическая схема Стокс-поляриметра для телескопа, позволяющая производить оценку степени поляризации и всех параметров Стокса входящего излучения, работающая в широком спектральном диапазоне. Такие системы, как правило, обладают минимальной инструментальной поляризацией, а информация о состоянии поляризации входящего излучения определяется только разностью интенсивностей выходящего излучения. Для оценки современных разработок также представляют интерес системы, использующиеся на современных телескопах наземного базирования с диаметром входного зрачка более 1 м.

Период проведения работ: 1 - 31 октября 2018 года.

2. Основная (аналитическая) часть

Проект, в рамках которого проводились патентные исследования, имеет целью осуществление работ по проектированию оптических систем для фундаментальных и прикладных исследований, в частности разработки системы для измерения состояния поляризации входящего излучения.

Для исследования всех процессов протекающих на звездах и других космических объектах необходимо проводить измерения магнитного поля этих объектов. Точные измерения магнитных полей поможет понять многие физические процессы, протекающие в них. Одним из способов исследования и измерения магнитного поля звезды является эффект Зеемана, который заключается в поляризации спектральных линий в полученном от звезды спектре. Поэтому точные спектро-поляриметрические исследования позволяют измерить магнитное поле звезды. Для разрабатываемого спектрометра высокого спектрального разрешения БТА был разработан Стокс-поляриметр [12] позволяющий производить оценку состояния поляризации падающего излучения.

Согласно задачам спектрометра Стокс-поляриметр должен позволять производить измерение состояния поляризации входящего излучения. Поляризационные измерения в традиционной концепции проводятся при помощи фазосдвигающих пластин Х/4 и Х/2 совместно с линейным поляризатором, который делит пучок света на два ортогонально поляризованных пучка (обыкновенный и необыкновенный лучи). Затем пучки света, проходя через формирующую оптическую систему, регистрируется на приемнике излучения, в качестве приемника выступает ПЗС-матрица. Вращая фазосдвигающие пластинки вокруг своей оси на определенный угол, при неизменном положении поляризатора, можно определить все параметры Стокса входящего излучения. Комбинация «полуволновая пластина-поляризатор» соответствует режиму наблюдений линейно-поляризованного света от звезд. Комбинация «четвертьволновая пластина-поляризатор» обеспечивает наблюдения круговой поляризации. Подробно о теории и методике поляризационных наблюдений см. в [10]. Используя известные соотношения, широко представленные в технической литературе [45], из параметров Стокса можно найти все параметры поляризации света. Для повышения точности измерения поляризационных характеристик анализатор может быть фиксирован, а четвертьволновая пластинка вращающейся вокруг своей оси. Данная методика обуславливается тем, что при вращающемся анализаторе на приемник попадает излучение с изменяющейся формой поляризации, что при поляризационной чувствительности приемника приводит к необходимости принятия мер к деполяризации поступающего излучения. Так же при постоянном нахождении в исследуемом пучке лучей фазовой пластинки соблюдается непрерывность измерений поляризационных характеристик. Так как в данной работе рассматривается только Стокс-поляриметр спектрометра, световой поток, после оптической системы Стокс-поляриметра, попадает на соответствующие входные торцы оптоволокна. Оптоволоконный канал переносит световой поток к входной щели стационарной части спектрометра, где он разлагается в спектр и затем регистрируется на ПЗС-матрице.

Цель патентных исследований - выявление предшествующего уровня разработки оптических схем Стокс-поляриметров, которые используется в дальнейшем для определения соответствия

изобретения критериям патентоспособности, новизны и изобретательскому уровню; определение достигнутого технического уровня в РФ и ведущих зарубежных странах.

Патентный поиск (с глубиной поиска в 20 лет) с задачей определения уровня развития техники и патентоспособности разрабатываемой технологии, изучение тенденций, перспективных моделей и проведение анализа источников был проведен по странам: РФ, США, странам Европы. В процессе патентного поиска были использованы следующие источники:

а) Российские БД:

Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС), http://fips.ru/;

б) Зарубежные БД:

Европейская патентная организация (ЕПО), http ://www. espacenet. com; Всемирная организации интеллектуальной собственности (ВОИС), http://www .wipo. int/.

Анализ существующих методов и модели защиты информации позволяет выбрать варианты наиболее близких аналогов к разрабатываемым схемам. Для реализации идеи поляризационного модуля телескопа наиболее близкими техническими решениями являются:

• Оптические схемы поляриметров, позволяющие измерять все параметры Стокса (Стокс-поляриметры);

• Оптические схемы Стокс-поляриметров с компенсаторами инструментальной поляризации.

Устройства для измерения степени поляризации света широко распространены в разных областях науки и техники, от медицины (RU 2005109735, RU 2145418, RU 2292531, RU 2029258) до оптического производства, где используются в качестве измерительных устройств. Поляриметры, позволяющие измерить степень поляризации входящего излучения, широко представлены (RU 2193168, SU 1363933, RU 2256887) и продолжают развиваться. Многие устройства позволяют измерять характеристики поляризации лазерного излучения и используются для контроля и юстировки лазеров (RU 2422783, RU 2452924, RU 2340879).

Основной интерес для данного исследования представляют Стокс-поляриметры, использующиеся в астрономии [4 - 5]. Стандартная схема такого устройства включает в себя линейный поляризатор и две фазосдвигающие пластинки (Х/2 и Х/4). Линейный поляризатор при этом выступает в качестве разделителя входящего излучения на обыкновенный и необыкновенный лучи, для последующей регистрации их интенсивности на приемнике излучения. Такие системы разрабатывались в прошлом и продолжают развиваться сейчас (RU 2019796, SU 1274443, RU 2031376,CN102116674).

Существую также акустооптические спектрополяриметры с использованием зеркального объектива (RU 2569907), в качестве разделителя пучка на составляющие с разной направленностью вектора поляризации в них выступают АО кристаллы. Однако такие устройства не позволяют определить параметры Стокса входящего излучения. Интерес представляет схема, содержащая две пары фотоприемников излучения, в качестве разделителя пучка света выступают светоделительные

пластины, а сдвиг фаз вносится уголковым отражателем, выполненным в виде призмы (Яи 2039949), такая оптическая схема позволяет определить все параметры Стокса и отличается широким спектральным диапазоном, универсальностью и простотой сборки.

Поляриметр с двумя плечами с использованием двуосного кристалла KGd(WO4)2, работающий на эффекте конической рефракции ^02015014709) имеет ряд преимуществ, в числе которых: универсальность использования, возможность измерения всех параметров Стокса без поворотных устройств. Недостатками такого прибора являются: высокая чувствительность к углу падения лучей, высокие требования к точности изготовления и позиционированию двуосного кристалла. В поляриметрах применяются так же интерферометры и поляризационные дифракционные решетки (иБ2013027713, иБ2012176622), так в одном из таких устройств, применяется интерферометр Саньяка, однако такие поляриметры являются изображающими, что не позволяет с необходимой точностью определять характеристики входящего излучения. Наиболее быстродействующими поляриметрами являются оптоволоконные поляриметры (иБ2005083525, иБ6211957) на основе дифракционной решетки Брегга, так как не нуждаются в механических поворотах анализирующих элементов (линейный поляризатор, фазосдвигающая пластинка и т.д.).

Методы корректирования ошибки при измерении параметров Стокса основаны на нескольких измерения с изменением положения оси пропускания линейного поляризатора и фазовой пластинки на некоторый угол (€N102879103, €N10453519, 1Р2009103677). Существуют схемы калибровки поляриметра с помощью лазера (иБ2003193667).

Патентные исследования на оптические схемы Стокс-поляриметров выполнены в соответствии с заданием №1, регламент поиска выполнен в полном объеме. Разрабатываемые схемы имеют ряд отличительных особенностей, которые могут быть защищены патентами РФ. Результаты патентных исследований могут быть использованы в документации, связанной с обеспечением охраны объекта промышленной собственности в стране и за рубежом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Патентные исследования проведены в соответствии с утвержденными заданием №1 и регламентом №1.

2. В процессе работы по теме «Стокс-поляриметр на основе двухлучевой схемы для решения задач инструментальной астрономии» объекты исследований были заклассифицированы рубриками МПК (использована редакция МПК-2018.01 - вступила в силу 1-го января 2018 года).

3. В результате поиска было просмотрено патента РФ на изобретения и полезные модели. Наиболее стабильно развиваются следующие объекты:

1) Измерение поляризации света - G01J4/00;

2) Измерение поляризации света. Поляриметры с использованием электрических детекторов -G01J 4/04.

4. Патентные исследования следует распространить и на другие этапы выполнения

кандидатской диссертации. Найденная и систематизированная информация позволит выполнить этот объем работ, а также будет служить базой для патентных исследований, связанных с последующим этапами выполнения кандидатской диссертации. Проведенные патентные исследования подтверждают научную значимость и прикладную перспективность проведенных теоретических исследований.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кукушкин, Д. Е. Спектрограф высокого спектрального разрешения с оптоволоконным входом для 6-м телескопа САО РАН. Поляризационный модуль / Д. Е. Кукушкин [и др.] // Астрофизический бюллетень. - 2016. - Том 71, № 2. - C. 270-278.

2. Strassmeier K. G.; Hofmann A. and Woche M. F. Astronomische Nachrichten, V. 323, 510 (2002).

3. Снопко В.Н. Поляризационные характеристики оптического излучения и методы их измерения. — Мн.: Навука i тэхнка, 1992. —336 с. — ISBN 5-343-01063-6.

4. Huige Di, Dengxin Hua, Leijie Yan, Xiaolong Hou, and Xin Wei, Polarization analysis and corrections of different telescopes in polarization lidar. Applied optics. 2015. Vol.54. No. 3. pp. 389-397.

5. I. Ilyin, K.G. Strassmeier, M. Woche, F. Dionies, and I. Di Varano," On the design of the PEPSI spectropolarimeter for the LBT", Astron. Nachr. / AN 332, No. 8, 753 - 758 (2011).

(обязательное)

УТВЕРЖДАЮ

должность, личная подпись и расшифровка подписи ответственного руководителя работы

« » октября 2018г.

ЗАДАНИЕ № 1 на проведение патентных исследований

Наименование работы (темы): Исследование и разработка оптических систем компенсаторов шифр работы (темы)

Этап работы 2_, сроки его выполнения 1.10.2018 - 31.10.2018

при необходимости

Задачи патентных исследований: Выявление технических решений, близких по сущности и достигаемому эффекту к собственным.

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

Виды патентных исследований Подразделения- исполнители (соисполнители) Ответственные исполнители (Ф.И.О.) Сроки выполнения патентных исследований. Начало. Окончание Отчетные документы

Исследования технического уровня объектов в области оптических схем поляриметров, позволяющих производить оценку степени поляризации и всех параметров Стокса входящего излучения Факультет ПО Кукушкин Дмитрий Евгеньевич 1.10.2018 -10.10.2018 г.г. Патентные и научно- технические информационные материалы

Анализ отобранной патентной и научно-технической информации, подготовка материалов исследования Факультет ПО Кукушкин Дмитрий Евгеньевич 11.10.2018 -25.10.2018 г.г. Приложение к отчету о патентных исследованиях

Подготовка отчета о патентных исследованиях Факультет ПО Кукушкин Дмитрий Евгеньевич 26.10.2018 -31.10.2018 г.г. Отчет о патентных исследованиях

Руководитель _ _ _

патентного подразделения личная подпись расшифровка дата

подписи

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Руководитель подразделения _ _ _

исполнителя работы личная подпись расшифровка подписи дата

ФОРМА РЕГЛАМЕНТА ПОИСКА Регламент поиска №1

01.10.2018

дата составления регламента

Наименование работы (темы) «Исследование и разработка оптических систем компенсаторов» Шифр работы (темы)

Номер и дата утверждения задания_Этап работы_2_

при необходимости

Цель поиска информации: определение достигнутого технического уровня разработок в РФ и ведущих зарубежных странах. Выявление охранных документов, препятствующих применению результатов разработок в РФ и за рубежом. Формирование групп патентов-аналогов для дальнейшей оценки перспективности разработок в рамках выполняемой НИР.

Обоснование регламента поиска: в соответствии с требованиями задания поиск проводился по патентной литературе в объеме патентных фондов развитых стран, по ведущим базам данных патентной информации, а также в научно-технической литературе, включая отечественные и зарубежные научные журналы и обзоры. Глубина поиска составляет 20 лет (с 1996 по 2016 г.г. включительно).

Начало поиска 01.10.2018 г. Окончание поиска 31.10.2018 г.

Предмет поиска (объект исследования, его составные части, товар) Страна поиска Источники информации, по которым будет проводиться поиск Ретро-спективность! Наименование информационной базы (фонда)

патентные НТИ*

Наименова ние Классификацио нные рубрики: МПК (МКИ)*, МКПО*, НКИ* и другие Наименование Рубрики УДК* и другие

1 2 3 4 5 6 11 12

Поляризационный модуль спектрографа, Стокс-поляриметры РФ, ЕС, США, Китай патентные базы (поиск по зарегистри рованным патентам и поданным заявкам) G01J4/00 G01J4/04 APPLIED OPTICS Proceedings of SPIE JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA A-OPTICS IMAGE SCIENCE AND VISION ASTRONOMISCHE NACHRICHTEN АСТРОФИЗИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ УДК 520.85 681.785.3 1998-2018 ФИПС. Роспатент. http://www.fips.ru European Patent Office http://www.epo.org/ МЦНТИ http://www.icsti.su/portal/ USPTO http://patft.uspto. gov/

Руководитель (руководители) подразделения - _ _ _

исполнителя работы личная подпись расшифровка подписи дата

Руководитель патентного подразделения _ _ _

личная подпись расшифровка подписи дата Руководитель (руководители) подразделения - _ _ _

ПРИЛОЖЕНИЕ В

(обязательное)

ФОРМА ОТЧЕТА О ПОИСКЕ

В.1 Поиск проведен в соответствии с заданием доцента, к.т.н. Бахолдина А.В.

должность и фамилия ответственного руководителя работы №1 от 01.10.2018 и Регламентом поиска № 1 от 01.10.2018.

В.2 Этап работы_2_

при необходимости В.3 Начало поиска 01.10.2018. Окончание поиска 31.10.2018.

В.4 Сведения о выполнении регламента поиска: регламент поиска выполнен в достаточной степени для возможности последующего анализа основных тенденций и перспектив в части оптических схем поляриметров.

В.5 Предложения по дальнейшему проведению поиска и патентных исследований: на основании заседания коллектива исполнителей проекта было принято решение о завершении патентного поиска, поскольку количество отобранных материалов представляется достаточным для дальнейшего анализа. В.6 Материалы, отобранные для последующего анализа

Таблица В.6.1. Патентная документация

Предмет поиска Страна выдачи, Заявитель (патентообладатель), страна. Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о

(объект вид и номер Номер заявки, дата приоритета, действии охранного

исследования, его охранного конвенционный приоритет, дата документа или

составные части) документа. Классификацион ный индекс* публикации* причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

Оптические Патент RU Камский политехнический институт ^Ц) Способ измерения степени поляризации Прекратил действие

системы для 2193168, Способ измерения степени поляризации путем пропускания излучения через три

измерения G01J4/00 неподвижных поляризатора, отличающийся тем, что оси поляризации поляризаторов

состояния ориентированы через 45о относительно друг друга, три пучка линейно-

поляризации поляризованного излучения подают на трехплощадочный фотоприемник, в котором интенсивности излучения преобразовывают в электрические сигналы, усиливают и запоминают в схемах выборки и хранения, после этого электрические сигналы последовательно преобразуют в цифровой код, который подают на вход микропроцессорной системы и определяют степень поляризации.

Патент SU Институт высоких температур АН СССР Поляриметр Прекратил действие

1363933, ^Ц) Поляриметр, содержащий оптически связанные и последовательно установленные

G01J4/04 анализатор и фотодетектор, подключенный через усилитель к системе регистрации сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введен оптически связанный и последовательно установленный с анализатором второй фотодетектор, подключенный через второй усилитель к системе регистрации сигналов, и перемножитель, подключенный входами к выходам

Предмет поиска (объект исследования, его составные части) Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификацион ный индекс* Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации* Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

усилителей, а выходом к системе регистрации, при этом анализатор выполнен в виде поляризационной призмы, два выхода которой оптически связаны с фотодетекторами.

Патент RU 2256887, G01J4/04 Камский государственный политехнический институт (Яи) Способ измерения степени поляризации Способ измерения степени поляризации электромагнитного излучения путем пропускания излучения через неподвижные поляризаторы, оси поляризации которых ориентированы через 45 градусов относительно друг друга, затем пучки поляризованного излучения подают на фотоприемник, в котором интенсивности излучения преобразовывают в электрические сигналы, усиливают, запоминают в схемах выборки и хранения и посредством аналогового коммутатора последовательно подают на аналогово-цифровой преобразователь, где сигналы преобразуются в цифровые коды, которые затем подают на вход микропроцессорной системы, отличающийся тем, что излучение пропускают через два неподвижных поляризатора, а степень поляризации определяют по формуле. Прекратил действие

Патент RU 2019796, G01J4/00 Камский политехнический институт Устройство для измерения поляризационного состава излучения в реальном масштабе времени УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ, содержащее оптически связанные коллиматор, анализатор поляризации с четырьмя оптическими выходами, оптически связанными с входами четырех фотодетекторов и систему предварительной обработки сигналов, соединенную с системой регистрации сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, анализатор выполнен в виде полупрозрачной дифракционной решетки, в направлении первых максимумов которой в отраженном и прошедшем свете установлены ориентированные относительно штрихов дифракционной решетки поляризаторы или блоки, содержащие поляризатор и четвертьволновую пластинку, причем поляризаторы установлены так, что по крайней мере одна пара поляризаторов, установленных по одну сторону от дифракционной решетки, ориентированы взаимно ортогонально. Не действует

Патент SU 1274443, G01J4/04 Горьковский политехнический институт им.А.А.Жданова (SU) Стокс-поляриметр с акустооптическим разделением каналов СТОКС-ПОЛЯРИМЕТР С АКУСТООПТИЧЕСКИМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ, содержащий поляриметрическое устройство, блок обработки информации и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных свойств и повышения быстродействия при измерении параметров Стокса, блок обработки информации снабжен когерентным источником света и расположенными последовательно по ходу его луча ячейкой Брэгга, линзой Фабри, четырьмя фотодетекторами нулевой первой, второй и четвертой гармоник, расположенными Прекратил действие

Предмет поиска (объект исследования, его составные части) Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификацион ный индекс* Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации* Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

по ходу дифрагируемых ячейкой Брэгга лучей, сумматорами первого и третьего каналов с усилителями второго, третьего и четвертого каналов, причем акустический вход ячейки Брэгга соединен с выходом поляриметрического устройства, выход фотодетектора нулевой гармоники подсоединен к входу сумматора первого канала, выход фотодетектора второй гармоники -к входам сумматоров первого и третьего каналов и усилителя второго канала, а выход фотодетектора четвертой гармоники к входу сумматора третьего канала, выход которого соединен с входами сумматора первого канала и усилителя третьего канала, при этом выходы сумматора первого канала и усилителей соединены с блоком регистрации..

Патент RU 2031376, G01J4/04 Специальная астрофизическая обсерватория ^Ц) ^особ измерения поляризации СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ, заключающийся в разделении анализируемого излучения на два ортогональных луча - обыкновенный и необыкновенный, потоки которых регистрируют двумя ФЭУ в режиме счета фотонов, отличающийся тем, что, с целью измерения величины вектора поляризации, меняющего направление, при регистрации потоков излучения уменьшают временной интервал измерения регистрируют потоки излучения с помощью схемы совпадения, определяют значения нормированной корреляционной функции в нуле для поляризованного и неполяризованного излучений по известной формуле и по отношению корреляционных функций определяют величину вектора поляризации. Прекратил действие

Патент €N102116674, G01J4/00, G01J4/04 ЦМУ XI AN ЛAOTONG (СН) Method and system for measuring Stokes parameters of polarization state The invention relates to a method and system for measuring Stokes parameters of a polarization state. The method comprises the following steps of: (1) acquiring an expanded parallel light beam; (2) spatially dividing the expanded parallel light beam obtained in the step (1) into four mutually separated and completely identical divided light beams; (3) respectively modulating the four divided light beams obtained in the step (2) and measuring the light strength of the four divided light beams; and (4) calculating the Stokes parameters describing the polarization state according to the measured light strength.; The method and system for measuring the Stokes parameters of the polarization state have the advantages of symmetrical light path structure, simplicity and convenience for adjustment and high energy utilization ratio and can be used for rapidly measuring and processing light information in real time. Действующий

Предмет поиска (объект исследования, его составные части) Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификацион ный индекс* Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации* Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

Стокс-поляриметры Патент RU 2569907, G0Ш/00, G01J4/04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU) Акустооптический спектрополяриметр изображений с повышенным качеством спектральных срезов изображений и увеличенной светосилой Акустооптический спектрополяриметр изображений, содержащий установленный после оптической системы телескопа в сходящемся световом пучке со сходимостью 1/10-1/20 акустооптический фильтр на основе анизотропного кристалла парателлурита с геометрией акустооптического взаимодействия, при которой имеет место одновременная дифракция ортогонально поляризованных Действующий

изображений наблюдаемого объекта, причем акустооптический фильтр расположен до фокальной плоскости телескопа на расстоянии 50-150 мм от нее; в фокальной плоскости телескопа расположено эллиптическое зеркало с центральным отверстием, при этом более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала, имеющего центральное отверстие, через которое проходят пучки +1 и -1 порядков дифракции, совпадает с фокальной плоскостью телескопа; далее по ходу светового пучка установлены два плоских зеркала, после отражения от которых дифрагированные пучки +1 и -1 порядков дифракции отражаются от эллиптического зеркала, инвертируются, после чего в более коротком фокусе при вершине эллиптического зеркала на одной ПЗС-матрице формируются два ортогонально поляризованных спектральных изображения наблюдаемого объекта, смещенные относительно друг друга в плоскости дифракции; в центральном отверстии эллиптического зеркала расположена диафрагма, перекрывающая пучок 0 порядка дифракции.

Патент 2039949, G01J4/04 Зон Борис Абрамович, Ивакин Анатолий Николаевич, Ланцузский Михаил Леопольдович, Пахомов Геннадий Владимирович (RU) ПОЛЯРИМЕТР ПОЛЯРИМЕТР, содержащий оптическую систему, включающую оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси светоделительные пластины и поляризационный преобразователь, четыре фотоприемника, оптически связанных со светоделительными пластинами, блок обработки информации с фотоприемников и регистратор, отличающийся тем, что оптическая система содержит две светоделительные пластины, поляризационный преобразователь выполнен в виде двугранного уголкового отражателя, а фотоприемники установлены попарно с противоположных сторон от светоделительных пластин. 2. Поляриметр по п.1, отличающийся тем, что двугранный уголковый отражатель выполнен в виде призмы из прозрачного материала. Прекратил действие

Патент W02015014709, G01J4/04 UNIV BARCELONA AUTONOMA [ES] A Polarimeter based on conical refraction and a method for determining the polarization state of an input electromagnetic radiation A polarimeter based on conical refraction and a method for determining the polarization Действующий

Предмет поиска (объект исследования, его составные части) Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификацион ный индекс* Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации* Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

state of an input electromagnetic radiation. The polarimeter comprises: - a division-of-amplitude device (BS) for amplitude dividing an input electromagnetic radiation (Sin) characterized by a polarization state into first (Sin1) and second (Sin2) input electromagnetic radiations, - first (A1) and second (A2) arms each including a refractive arrangement (C1, C2) configured for conically refracting said first (Sin1) and second (Sin2) input electromagnetic radiations so as to provide respective light spatial patterns corresponding to their polarization states; and - a light analysis arrangement configured for receiving and analysing said light spatial patterns and for determining the polarization state of the input electromagnetic radiation (Sin) according to both analysed spatial patterns. The method comprises using the light analysis arrangement of the polarimeter of the invention for the determination of the polarization state of the input electromagnetic radiation(Sin).

Патент Ш2013027713, 002Б9/02 001Л4/04 UNIV ARIZONA STATE; KUDENOV MICHAEL W [US] White light achromatic grating imaging polarimeter White-light snapshot channeled linear imaging (CLI) polarimeters include polarization gratings (PGs) configured to produce a compensated shear between portions of an input light flux in first and second polarization states. The disclosed CLI polarimeters can measure a 2-dimensional distribution of linear Stokes polarization parameters by incorporating two identical PGs placed in series along an optical axis. In some examples, CLI polarimeters are configured to produce linear (S0, S1, and S2) and complete (S0, S1, S2 and S3) channeled Stokes images. Действующий

Патент Ш2012176622, 002Б9/02 001Л4/04 UNIV ARIZONA STATE; KUDENOV MICHAEL W [US] White light sagnac interferometer polarimeters Snapshot imaging polarimeters comprise Sagnac interferometers that include diffraction gratings situated to produce shear between counter-propagating optical fluxes produced by a polarizing beam splitter. The counter-propagating, sheared optical fluxes are focused onto a focal plane array to produce fringe patterns. The fringe patterns correspond to a scene polarization distribution modulated onto a spatial carrier frequency associated with a diffraction order. Multi-blazed gratings can be used so that modulations at a plurality of spatial frequencies are produced, with each spatial frequency corresponding to a spectral component of an input optical flux. Modulated fringe patterns can be demodulated to obtain scene Stokes parameter distributions. Действующий

Патент ТО2005083525, О0П4/00, О0П4/04, 002Б5/18, 002Б6/34 THORLABS GMBH (DE) Fiber polarimeter, the use thereof, as well as polarimetric method A fiber polarimeter has one or more oblique fiber Bragg gratings disposed one behind the other in a fiber. The fiber Bragg gratings couple out portions of a light wave input to the fiber depending on its polarization. For more than one fiber Bragg grating a wave plate is disposed in the fiber between consecutive fiber Bragg gratings. The portions of the light wave from the fiber Bragg grating(s) are detected to produce measurement data that is used to calculate four Stokes parameters for determining polarization, degree of polarization Действующий

Предмет поиска (объект исследования, его составные части) Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификацион ный индекс* Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации* Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

and/or power of the light wave.

Патент Ш6211957 G01J4/04 G01N21/21 G02B6/34 LUCENT TECHNOLOGIES INC [US] In-line all-fiber polarimeter An in-line optical fiber polarimeter comprises a plurality of fiber gratings and a single wave plate, disposed sequentially along a length of optical fiber. The fiber gratings are precisely oriented and have a predetermined grating period such that each grating functions to out-couple a predetermined portion of the optical signal passing through the polarimeter. A separate detector is associated with each grating to measure the out-coupled signal. The four Stokes parameters can be determined from the set of measurements and then used to determine to state of polarization of an optical signal passing through the polarimeter. Действующий

Патент CN102879103, G01J4/04 SHANGHAI INSTITUTE OF OPTICS AND FINE MECHANICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES [CH] Method for correcting error of polarization detection device The invention discloses a method for correcting an error of a polarization detection device. The polarization detection device comprises a phase retarder, an analyzer and a photoelectric detector which are sequentially arranged along an optical axis of the device system, wherein the output of the photoelectric detector is connected with a signal processing system; and the linearly polarized light with the Stokes parameter of (1, 1, 0, 0) enters the polarization detection device. The method comprises the following steps of: setting the angle of a transparent shaft of the analyzer to be 0 and performing measurement for the first time to obtain a first measurement error of the normalized Stokes parameter; setting the angle of the transparent shaft of the analyzer to be 45 degrees and performing measurement for the second time to obtain a second measurement error of the normalized Stokes parameter; and solving the phase retardation error of the phase retarder, the fast axis angle error and the transparent shaft angle error of the analyzer in the polarization detection device so as to realize error correction. According to the method, the device error in the polarization detection device can be measured under the condition that the polarization detection device does not need to be detached, so that the device error is corrected. Действующий

Патент №2009103677, G01J4/04, Ш^21/027 NIPPON KOGAKU KK, NIKON CORP. [JP] Method, device and program for calculating polarization characteristics of optical system, computer readable recording medium with the program thereon, and method and device for exposure PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a polarization characteristics of an optical system expressed by Jones matrix. ;SOLUTION: The method includes: a step 104 of measuring a Stokes parameter of 3 lights having different polarization conditions through a projection optical system; steps 105, 106 of approximately calculating the Jones matrix J([epsilon]) of the projection optical system; a step 107 of determining a Muller matrix M([epsilon]) from the calculated Jones matrix; a step 108 of calculating a Stokes parameter of one light using the Muller matrix; and a step 110 of correcting the approximately calculated Jones matrix J([epsilon]) based on the results of the comparison Не известно

Предмет поиска (объект исследования, его составные части) Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификацион ный индекс* Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации* Название изобретения (полной модели, образца) Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1 2 3 4 5

of this calculated value and the measured value of the step 104.

Патент Ш2003193667 001Л4/04 KRAUSE EGBERT, BANDEMER ADALBERT, THORLABS GMBH [US] Highly accurate calibration of polarimeters Highly accurate calibration of a polarimeter of the type having at least four detectors involves using four known states of polarisation of an input light signal (calibration polarisations) and at least one further state of polarisation. All input states of polarisation to the polarimeter have unity normalised power of the light signal and unity degree of polarisation. A Stokes matrix for the four calibration polarisations is generated with at least one variable correction parameter, and a correction matrix is determined from the Stokes matrix and a corresponding detector current matrix measured by the polarimeter. An optimisation criterion that is a function of the degrees of polarisation for the states of polarisation as measured by the polarimeter is generated.; The correction parameter is varied iteratively to minimise the optimisation criterion so that the polarimeter is calibrated to produce unity power and degree of polarisation for any input state of polarisation. Действующий

Таблица В.6.2 - Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации (отчеты о научно-исследовательских работах)

Предмет поиска Наименование источника информации с указанием страницы источника Автор, фирма (держатель) технической документации Год, место и орган издания (утверждения, депонирования источника)

1 2 3 4

Оптические схемы Стокс-поляриметров H. Socas-Navarro, D. Elmore, A. Asensio Ramos, and D. M. Harrington, "Characterization of telescope polarization properties across the visible and near-infrared spectrum", Astron. Astrophys. 531, A2 (2011). H. Socas-Navarro, D. Elmore, A. Asensio Ramos, D. M. Harrington www.webofknowledge.com

R. H. Miller, "The effects of telescopes on astronomical polarization measurements," Appl. Opt. 2, 61-65 (1963). R. H. Miller www.webofknowledge.com

Huige Di, Dengxin Hua, Leijie Yan, Xiaolong Hou, and Xin Wei, Polarization analysis and corrections of different telescopes in polarization lidar. Applied optics. 2015. Vol.54. No. 3. pp. 389-397. Huige Di, Dengxin Hua, Leijie Yan, Xiaolong Hou, Xin Wei www.webofknowledge.com

G. Barrick, T. Benedict, "Experimental results from using two laminated film polarizers to make absolute measurements of polarization crosstalk in an optic", Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy III, edited by Ian S. McLean, Suzanne K. Ramsay, Hideki Takami, Proc. of SPIE Vol. 7735, 773548 (2010). G. Barrick, T. Benedict www.webofknowledge.com

Dongguang Wang, Guoxiang Ai, Caihong Sun, Yuanyong Deng, "Optical Design of Polarimeter for Space Solar Telescope", Optical, and IR Space Telescopes and Instruments, James B. Breckinridge, Peter Jakobsen,Editors, Proceedings of SPIE Vol. 4013 (2000) . Dongguang Wang, Guoxiang Ai, Caihong Sun, Yuanyong Deng www.webofknowledge.com

Strassmeier K. G.; Hofmann A. and Woche M. F., "Design study of the PEPSI polarimeter for the LBT", Astronomische Nachrichten, V. 323, 510 (2002). Strassmeier K. G.; Hofmann A., Woche M. F www.webofknowledge.com

I. Ilyin, K.G. Strassmeier, M. Woche, F. Dionies, and I. Di Varano," On the design of the PEPSI spectropolarimeter for the LBT", Astron. Nachr. / AN 332, No. 8, 753 - 758 (2011). I. Ilyin, K.G. Strassmeier, M. Woche, F. Dionies, I. Di Varano www.webofknowledge.com

Hector Socas-Navarro, "Polarimetric calibration of large-aperture telescopes. I. Beam-expansion method", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 22, No. 3, pp. 539-545 (2005). Hector Socas-Navarro www.webofknowledge.com

228

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Расчет матрицы Мюллера ГЗ БТА

Зеркальная поверхность

|3 := 3.57633-—^— У™^™* М 180 лУчеи

N := 0.82 - 5.99-i

AIW

показатель преломления комплексный алюминий 546нм

гр :=

Ín2 - sin((3)2 1 1 2 - N -cos(|3)_

Ín2 - sin((3)2 1 + N^cos^

-0.907 + 0.306Í

rs :=

cos( (3)

(n2

sin([3)2)

= -0.907 + 0.305Í

(n2 - sin((3)2)

Jps :=

cos( (3) + \N - sin( (3) ^rp o^l (-0.907 + 0.306Í

V

0 rs y

V

0

0

-0.907 + 0.305Í

/

7T

ф1 := 172.875--- 3.017

180

cos(ipl) = -0.99228

^cos(ipl) sin(tpl) ^ ^

Матрица Джонса зеркальной поверхности

угол

поворота

Rotat :=

V

-sin(tpl) cos(tpl)

-0.992278 0.124034

v-0.124034 -0.992278у

Матрица поворота ф

Rotat2 :=

cos(cpl) -sin(tpl) sin(ipl) cos(tpl)

-0.992278 -0.124034 v 0.124034 -0.992278j

Матрица поворота -<p

J1 ;= Rotat2-Jps-Rotat

/ww r

-0.907 + 0.306Í V-6.759 x 10" 5 - 1.361ix 10-4

-5 -

-6.759 x 10 - 1.36li x 10

-0.907 + 0.305Í ,

7Г

tp2 := -171.875--= -3

180

Rota

f cos(cp2) sin(<p2)^ f-0.989962 -0.141333

-sin(ip2) cos(tp2)

0.141333 -0.989962

Rota2 :=

^cos(ip2) -sin(ip2)A f-0.989962 0.141333 л

sin(if2) cos(ip2)

-0.141333 -0.989962

J2 := Rota2JpsRota =

-5 -4^

-0.907 + 0.306Í 7.684 ж 10 + 1.547ix 10

V7.684 X 10 5 + 1.547Í x 10 4

-0.907 + 0.305Í

ip3 := 176.236--- = 3.076

180

( cos(ip3) sin(if3)^

Rot :=

V-sin(if3) cos(tp3) J

-0.997843 0.065647 -0.065647 -0.997843

Rot2 :=

(cos(ip3) -sin(ip3) Vsin(ip3) cos(ip3)

-0.997843 -0.065647 0.065647 -0.997843

J3 := Rot2 Jps Rot =

-0.907 + 0.306Í у-3.598 x l(f 5 - 7.242ÍX 10~ 5

5

5

-3.598 x 10 - 7.242Í x 10

-0.907 + 0.305Í у

TT

ip4 := -175.236--= -3.058

180

Rotmin :=

cos(ip4) sin(ip4) -sin(ip4) cos( ip4)

-0.996545 -0.083052 0.083052 -0.996545

Rot2min :=

cos(ip4) -sin(ip4) sin(ip4) cos((f4)

-0.996545 0.083052 -0.083052 -0.996545;

J4 := Rot2minJpsRotmin -

-0.907 + 0.306Í v4.546 x 10" 5 + 9.15i x 10" 5

-5 -5^

4.546 x 10 + 9.I5Í x 10

-0.907 + 0.305Í

7Г

ip5 := 177.614--- 3.1

180

Rotamin :=

f cos(ip5) sin(ip5) ^ V-sin(ip5) cos((f5))

-0.999133 0.041632 V-0.041632 -0.999133 у

Rota2min :=

cos(ip5) -sin(ip5) sin(ip5) cos(ip5)

-0.999133 -0.041632 0.041632 -0.999133

J5 := Rota2minJpsRotamin =

-0.907 + 0.306Í -2.284 x 10~ 5 - 4.599Í x 10"

„- 5

„- 5

-2.284 x 10 - 4.599Í x 10

-0.907 + 0.305Í j

7Г

фб := -176.614----3.082

180

Rotatmin :=

cos(ip6) sin(ip6) -sin((f6) cosCipó),

-0.998254 -0.059062 0.059062 -0.998254

\

Rotat2min :=

cos((p6) -sin(tp6)A 4sin(ip6) cos(ip6) J

-0.998254 0.059062 ч-0.059062 -0.998254 у

(

J6 := Rotat2min Jps-Rotatmin =

-0.907 + 0.306Í 3.238 x 10~5 + 6.518ix 10" 5

3.238 x 10 5 + 6.518Í x 10 5

-0.907 + 0.305Í

J :=

w

(J1 +J2 + J3 + J4 + J5 + J6)

„-6

.-6

0.907 + 0.306Í 4.71 x 10 + 9.482Í x 10

-0.907 + 0.305Í j

4.71 x 10 6 + 9.482ix 10 6