Фокусирующие дифракционные решетки и их аберрационные свойства. 
Приборы на их основе

Дифракционные решётки известны уже более двух веков. Первые сто лет использовались плоские пропускающие решётки, обладающие низкой эффективностью и требующие использования фокусирующей оптики. Объединить функции диспергирующего и фокусирующего элементов в одном оптическом элементе с высокой эффективностью впервые удалось Роуланду, когда он создал вогнутую сферическую отражательную дифракционную решётку [1]. Ввиду отсутствия прозрачных материалов, до середины прошлого века, вогнутая решётка являлась основным инструментом для получения информации в вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Однако, к середине 50-х годов прошлого века выяснилось, что скалярной теории дифракции, основанной на дифракционном интеграле Френеля — Кирхгофа, недостаточно для объяснения свойств решёток, и началась разработка векторной теории, в основе которой лежат уравнения Максвелла [2−4]. Препятствием широкому применению вогнутых решёток является астигматизм, i удлиняющий изображение входной щели спектрального прибора [5,6]. В 70-х годах прошлого века начали получать распространение дифракционные нарезные и голограммные решётки с неравноотстоящими искривлёнными штрихами, астигматизм которых может быть исправлен. В работе [7] нами изучены аберрационные свойства отражательных дифракционных решёток с компенсированным астигматизмом. В дальнейшем наши работы, обзор которых дан в [8], были направлены на создание методов расчёта отражательных и волноводных дифракционных решёток, учитывающих современные требования к оптическим приборам, а также важнейшие достижения в технологии изготовления, произошедшие с момента опубликования работы [7].

Актуальность работы.

За последние годы складывается новое научное направлениеисследование, разработка и внедрение в оптическое приборостроение новой элементной базы — фокусирующих дифракционных решёток (ФДР).

Использование ФДР позволяет разработать новые типы оптических систем спектральных приборов, а также новые классы оптических устройств для волоконно-оптических и интегрально-оптических систем.

Успешное применение новой элементной базы невозможно без развития теории формирования спектрального изображения с помощью ФДР, создания методов расчёта и оптимизации их аберрационных и энергетических характеристик, исследования возможностей и модернизации методов изготовления дифракционных решёток, а также разработки оптических систем приборов и устройств, максимально полно реализующих преимущества ФДР. Решению этих актуальных вопросов посвящена настоящая работа.

Цели и задачи работы.

Целью настоящей работы является создание универсальных методов расчёта характеристик и оптимизации параметров ФДР и разработка на этой основе оптических систем приборов и устройств с повышенными оптическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработать теорию аберраций дифракционных решёток, нанесённых на планарный или искривлённый волновод.

2. Разработать теорию образования стигматического спектрального изображения вогнутыми нарезными решётками.

3. Разработать методы расчёта и оптимизации характеристик для произвольно заданной оптической схемы с использованием отражательных и волноводных решёток.

4. Рассчитать новые оптические схемы с максимальным использованием преимуществ, даваемых ФДР.

5. Предложить новые модификации способов изготовления нарезных и голограммных решёток.

6. Разработать оптические системы нового поколения приборов и устройств с учётом их применения в различных областях науки и техники.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. В рамках теории аберраций третьего порядка получены выражения геометрических параметров нарезных и голограммных решёток, а также уравнения связи между параметрами записи и нарезки.

2. Установлено, что вогнутая сферическая нарезная дифракционная решетка с искривленными неравноотстоящими штрихами может, подобно голограммной решетке, давать стигматическое изображение для трех длин волн, две из которых могут быть выбраны произвольно. Указано на принципиальную возможность создания уникальных многоканальных трёхдиапазонных демультиплексоров.

3. Установлено, что стигматическое изображение произвольной длины волны может быть получено с помощью нарезной асферической решетки с переменным шагом и прямолинейными штрихами. Показана возможность получения стигматического изображения при скользящих углах падения и дифракции излучения.

4. Разработан численно — аналитический метод оптимизации параметров ФДР в произвольной оптической схеме, основанный на нахождении минимума полуширины аппаратной функции, вычисленной с учётом функции пропускания прибора.

5. Развита скалярная теория эффективности вогнутой дифракционной решётки с переменным шагом с учётом непараллельности падающего и дифрагированного пучков, а также изменения профиля штриха и затенения по поверхности решётки. Полученные результаты подтверждены расчётами с помощью методов, основанных на электромагнитной теории.

6. Доказана принципиальная возможность компенсации всех аберраций до третьего порядка включительно с помощью голограммной дифракционной решётки, в одном из пучков записи которой используется цилиндрическое зеркало. Разработана методика расчёта записи таких решёток.

7. Предложены методы получения переменного шага с коэффициентом, пропорциональным третьей степени координаты на решётке, а также с заданным законом изменения радиуса кривизны штриха.

8. Разработана теория аберраций плоских, вогнутых и концентрических волноводных решёток.

9. Показана принципиальная возможность создания на основе нарезных дифракционных решеток устройства ввода-вывода с эффективностью, близкой к 100%.

10. Предложены устройства с секционной дифракционной решёткой и разработаны принципы построения обратной связи для разделения излучения по каналам связи с заданным спектральным составом.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Рекомендациях по применению тех или иных видов отражательных и интегрально-оптических ФДР в различных схемах оптических приборов и устройств.

2. Методах расчёта: оптимальных параметров отражательных нарезных и голограммных решёток в произвольно заданной оптической схеме спектрального прибораоптимальных параметров и характеристик интегрально-оптических плоских и вогнутых решётокэнергетических характеристик вогнутых нарезных и голограммных решёток.

3. Методике расчёта технологических параметров установки механизмов получения искривлённых штрихов и переменного шага, полностью определяющих аберрации нарезной решётки до третьего порядка включительно.

4. Новых типах интегрально-оптических элементов: дифракционной решётке на геодезической планарной линзепаре концентрических решёток на одном планарном волноводе.

5. Новых схемах монохроматоров с различными способами сканирования спектра: с вращением решётки и перемещением щели по направлению к решёткес одновременным вращением и перемещением решётки в сторону щелис неподвижной решёткой и перемещением щели по прямой, параллельной касательной к поверхности решётки.

6. Оптических системах серийных, опытных и макетных образцов спектральных приборов и устройств волоконной оптики, изготовленных в НПО.

ГИПО и на других предприятиях: атомно-эмиссионных спектрометров: ДФС-460, ДФС-461, ДФС-462, МЭС-500, МЭС-1000, SS-01- атомно-абсорбционных приборов: СА-12, СА-13, монохроматора спектро-аналитического комплекса «Атомик-2000" — флюориметра «Флора», флюоресцентных датчиков по определению фенола, бензола и нефти в водеанализатора природного газа на основе комбинационного рассеяния светасерии монохроматоров скользящего падения для анализа спектров в мягком рентгеновском диапазонегаммы пятии десятиканапьных мульти/демультиплексоров волоконно-оптических линий связи и устройств на их основе: модового селектора, оптической муфты, делителя мощности со спектральной селекцией и т. д.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Геометрическая теория аберраций 1−3-го порядков плоских, вогнутых и кольцевых интегрально-оптических решёток.

2. Теория формирования стигматического изображения вогнутыми сферическими и асферическими нарезными дифракционными решётками.

3. Метод расчёта оптимальных параметров вогнутых неклассических дифракционных решёток на основе интегральных критериев качества спектрального изображения и минимизации полуширины аппаратных функций с учётом функции пропускания прибора.

4. Методы расчёта технологических параметров настройки делительных машин для изготовления решёток с заданными аберрационными характеристиками. Способы изготовления нарезных дифракционных решёток с заданным изменением шага пропорционально третьей степени координаты на решётке.

5. Методика расчёта голограммной дифракционной решётки с исправленными аберрациями 1−3-го порядков. Способ записи решётки с помощью цилиндрического зеркала.

6. Разработки новых оптических схем: монохроматоров со сложным перемещением оптических элементов, волоконных делителей мощности со спектральной селекцией, устройств ввода-вывода излучения на основе вогнутой интегрально-оптической решётки, преобразователей лазерного пучка на основе пары концентрических решёток.

7. Оптические схемы и результаты испытаний изготовленных приборов и устройств: приборов для различных видов спектрального анализа (атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного, флюоресцентного, комбинационного рассеяния, фотоэлектронного), устройств для волоконно-оптических линий связи (мульти/демультиплексоров и изделий на их основе) и устройств ввода-вывода излучения из планарного волновода.

Личный вклад автора.

Все принципиальные предложения по теории расчёта, методам изготовления решёток и новым схемам оптических приборов с ФДР принадлежат автору. Им детально разработана большая часть методов и алгоритмов расчёта оптических систем. Под руководством автора проведены проектирование и разработка-некоторой части приборов. Он принимал участие в анализе результатов испытаний приборов.

Публикации и апробация работы.

По результатам настоящей работы опубликованы 70 работ в научных журналах, материалах конференций, 9 авторских свидетельств и один патент. Основные работы докладывались и обсуждались на XII научн.-техн. конф. молодых специалистов (Красногорск, 1975), Всесоюз. научн-техн. конф. «Современная прикладная оптика и оптические приборы» (Ленинград, 1975), Всесоюз. симпозиуме по голографии (Львов, 1976), семинаре, посвященном 100-летию со дня рождения А. И. Тудоровского (Ленинград, 1976), Всесоюз. конф. «Формирование оптического изображения и методы его коррекции» (Могилев, 1979), Всесоюз. конф. «Приборы и методы спектроскопии» (Новосибирск, 1979), Всесоюз. семинаре по теории и расчету оптических схем (Ленинград, 1982), IV Всесоюз. конф. по голографии (Ереван, 1982), Всесоюз. семинаре «Голографические оптические элементы и их применение в оптических приборах» (Москва, 1987), VII Конф. по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействию с веществом «ВУФ-86» (Рига, 1986), Всесоюз. семинаре «Физика быстропротекающих плазменных процессов» (Гродно, 1986), Всесоюз. конф. «Теоретическая и прикладная оптика» (Ленинград, 1988), VIII Всесоюз. конф. по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействию с веществом «ВУФ-89» (Иркутск, 1989), научн.-техн. конф. «Оптическая коммутация и оптические сети связи» (Суздаль, 1990), Всесоюз. конф. «Проблемы измерительной техники в волоконной оптике» (Нижний Новгород, 1991), семинаре «Дифракционная оптика. Новые разработки в технологии и применение» (Москва, 1991), Conference «ISFOC 93» St. Petersburg, 1993, Междунар. конф «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 1993), Российской научно-технич. конф. «Датчик-94» (Гурзуф, 1994), EFOC&N «The Book of Abstracts» (Brighton, 1995), Conference Proceedings «Photonics-95» (Prague, 1995), Proceedings SPIE «Optical Information Science & Technology» (Moscow, 1997), III Респ. конф. «Актуальные экологические проблемы республики Татарстан» (Казань, 1997), «Второй конференции разработчиков и пользователей программного обеспечения для автоматизации оптических расчетов и испытаний оптических систем» (Москва, 2000), XI Всеросийском семинаре «Проблемы и достижения люминесцентной спектроскопии» (Саратов, 2001), XXII съезде по спектроскопии (Звенигород, 2001), XV Уральской конференции по спектроскопии (Екатеринбург 2001), V международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2002), XI конференции по лазерной оптике (С Петербург, 2003), XVI Уральской конференции по спектороскопии (Новоуральск, 2003).

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные выводы и результаты работы.

1. В рамках теории аберраций 3-го порядка получены выражения для геометрических параметров формы и расположения штрихов нарезных и голограммных решёток, на основе которых получены соотношения связи между параметрами изготовления нарезных и голограммных решёток.

2. Разработана теория формирования стигматического изображения вогнутыми нарезными сферическими и асферическими дифракционными решётками. Показаны их возможные области применения (трёхспектральный многоканальный демультиплексор, стигматический спектральный прибор скользящего падения и т. д.).

3. Предложены устройства с секционной дифракционной решёткой и разработаны принципы построения обратной связи для разделения излучения по каналам связи с заданным спектральным составом. Разработаны делители мощности излучения со спектральной селекцией.

4. Разработана геометрическая теория аберраций плоских, вогнутых и кольцевых интегрально-оптических решёток. Предложены новые типы интегрально-оптических элементов и устройств на их основе: устройства ввода-вывода излучения на базе дифракционной решётки с переменной глубиной штриховустройства ввода вывода излучения на базе решётки нанесённой на геодезическую планарную линзупреобразователь лазерного пучка на базе пары концентрических решёток на планарном волноводе.

5. Разработан численно-аналитический метод нахождения оптимальных параметров вогнутых неклассических дифракционных решёток на основе интегральных критериев качества спектрального изображения в произвольно заданной схеме спектрального прибора с учётом функции пропускания прибора.

6. Разработаны скалярные и векторные методы расчёта дифракционной эффективности неклассических дифракционных отражательных и волноводных решёток.

7. Разработаны методики расчёта технологических параметров настройки делительных машин для изготовления решёток с заданными аберрационными характеристиками. Предложены способы изготовления нарезных дифракционных решёток с заданным изменением кривизны штрихов и изменением шага пропорционально третьей степени координаты на решётке.

8. Проведён анализ коррекционных возможностей голограммных решёток, записанных в астигматических пучках. Разработана методика расчёта голографической дифракционной решётки с коррекцией всех аберраций 1−3-го порядков, с использованием в одном из пучков записи цилиндрического зеркала.

9. Разработаны новые оптические схемы монохроматоров со сложным перемещением оптических элементов: с вращением решётки и перемещением щели по направлению к решёткес одновременным вращением и перемещением решётки в сторону щелис неподвижной решёткой и перемещением щели по прямой, параллельной касательной к поверхности решётки.

10. На основании разработанных оптических систем изготовлены макетные, опытные образцы и серийные приборы: атомно-эмиссионного анализа (ДФС-460, ДФС-461, ДФС-462, МЭС-500, МЭС-1000, SS-01) — атомно-абсорбционного анализа (СА-12, СА-13, монохроматор для спектро-аналитического комплекса «Атомик 2000») — флюоресцентного анализа (флюориметр «Флора» в различных модификациях, датчики веществ) — комбинационного рассеяния (анализатор природного газа) — фотоэлектронного (сверхвакуумный монохроматор скользящего падения для анализа мягкой рентгеновской области спектра) — одно и многомодовых многоканальных мульти-демультиплексоров для волоконно-оптических линий связи и устройств на их основе (оптическая муфта, модовый селектор и т. д.).

Таким образом, выполненный цикл работ, касающийся фокусирующих отражательных и волноводных дифракционных решёток, а именно: развития теории аберраций, разработки методов оптимизации параметров и расчёта характеристик, расчёта оптических схем, разработки приборов, предложений по модификации методов изготовления является решением крупной научно-технической проблемы в области вычислительной оптики и оптического приборостроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработаны теоретические основы и методы расчёта оптических систем, содержащих фокусирующие отражательные и волноводные решётки. Проведён анализ аберрационных свойств таких элементов и методов их изготовления. Предложены новые оптические схемы, реализованы приборы и устройства.