Фокусирующие дифракционные решетки и их аберрационные свойства. Приборы на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Бажанов Юрий Вадимович

ФОКУСИРУЮЩИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЁТКИ И ИХ АБЕРРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА. ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.05 Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Казань - 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Ган М.А.

доктор физико-математических наук, профессор Золотарёв В.М.

доктор технических наук,

Бездидько С.Н.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральное конструкторское бюро «Фотон»

Защита состоится « 10 » марта 2004 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д407.001.01 при Всероссийском научном центре «Государственный оптический институт» по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Биржевая линия, д. 12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова 199034, г. Санкт-Петербург, Биржевая линия, д. 12.

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Степанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

За последние годы складывается новое научное направление -исследование, 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 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.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА |

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 пучка, 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:

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

2. В методах расчёта:

• оптимальных параметров отражательных нарезных и голограммных решёток в произвольно заданной оптической схеме спектрального прибора;

• оптимальных параметров и характеристик плоских и1" вогнутых волноводных решёток;

• энергетических характеристик вогнутых нарезных и голограммных

решёток.

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

4. В новых типах интегрально-оптических элементов:

• дифракционной решётке на геодезической планарной линзе;

• паре концентрических решёток на одном планарном волноводе.

5. В новых схемах монохроматоров с различными способами сканирования спектра:

• с вращением решётки и перемещением щели по направлению к

решётке;

• с одновременным вращением и перемещением решётки в сторону

щели;

• с неподвижной решёткой и перемещением щели по прямой, параллельной касательной к поверхности решётки.-

6. В оптических системах опытных и макетных образцов, серийных 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 воде;

• анализатора природного газа, на основе комбинационного рассеяния света;

• серии монохроматоров скользящего падения для анализа спектров в мягком рентгеновском диапазоне;

• гаммы пяти- и десятиканальных 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 волноводных решёток.

2. Теория формирования стигматического изображения вогнутыми сферическими и асферическими нарезными дифракционными решётками.1

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 волноводной 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 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.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы. Материалы изложены на 368 страницах, включая 104 рисунков и список литературы (249 наименований на 23 страницах).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе анализа состояния разработок в области теории фокусирующих дифракционных решёток и их применения в различных отраслях науки и техники обоснована актуальность представленной работы. Сформулированы цели и задачи исследований и приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены методы расчёта качества спектрального изображения, даваемого дифракционными решётками/

1.1. Проведён обзор методов расчёта дифракционной эффективности

решёток, основанных на электромагнитной и скалярной теориях. Подробно описаны методы, используемые в настоящей работе. Приведены пределы их применения.

1.2. Даётся краткий обзор методов расчёта хода лучей, отражённых вогнутыми дифракционными решётками с искривлёнными неравноотстоящими штрихами, изготовленнми как голографическим методом, так и методом нарезания.

1.3. Приводятся формулы для расчёта аберраций с использованием функции оптического пути (ФОП). Разложение ФОП по координатам на

решётке и высоте спектрального изображения определяющее

аберрации 1-3-го порядков имеет вид:

Коэффициенты определяются как

V - М - —<7 '

сч

(2)

где - период решётки в её центре, - порядок спектра, - длина волны, - коэффициенты разложения, зависящие от формы поверхности решётки и взаимного расположения решётки, источника излучения и его спектрального изображения, коэффициенты разложения, зависящие от формы и

расположения штрихов решётки.

Формулы для расчёта приближённых значений аберраций находятся с помощью дифференцирования разложения ФОП по координатам на решётке. Когда астигматизм является величиной того же порядка что и длина штрихов решётки, расчёт аберраций по этим формулам не совпадает с данными расчёта хода лучей. Точные значения аберраций можно найти, если разложить в ряды аналитические выражения расчёта хода лучей. В работе показано, что эти соотношения не только подтверждают ранее известные эмпирические формулы, учитывающие влияние величины астигматизма первого порядка на аберрации второго, но и выявляют зависимость этих аберраций от величины дефокусировки.

1.4 . Приводятся основные критерии оценки качества спектрального изображения. Подчёркивается особая роль аппаратной функции (АФ) спектрального прибора.

Во второй главе показана зависимость аберрационных и энергетических характеристик от геометрических параметров профиля и расположения штрихов решёток, изготовленных различными методами.

2.1. Получены выражения коэффициентов разложения определяющих геометрические параметры штрихов образованных

ук

пересечением с асферической заготовкой ряда кривых второго порядка:

12 |

<Я» <3»=—; <л» - у),- Ц„=—(мр.-Р); р, 3 р.

Р о

Р о

где - эксцентриситет и величина радиуса штрихов в вершине решетки,

а - постоянные, характеризующие изменение радиуса кривизны

и шага штрихов по поверхности решётки

е(>) = с0-(1 + //у+У/+£/ + --•)- (4)

На основании полученных соотношений, появляется возможность сравнить фокусирующие и аберрационные свойства решёток, изготовленных различными методами.

2.2. В рамках теории аберраций до третьего порядка включительно

получены геометрические параметры штрихов нарезных дифракционных

решёток в случае, когда решётка с переменным шагом изготавливается при

наклоне плоскости пезания пол углом п:

р„ = -г • // = //+1 /р0 ;

^ = р=1; (5)

/2р.' +1 /А' +1/2Г1 /р,; <?= р./2т3-

где - параметры изменения шага, задаваемые при нарезании.

Предложен метод изготовления решёток с заданным изменением кривизны штрихов (величины - функции координаты

Проведено математическое моделирование работы известного устройства изготовления переменного шага с помощью так называемого пружинного параллелограмма. Модифицирован и реализован метод для получения решёток с изменением шага пропорционально третьей степени координаты на решётке. Показано, что с помощью контролируемого компьютером перемещения измерительной решётки можно получить произвольный закон изменения шага решётки.

В результате работы были получены методики расчёта параметров настройки устройств изготовления переменного шага, позволившие нарезать дифракционные решётки с исправленными аберрациями 1-3-го порядков. Приводятся многочисленные примеры изготовления решёток.

2.3. Получены геометрические параметры голограммной решетки с точностью до аберраций 3-го порядка включительно:

где коэффициенты зависят от параметров записи решётки. Коэффициенты

для решётки, записанной в гомоцентрических пучках, зависят от двух

расстояний до источников записи и от двух углов, которые связаны

уравнением решётки. Таким образом, решётки этого типа обладают тремя независимыми параметрами для компенсации трёх аберраций. Как правило, это дефокусировка, астигматизм 1-го порядка и меридиональная или сагиттальная кома 2-го порядка.

Для увеличения возможностей компенсации аберраций используется запись решёток в астигматических пучках. Анализ, проведённый в работе, показывает, что наиболее простое решение для компенсации всех аберраций 1-го - 3-го порядков может быть получено, если один из источников записи точечный, а в другом пучке используется цилиндрическое зеркало, причём ось цилиндрической поверхности лежит в меридиональной плоскости. В этом случае ход лучей в меридиональной плоскости решётки будет таким же, что и при записи обычной голограммной, а для компенсации аберраций

используются дополнительные параметры, характеризующие расположение цилиндрического зеркала и его радиус.

2.4. Исследована зависимость дифракционной эффективности от координат на вогнутой решётке переменного шага при различной форме штрихов.

В скалярном- приближении расчет эффективности плоских дифракционных решеток, имеющих треугольный профиль штрихов, может быть выполнен с помощью хорошо известной формулы, полученной: из интеграла Френеля-Кирхгофа. В работе впервые получены аналитические соотношения для величин углов падения и дифракции относительно рабочих граней для каждой координаты на поверхности вогнутой решётки при заданных положениях источника излучения и его спектрального изображения. При этом учитываются переменный шаг и затенение рабочих граней штрихов. Вводя полученные соотношения формулу для плоской решётки, получим распределение эффективности по поверхности вогнутой решётки, работающей в непараллельных пучках.

В работах ряда авторов на основе электромагнитной теории было установлено, что плоская решетка конечных размеров, имеющая более десяти штрихов, обладает приблизительно такой же эффективностью, как и соответствующая ей решётка бесконечных размеров. Используя это положение, мы применили векторную теорию дифракции плоской решетки к каждой элементарной площадке вогнутой. Искомый результат может быть получен задавая направления падающих: и дифрагированных пучков относительно элементарных плоских решёток и учитывая реальную величину шага каждой из них.

Сопоставление результатов, полученных на основе электромагнитной теории, показывает удовлетворительное совпадение с результатами скалярной теории в пределах её применимости. Полученные результаты позволяют использовать скалярную теорию на этапе оценочных расчётов, а также при оптимизации параметров вогнутой решётки с учётом её аберрационных и энергетических характеристик.

При записи во встречных пучках штрихи имеют ступенчатую форму, причём, в отличие от эшелетта, ориентация рабочих граней относительно хорды, стягивающей концы решётки, изменяется. Проведённые расчёты, дифракционной эффективности показывают возможность расширения области высокой концентрации на поверхности решётки по сравнению с

вогнутыми решётками типа эшелетт.

Получена зависимость суммарной дифракционной эффективности по поверхности решётки от длины волны. Показано, что с уменьшением относительного отверстия максимум смещается в длинноволновую сторону, а его величина значительно уменьшается.

В третьей главе рассмотрены методы расчёта оптимальных параметров дифракционных решёток. Существует большое количество подходов для получения оптимальных параметров, различающихся как методами вычислений, так и выбором оценочных функций. Наиболее известен аналитический метод расчёта, основанный на минимизации усреднённых по спектральной области квадратов отдельных типов аберраций

Очевидно, что используемые в этом методе оценочные функции не в полной мере описывают работу спектрального прибора, тем не менее, данный метод довольно прост в реализации и до настоящего времени используется в различных модификациях большинством разработчиков спектральной аппаратуры. В другой группе методов используются более совершенные оценочные функции, однако, их многомерная оптимизация проводится численно, что не гарантирует нахождения оптимального решения. В настоящей работе предлагается метод расчёта, в котором параметры решётки определяются либо с помощью нахождения стигматических вариантов схем для их использования, либо с помощью аналитической оптимизации оценочных функций максимально полно описывающих работу спектрального прибора с последующим уточнением решения численной оптимизацией аппаратных функций.

3.1. Для некоторых схем спектральных приборов удаётся вычислить параметры штрихов решётки, у которой для заданной длины волны формируется идеальное геометрическое (стигматическое) изображение.

Показано, что вогнутая сферическая нарезная дифракционная решетка с искривленными неравноотстоящими . штрихами может, подобно голограммной решетке, давать стигматическое изображение для трех длин волн, однако в отличие от голограммных решеток, стигматические длины волн могут быть выбраны в широких пределах, так как их величина зависит от номинальной частоты решетки. Стигматические нарезные решетки могут

использоваться в спектральных приборах, имеющих два или три спектральных диапазона с предельно высоким разрешением. Другой возможностью их использования являются двух- или трех- диапазонные мульти/демультиплексоры волоконно-оптических линий связи.

Установлено, что стигматическое изображение может быть получено с помощью нарезной асферической решетки с переменным шагом, поверхность которой образована вращением произвольной кривой дуги окружности вокруг оси, перпендикулярной к нормали решетки. Предлагается использовать данную решетку в схемах скользящего падения для работы в мягкой рентгеновской области спектра, где получение идеального стигматического изображения голограммной решеткой не представляется возможным.

3.2. В большинстве случаев стигматические решения неприемлемы. Ввиду этого, на первом этапе используются полученные нами формулы для оптимальных параметров вогнутой решётки при минимизации дефокусировки и астигматизма 1-го порядка. Вычисления производятся в базовых схемах спектральных приборов, а именно: в спектрографах с постоянным углом падения с фокусировкой на плоскости и окружности Роуланда, а также в монохроматорах. с простым поворотом решетки. Задаваясь способом сканирования спектра (видом фокальной поверхности), можно получить оптимальные результаты для произвольной схемы.

3.3. На втором этапе проводится компенсация аберраций 2-го и 3-го порядков аналитическими методами. При расчётах оптических систем используются хорошо известные критерии качества изображения -усредненный по зрачку системы квадрат поперечной аберрации

<2 = 1гГ<5У2</5 (8)

т "

и функция передачи модуляции (ФМП), которая в области низких пространственных частот, может быть записана в виле:

(9)

где

а - соответственно заштрихованная площадь решетки и ее функция

пропускания. Выражение оценочных функций в области аберраций

1-го-З-го порядков для решетки с прямоугольной формой заштрихованной поверхности 2 У X 2 2. после интегрирования по высоте щели, при Т =0, имеет вид:

Коэффициенты величины которых различаются для первой. и второй оценочных функций, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Величины коэффициентов t¡ для функций ^ и ^

Оценочна я функция '2 'з >4

е. 9/20 1/20 1/6 1/18

& 1/5 1/45 0 0

Аналогичные формулы можно получить и для любой другой формы заштрихованной поверхности, например, для окружности. Во многих случаях необходимо учитывать не только форму заштрихованной поверхности, но и функцию пропускания зрачка которая зависит от изменения

дифракционной эффективности и освещенности по поверхности решетки. Представляя функцию пропускания в виде степенного ряда, нами получены выражения оценочных функций вида (10), которые используются в компьютерной программе оптимизации. Для коррекции аберраций по спектральной области оценочная функция вычисляется как сумма функций для отдельных длин волн

где величина используется как весовой множитель для перераспределения

требований к оптимизации в зависимости от длины волны.

Коррекция поперечных аберраций 2-го и 3-го порядков конкретных типов решёток зависит от количества независимых параметров оптимизации. В этом смысле наименьшими возможностями обладают голограммные решётки, записанные с помощью точечных источников, имеющие три независимых параметра: два расстояния до источников записи и один угол записи (второй угол используется для получения требуемой частоты решётки). Наиболее удобно расстояния до когерентных источников использовать для минимизации дефокусировки и астигматизма 1-го порядка, а третий параметр оптимизировать численно с помощью минимизации оценочных функций.

Поскольку механический метод изготовления решеток позволяет получать в первом приближении искривленные концентрические штрихи, то независимыми параметрами для оптимизации аберраций 1-го порядка будут величины а аберраций 2-го и 3-го порядков - коэффициенты

изменения шага К сожалению, технология изготовления нарезных

решёток не позволяет получить произвольные коэффициенты р ид.

На основе анализа выражений ФОП голограммной решётки, записанной с помощью асферических зеркал, нами разработана методика расчёта оптимальных параметров записи, когда в одном из пучков записи используется цилиндрическое зеркало. К параметрам записи обычной голограммной решётки добавляются параметры, характеризующие расположение зеркала в пространстве и его радиус. В результате могут быть исправлены, все типы аберраций. 1-3-го порядков, определяющие качество спектрального изображения в направлении дисперсии.

3.4. На заключительной стадии расчётов проводится численная минимизация аппаратной функции спектрального прибора. Оценочной (целевой)- функцией для оптимизации является полуширина аппаратной функции (АФ) спектрального прибора, являющаяся наиболее адекватным критерием оценки качества изображения. Важным моментом является то, что численный расчет АФ и её оптимизация ведется с учетом функции пропускания оптической системы.

Оптимизируется оценочная функция вида

где полуширина АФ для i - ой длины волны, т - количество разбиений

спектральной области, весовые коэффициенты, необходимые для

корректировки процесса оптимизации.

3.5. Рассмотрены примеры вычислений по предлагаемой методике для основных схем спектральных приборов, а также их модификаций,, разработанных либо в целях повышения качества спектрального изображения, либо для выполнения определённых конструктивных требований.

В схемах спектрографов на круге Роуланда расчёт по предлагаемой методике показывает целесообразность использования неклассических решёток, при этом нарезные решётки имеют преимущество при малых углах падения и в автоколлимации, а при расположении щелей с разных сторон от нормали к решётке предпочтительнее использовать голограммные решётки, записанные с помощью точечных источников. В работе, на примере расчёта АФ, показано, что в отличие от традиционных голограммных решёток, у которых источники записи располагаются на круге Роуланда, их целесообразнее располагать, исходя из условия устранения аберраций 1-го порядка.

Необходимость иметь плоское поле изображения возникает в случае использования одиночного приёмника излучения. В качестве примера расчётов рассмотрен спектральный прибор с приёмником в виде ПЗС-линейки с размером светочувствительной площадки приблизительно 30мм. Входной щелью прибора является торец волоконного световода диаметром 100 мкм. Используется нарезная сферическая решётка радиусом 100 мм, размером заштрихованной площадки 30x30 мм , с углом блеска 14,8°, работающая в первом порядке при угле падения 23° в спектральной области 500-900 нм. В таблице 3 приведены значения полуширины аппаратных функций Ь и высоты её максимумов к при оптимизации различных критериев качества спектрального изображения без учёта и с учётом коэффициента пропускания

Из таблицы 3 видно, что использование обеих оценочных функций приводит к близким результатам, учёт же коэффициента пропускания показывает более высокое качество спектрального изображения при одновременном уменьшении высоты аппаратных функций. Расчёты

показывают необходимость учёта коэффициента пропускания при расчёте АФ вогнутых решёток типа эшелетт.

Таблица 3.

Значения полуширины аппаратных функций Ь (в мкм) и высоты её максимумов к (в относ, ед.) при оптимизации различных критериев качества спектрального изображения

Я,нм 500 550 600 650 700 750 800 850 900

а. Ь 259* 112 107 119 154 117 110 112 209

г = 1 А 506 1044 1416 1290 1062 1296 1252 890 472

а. Ь 311 113 100 183 183 171 106 111 225

г = 1 Л 496 1124 1600 1028 978 1144 1440 1012 494

а. г = гЫ Ъ 151 102 100 124 145 118 101 103 144

Л 350 570 612 494 438 520 606 - 542 346

Фокусировка на окружности может использоваться для упрощения юстировки приёмников, размещённых на направляющей. По этой схеме располагаются. приёмники для регистрации отдельных длин волн в полихроматорах, а в последнее время на окружности располагаются ПЗС-линейки эмиссионных спектрометров. В разделе приводится методика расчётов и числовые примеры.

В схемах монохроматоров с фиксированным положением щелей, у которых сканирование. спектра осуществляется путём вращения решётки, расчёты показывают эффективность применения неклассических асферических решёток, в особенности с одной плоскостью симметрии. Расчеты АФ монохроматора Сейя- Намиока показали преимущество предлагаемого метода, по сравнению с методами почленной минимизации, отдельных типов:аберраций и оптимизации методом наименьших квадратов размеров пятна точечной диаграммы.

В схемах с углами отклонения, отличными от 70°, значения дефокусировки и после ее минимизации остаются значительными, однако ее изменение по спектральной области может быть аппроксимировано отрезком дуги окружности, что привело нас к разработке механизма сканирования,

осуществляющего перемещение выходной щели с одновременным поворотом решетки. В случае, когда перемещение щелей недопустимо, предлагается монохроматор с одновременным вращением и перемещением решётки в направлении щели. Величина дефокусировки в обеих схемах остается незначительной даже при скользящих углах падения и дифракции.

В четвёртой главе приводятся результаты исследования аберрационных и энергетических характеристик дифракционных решеток, нанесённых на планарный волновод.

4.1. Описывается ввод и вывод излучения с помощью дифракционной решетки и методы расчёта его эффективности. Рассмотрено влияние профиля штрихов на эффективность ввода и вывода излучения. Рассчитана решётка с треугольным профилем штрихов и переменной глубиной по её поверхности; показана возможность достижения эффективности, близкой к 100%. Расчёт проводился на базе электромагнитной теории методом элементарных площадок.

4.2. Развита теория аберраций дифракционных решёток, нанесённых на планарный волновод. Коэффициенты аберраций Д/^ выразятся в виде:

где п *- эффективный показатель преломления волновода, в — угол дифракции для устройства вывода из волновода и угол падения излучения для устройства ввода в волновод, а — расстояния от центра решетки до

источника и его спектрального изображения. С помощью полученных формул рассчитаны устройства ввода-вывода излучения с фокусировкой излучения в волноводе и в прилегающей к нему среде. Приведены характеристики конкретных устройств на базе как нарезных, так и голограммных решёток.

4.3. Предложен новый тип волноводных решёток, нанесённых на изогнутую поверхность планарного волновода и сочетающих в себе свойства

дифракционных решёток и геодезических интегрально-оптических линз. Первые члены коэффициентов аберраций имеют вид:

Цх = п - sin в\ Мж = cos - -^j;

rí( d\ I cos0 „. n sin0cos0fcos<? l\ ^ M0M=-^cos«-7J + --—; + J;

I) d {d г j 1 Г . , J 1 6 6cos0>) 5sín4<9 I cosflf. dl Y

где г и R - радиусы кривизны решётки и лунки, d - расстояние от источника до края лунки, d'- расстояние от центра решетки до изображения, а l=d+r.

Используя полученные выражения для коэффициентов аберраций 1-го - 3-го порядков была проведена аналитическая оптимизация параметров, которая затем уточнялась с помощью численной оптимизации результатов расчёта хода лучей методом Хука-Дживса. Как и ожидалось, дополнительные параметры оптимизации, связанные с формой вогнутой поверхности решетки, позволили добиться не только более высокого качества изображения, но и увеличения допустимого спектрального диапазона. Было отмечено, что для вогнутой волноводной решётки влияние отклонений параметров от их оптимальных значений на ее фокусирующие свойства - гораздо меньше, чем для плоской.

4.4. Рассмотрены аберрационные свойства кольцевых дифракционных решёток, нанесённых на планарный волновод. Показано, что кольцевая решётка с концентрическими штрихами при освещении источником, находящимся в её центре, фокусирует стигматический пучок, если коэффициенты изменения шага выражаются в виде:

V=_L_, ¿=_LÍI__!Л (17)

где h- расстояние от центра решётки до стигматического фокуса. По принципу обратимости можно предположить, что при освещении решётки гомоцентрическим пучком кольцевая решётка может стать идеальным точечным источником в плоскости волновода. Используя обе эти решётки, можно создать преобразователь пучка, в котором свет от лазерного источника излучения падает на решётку, которая преобразует падающий пучок в

излучение, радиально распространяющееся по волноводу. При встрече с внешней кольцевой решёткой излучение фокусируется в другую прилегающую среду. В работе рассмотрена энергетическая эффективность такого устройства, а также дифракционное распределение в фокальной плоскости. Показано, что использование кольцевой решётки приводит к уменьшению размеров дифракционно ограниченного пятна в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичным применением круговой решетки. Предлагаемое устройство является планарным аналогом двухзеркальной системы, но отличается от неё абсолютной нерасстраиваемостью и предельной компактностью; при этом стигматическое изображение сохраняется при значениях апертур, недостижимых для объёмной оптики.

В пятой главе описаны спектральные приборы и устройства для волоконно-оптических линий связи с использованием фокусирующих дифракционных решёток, которые либо в единичных экземплярах, либо серийно были изготовлены и использовались в различных областях науки и техники.

5.1. Разработан ряд оптических схем приборов атомно-эмиссионного анализа. С утверждением фотоэлектрической регистрации спектров появилась необходимость в создании прибора, ориентированного исключительно на использование фотоприёмных линеек. Это позволило снять ограничение, накладываемое на прибор с фотографической регистрацией спектра, а именно наличие плоского спектрального изображения размерами, соответствующими стандартной фотопластинке. Фотоприёмники в этом случае располагаются вдоль фокальной кривой, а корректирующая линза, как это было, например, в полихроматоре ДФС-458, исключается.

Первым прибором такого класса явился дифракционный полихроматор ДФС - 460. В нём, по сравнению с прибором ДФС - 458 увеличен одновременно разрешаемый интервал спектра: с 230 - 350 нм до 200 - 360 нм при сохранении величины обратной линейной дисперсии (ОЛД), равной 0,52 нм/мм. Прибор был серийно изготовлен ПО КОМЗ в виде полихроматора с лазерным возбуждением спектра пробы для использования в криминалистике.

Опыт работы в аналитических лабораториях показал, что приборное оснащение одновременно должно обеспечить следующие характеристики: высокую точность, низкий предел обнаружения элементов, одновременное

обнаружение широкого круга элементов, экспрессность и относительную дешевизну. В связи с этим на базе разработанной нами оптической схемы полихроматора в ЦКБ «Фотон», совместно с Бронницкой геохимической экспедицией, разработан атомно-эмиссионный спектральный прибор ДФС-461. В результате увеличение ОЛД в диапазоне 230-350 нм составляет 0,4 нм/мм, в диапазоне 306-466 нм - 0,5 нм/мм. В результате за счёт использования более высокочастотных решёток и применения приёмников с шириной элемента 7 мкм, оптическая схема позволяет видеть раздельно линии, отстоящие друг от друга на 0,0083 нм. Прибор готовится к серийному изготовлению ПО КОМЗ.

Разработана оптическая схема дифракционного спектрографа ДФС-462 с расширенной областью одновременной регистрации спектра. Схема работает следующим образом. Излучение источника проходит входную щель и направляется на вогнутую дифракционную решетку. Дифрагированное решеткой излучение первого и более высоких спектральных порядков, лежащее в коротковолновой области спектра, направляется на фотоприемники и регистрируется. Излучение нулевого порядка направляется на вторую дифракционную решетку, работающую в длинноволновой области спектра, и также регистрируется. Для основной решетки радиусом заготовки г= 1000мм,

размером заштрихованной поверхности 60*50 мм , частотой N= 1800мм ,

/* = 0Д828-10~5 мм"', »/ = -0,64273-10"7 мм-2, рв = -4845,0 мм, р=\, в

спектральном интервале 200-460 нм аберрации, приводящие к уширению и удлинению изображения щели, не превышают 4,5 мкм и 1,6 мм. Для дополнительной цилиндрической дифракционной решетки с сагиттальным радиусом кривизны Т= 710 мм, размером заштрихованной поверхности 13X24 2 _2 мм , частотой N=600 мм , ^ = мм , »/ = -0,76*10"5 мм ,

работающей в сходящемся пучке, аберрации в

направлении дисперсии не превышают 15 мкм. Полихроматор ДФС-462, предназначен для эмиссионного спектрального анализа токсичных материалов, в том числе радиоактивных, прибор успешно применяются для спектрального исследования биологических и медицинских проб, обеспечивая высокую производительность аналитических работ при малом расходе образца за счет одновременной регистрации в широком спектральном диапазоне.

Первая партия приборов, выпущенная ПО КОМЗ, предназначена для анализа радиоактивных материалов ПО «Маяк» (г. Челябинск).

Разработанный нами многоканальный эмиссионный, спектрометр МЭС-1000, обладая таким же высоким разрешением, как и ДФС-461, имеет более широкую область одновременной регистрации. Наряду с основной спектральной областью 200-350 нм имеется дополнительная область 400-580 нм, находящаяся с другой стороны от входной щели. Как известно, при горении на воздухе в области спектра 350-400 нм в спектре образуются «циановые» полосы, и поэтому «мёртвая» зона, образующаяся на месте входной щели и занимающая эту область, не будет ограничивать возможности анализа. Длинноволновая часть спектральной области 450-580 нм имеет сравнительно невысокое качество спектрального изображения, однако для многих видов атомно-эмиссионного анализа наличие этой дополнительной области оказывается весьма полезным. В работе приведены результаты регистрации спектра на спектрометре МЭС-1000, проведённые в ООО «ВМК-Оптоэлектроника» (г. Новосибирск).

Стремление к созданию более компактного прибора и необходимость расширения одновременно разрешаемого спектрального интервала привели нас к разработке многоканального эмиссионного спектрометра МЭС - 500. В

нём используется решётка радиусом 500 мм и частотой 2400 мм ~ , размерами

50x50 мм . В результате величина ОЛД составляет 0,78 нм/мм и спектральное разрешение в области 230-350нм сопоставимо с ДФС - 458, а при небольшом ухудшении разрешения на 20-30% имеется возможность значительного расширения спектральной обрасти (180 - 400 нм). Следует заметить, что относительное отверстие этого прибора в 1,5 раза больше, а габариты прибора в 2 раза меньше, чем у ДФС - 458. Вариант МЭС - 500 используется в лазерном комплексе для послойного анализа металлов Техноцентра « Лазерные технологии» (г. Екатеринбург).

Для измерения спектров излучения и поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра разработана оптическая схема малогабаритного спектрометра SS-01 с использованием приёмника излучения в виде двух ПЗС-линеек, одна из которых работает в ультрафиолетовой области, а другая - в видимой. Спектральное разрешение составляет 0,2-0,4 нм. Спектральный прибор был разработан в НПП «Славна» (г. Екатеринбург). В настоящее время изготовлено четыре опытных прибора, которые используются для анализа

продукции на Титановом комбинате в г. Ревда и ПО «Маяк (г. Челябинск).

5.2. Сообщается о разработке оптических схем атомно-абсорбционных спектроанализаторов. Многоканальный прибор СА-12 с одновременной регистрацией всего спектрального интервала и с флюоресцентным каналом. Прибор СА-13 имеет разрешаемый спектральный интервал не хуже, чем 0,5 нм в спектральной области 190-860 нм. Оба прибора серийно выпускаются в ПО КОМЗ.

Разработан и изготовлен монохроматор для атомно - абсорбционных комплексов «Спираль-19» и «Атомик-2000». Сканирование спектра происходит с помощью поворота решётки при фиксированных щелях с углом отклонения В качестве диспергирующего элемента используется вогнутая голограммная или нарезная решетка с радиусом кривизны мм,

заштрихованной площадью 50*50 мм , работающая в 1-ом порядке. Испытания опытного образца монохроматора показали точность установки длины волны ±0,046 нм, что на порядок превосходит установку длины волны монохроматоров с цифровыми механическими счётчиками (например, серия монохроматоров МУМ). Кроме этого прибор имеет большую светосилу и разрешающую способность, а также автоматическую установку длины волны.

5.3. Разработаны приборы для анализа спектров флюоресценции и комбинационного рассеяния. На базе вогнутой дифракционной решётки радиусом 100 мм и приёмника излучения, состоящего из одной ПЗС-линейки разработан спетрофлюориметр «Флора». Прибор используются для определения канцерогенов; для контроля нефтепродуктов; для анализа различных химических элементов (сера, селен). Опытная эксплуатация спектрофлюориметра показала его преимущества при разработке методик проведения анализов в сравнении с существующими, серийно выпускаемыми типа «Флюорат» или «ЭКО». Медицинские исследования спектрофлюориметра проводились в практологическом отделении Республиканской клинической больницы г. Казани и в Томской клинической больнице на предмет ранней диагностики рака молочной железы.

Разработан многоканальный спектрометр комбинационного рассеяния света, с многоходовой кюветой, входящий в состав лазерного анализатора природного газа. Ввиду низкой интенсивности спектральных линий комбинационного рассеяния разработана специальная система сбора излучения, поступающего из кюветы, с фокусировкой его на высокую входную щель спектрометра. Фокусировка со входной щели высотой 20 мм на

ПЗС-приёмники высотой 0,2 мм осуществляется с помощью вогнутых цилиндрических зеркал, расположенных перед каждым приёмником. С помощью спектрометра появляется возможность определения химического состава природного газа, его влажности, плотности и калорийности: таким образом, один такой прибор способен заменить весь аналитический комплекс физико-химической лаборатории предприятия газовой промышленности. Экспериментальный образец, изготовленный в Техноцентре "ЛТ" (г. Екатеринбург), прошел стендовые испытания. Они проводились с целью подтверждения возможности создания прибора для анализа природного газа на основе метода спонтанного комбинационного рассеяния и получили положительную оценку членов испытательной комиссии РАО "Газпром".

5.4. Разработаны приборы для анализа спектров вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. Идеальным источником является синхротронный ускоритель частиц. В работе показано, что при расчёте монохроматоров скользящего падения необходимо учитывать изменение функции пропускания прибора по поверхности решётки. Приведён пример расчёта ряда монохроматоров, аналогичных известным монохроматорам TGM (фирмаы Jobin- Yvon), но превосходящих их по разрешению, сверхвакуумный монохроматор был изготовлен в Физическом институте (г. Тарту).

5.5. Разработаны демультиплексоры для спектрального уплотнения каналов волоконно-оптических линий связи, представляющие собой стеклянные моноблоки, с одного конца которых находится вогнутая дифракционная решётка, а с другого - входные и выходные волокна. Очевидно, что для ввода излучения в стандартные многомодовые волокна диаметром 50 мкм и одномодовые волокна диаметром 10 мкм необходимо наличие высокого качества спектрального изображения в обоих сечениях. По заказам ЦНИИ связи (г. Москва) и ПО «Маяк» (г. Челябинск) в НПО ГИПО изготовленные образцы пяти- и десятиканальных мульти/демультиплексоров для диапазонов 1,22-1,30 мкм и 1,53-1,57 мкм, которые показали достаточно малые потери: 1-3 дб для одномодовых устройств и 2-4дб- - для многомодовых.

На базе мультиплексоров/демультиплексоров разработана ряда устройств волоконно-оптических линий связи: оптическая муфта для оперативного подключения аппаратов участковой служебной связи,

многоканальный модовый селектор,, устройство обратной связи для стабилизации спектрального состава лазерного излучения и т. д.

Обобщением устройств подобного рода явился делитель мощности со спектральной селекцией, реализованный на базе демультиплексора с дифракционной решеткой, состоящей из отдельных секций. Анализ потерь и оценка величин аберраций показывают возможность создания 81- канального устройства на основе трех секционной решетки, хотя нет теоретических ограничений для создания 256- канального устройства на основе четырехсекционной решетки для четырех длин. волн. Измерения четырёхсекционной. решётки подтвердили её пригодность для создания устройств подобного рода.

Заключение. 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 штрихов;

• устройства ввода - вывода излучения на базе решётки нанесённой на геодезическую планарную линзу;

• преобразователь лазерного пучка на базе пары концентрических решёток на планарном волноводе.

5. Разработан численно-аналитический метод нахождения оптималь-

ных параметров вогнутых неклассических дифракционных решёток на основе интегральных критериев качества спектрального изображения в произвольно заданной схеме спектрального прибора с учётом его функции пропускания.

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

7. Разработаны методики расчёта технологических параметров1 настройки ч делительных машин для изготовления решёток с заданными аберрационными характеристиками. Предложены способы изготовления нарезных дифракционных решёток с заданным изменением кривизны штрихов и изменением шага v пропорционально третьей степени координаты на решётке.

8. Проведён анализ коррекционных возможностей голограммных решёток, записанных в астигматических пучках. Разработана методика расчёта голограммной 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 г перемещением оптических элементов:

• с вращением решётки и перемещением щели по направлению к решётке;

• с одновременным вращением и перемещением решётки в сторону щели;

• с 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/демульти-плексоров 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, (развитие теории аберраций, разработка методов оптимизации параметров и расчёт характеристик, расчёт оптических схем, разработка приборов, предложения по модификации методов изготовления) является решением крупной научно-технической проблемы в области вычислительной оптики и оптического приборостроения, имеющий важное народно-хозяйственное значение.

Список печатных работ по теме диссертации:

1. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Аберрации вогнутых дифракционных решеток с искривленными штрихами//ОМП.-1975.-№.10.-С. 19-21.

2. Бажанов Ю.В. Аберрации вогнутой дифракционной решетки с искривленными штрихами// XII научн.-техн. конф. молодых специалистов: Тез. докл.- Красногорск, 1975.- С. 35.

3. Бажанов Ю.В. Дифракционная решетка с неравноотстоящими штрихами // Современная прикладная оптика и оптические приборы: Тез. докл. Всесоюз. научн.-техн. конф.- Ленинград, 1975.

4. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Аберрации вогнутых дифракционных решеток с переменным шагом // ОМП.- 1976.-№.2.- С. 26-27.

5. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Аберрационные свойства вогнутых голографических дифракционных решеток // Всесоюз. симпозиум по голографии: Тез. докл. - Львов, 1976.- С. 27.

6. Бажанов Ю.В. Оценка качества изображения, даваемого вогнутыми дифракционными решетками//Семинар, посвященный 100-летию со дня рождения А.И. Тудоровского: Тез. докл.-Ленинград, 1976.- С. 41.

7. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Вогнутые сферические

дифракционные решетки с компенсированным астигматизмом в установках на круге Роуланда // ОМП.- 1977.- № 5.- С. 22-24.

8. Пейсахсон И.В., Яковлев Э.А., Бажанов. Ю.В. Вогнутые дифракционные решетки с компенсированным астигматизмом // ОМП.- 1978.-№4.-С. 46-51.

9. Бажанов Ю.В. Аберрационные свойства вогнутых дифракционных решеток с компенсированным астигматизмом: Дисс. канд. техн. наук: / ГОИ. - Л., 1979.- 199 с.

10. Бажанов Ю.В. Соотношение, между параметрами нарезных и голографических вогнутых дифракционных решеток // ОМП.-1979.-№10.-С. 1-3.

11. Бажанов Ю.В. Свойства изображения, даваемого вогнутыми дифракционными решетками и способы его коррекции // Формирование оптического изображения и методы его коррекции: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Могилев, 1979.- С. 62-63.

12. Бажанов Ю.В. Минимизация аберраций вогнутых дифракционных решеток, используемых в установках на круге Роуланда // Приборы и методы спектроскопии: Тез. докл. Всесоюз. конф.-Новосибирск, 1979.- С. 61-62.

13. Бажанов Ю.В. Расчет оптимальных параметров различных видов вогнутых дифракционных решеток в схемах монохроматоров с фиксированными щелями // Всесоюз. семинар по теории и расчету оптических схем: Тез. докл.- Ленинград, 1982. - С. 31.

14. Бажанов Ю.В. Расчет оптических схем монохроматоров с вогнутыми голографическими решетками //IV Всесоюз. конф. по голографии: Тез. докл. - Ереван, 1982.- Т.1. - С. 89-90.

15. Бажанов Ю.В. Расчет параметров неклассических вогнутых дифракционных решеток в схемах монохроматоров с фиксированными щелями // ОМП.- 1983.- № 9.- С. 2-5.

16. Бажанов Ю.В. Балясников Н.М. Определение оптимальных параметров вогнутых дифракционных решеток в установках на круге Роуланда // Опт. и спектр.- 1983.- Т. 55, Вып. 6.- С. 10531058.

17. Монохроматор: А.С. 1236863 СССР/Ю.В. Бажанов, С.А. Стрежнев.-13.07.83.

18. Дифракционный монохроматор: А.С. 1182278 СССР/Ю.В. Бажанов, С.А Стрежнев.- 01.06.85.

19. Нарезная, вогнутая дифракционная, решетка: А.С. 1362295 СССР/Ю.В. Бажанов, С.А. Стрежнев. - 22.08.87.

20. Вогнутая дифракционная решетка: А. С. 1364028 СССР / Ю.В. Бажанов.- 1.09.87.

21. Способ контроля технологических параметров вогнутых голографических дифракционных решеток: А.С. 1438469 СССР / Ю.В. Бажанов, С.А. Стрежнев - Заявл. 15.07.88.

22. Спектрограф: Патент № 1522048 РФ / Ю.С. Нагулин, Ю.В. Бажанов, Л.К. Зайнуллина, С.А. Стрежнев // Бюл. - 1989.- № 42.- С. 168.

23. Делительная машина для изготовления вогнутых дифракционных решеток с переменным шагом: А.С. 1559939 СССР / Ю.В. Бажанов, С.А. Стрежнев - 1989.

24. Способ изготовления вогнутых дифракционных решеток: А. С. 1524708 Ю.В. Бажанов, В.В. Куинджи, Т.С. Саамова, С.А. Стрежнев - 4152415/24-10; Заявл. 25.11.86.

25. Бажанов Ю.В., Зайнуллина Л.К. Аберрационные свойства нарезных аналогов голографических дифракционных решеток// Голографические оптические элементы и их применение в оптических приборах: Тез. докл. Всесоюз. семинара. - Москва, 1987. -С. 21.

26. Бажанов Ю.В., Зайнуллина Л.К. Методика расчета оптимальных параметров дифракционных решеток с искривленными неравноотстоящими штрихами // Голографические оптические элементы и их применение в оптических приборах: Тез. докл. Всесоюз. семинара. - Москва, 1987. - С. 29.

27. Бажанов Ю.В., Зайнуллина Л.К. Методика расчета оптимальных параметров вогнутых нарезных дифракционных решеток//Физика вакуумного ультрафиолета и его взаимодействие с веществом: Тез. докл VII Конф. - Рига, 1986. - С. 194.

28. Бажанов Ю.В., Зайнуллина Л.К., Стрежнев С.А. Неклассические дифракционные решетки в схемах скользящего падения//Физика быстропротекающих плазменных процессов: Тез. докл. Всесоюз.

семинара. - Гродно, 1986.- С.57.

29. Бажанов Ю.В., Халикова Ф.Х. Расчет энергетических характеристик устройств ввода-вывода излучения с дифракционной решеткой треугольного профиля штриха и переменным периодом/ЛГеоретическая и прикладная оптика: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Ленинград, 1988. - С.316.

30. Бажанов Ю.В., Зайнуллина Л.К. Монохроматор с постоянным углом отклонения и подвижной выходной щелью//Теоретическая и прикладная оптика: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Ленинград, 1988. - С. 72.

31. Бажанов Ю.В., Демура Е.Н. Расчет аберрационных характеристик фокусирующих решеточных элементов интегральной оптики // Опт. и спектр.- 1988.- Т. 65, Вып. 6.- С. 1343-1347.

32. Бажанов Ю.В., Любимов А.И., Долотказин М.А., Акулов В.Л. Влияние формы профиля голографических дифракционных решеток на эффективность в УФ области спектра // VIII Всесоз. Конф. по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействию с веществом «ВУФ-89»: Тез. докл.- Иркутск,

1989.- С. 400-401.

33. Бажанов Ю.В., Довлатбегов Г.П., Марциновский В.А Разработка интегрального мульти/демультиплексора для ВОСП со спектральным уплотнением // Оптическая коммутация и оптические сети связи: Тез. докл. науч.-техн. конф.- Суздаль,

1990.- С. 36.

34. Бажанов Ю.В., Халикова Ф.Х. Расчет энергетических характеристик устройств ввода-вывода излучения с дифракционной решеткой треугольного профиля штриха и с переменным периодом // Опт.-мех. пром.-1990.- № 1.-С. 15-17.

35. Бажанов Ю.В., Зайнуллина Л.К. Монохроматор с постоянным углом отклонения и подвижной выходной щелью // ОМП.- 1990.-№1.-С. 72-73.

36. Бажанов Ю.В., Марциновский В.А. Перспективы- разработки оптических схем мультиплексоров-демультиплексоров для одномодовых ВОЛС // Проблемы измерительной техники в волоконной оптике: Тез докл. Всесоюз. конф. - Нижний Новгород,

1991.- С. 46-47.

37. Бажанов Ю.В., Балясников Н.М., Варфоломеев А.А., Лукашевич Я.К., Павлычева Н.К. О некоторых возможностях способа изготовления дифракционных решеток с переменным шагом//Дифракционная оптика, новые разработки в технологии и применение: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Москва, 1991. - С. 57-58

38. Bazhanov Yu.V., Marzynovsky V.A., Mirumyanz S.O. Multichannel singl-mode multiplexer- demultiplexer optical systems with difraction gratings for 1.55 mm region//ISFOC 93: Conference Proceedings. -Petersburg, 1993.- P. 151-154.

39. Marzynovsky V.A., Mirumyanz S.O., Bazhanov Yu.V. Multichannel multiple-xer-demultiplexer of singlmode fiber optic communication system//ISFOC 93: Conference Proceedings. - Petersburg, 1993.- P. 159-162.

40. Bazhanov Yu.V., Kulakova N.A., Marzynovsky V.A., Bagautdinov I.R. Energy losses Analysis in multichannel grating multiplexer-demultiplexers // ISFOC 93: Conference Proceedings.- St. Petersburg, 1993.-P. 163-166.

41. Бажанов Ю.В., Вандюков Е.А., Чугунов А.В. Новое поколение волоконно-оптических датчиков для контрольно-измерительных и диагностических систем//Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Тез. докл. Междунар. конф. - Гурзуф, 1993.- С. 78-79.

42. Бажанов Ю.В., Вандюков Е.А., Чугунов А.В., Марциновский В.В. и др. Моноблочный полихроматор, использующий волоконную оптику для контрольно-измерительных и диагностических систем // Оптический журнал.-1993.- № 3.- С. 78-79.

43. Марциновский В.В., Мирумянц CO., Бажанов Ю.В., Багаутдинов И.Р., Стрежнев С.А. Многоканальные мульти/демультиплексоры для одномодовых и многомодовых волоконно-оптических линий связи/Юптический журнал. - 1993. - №9. - С. 69-73 .

44. Бажанов Ю.В. Оптические системы светосильных спектральных датчиков высокого разрешения//Датчик-94: Тез. докл. Российской научно-технич. конф. - Гурзуф, 1994. - С. 48.

45. Бажанов Ю.В. Стигматические вогнутые нарезные дифракционные решетки // Оптическая техника.- 1994.- № 4.- С. 18-21.

46. Bazhanov Yu.V. New power devider with spectral selection on the basis of a sectioned grating//EFOC&N: The Book of Abstracts. -Brighton, 1995.-P.215-217.

47. Bazhanov Yu.V., Shaposhnicov S.N., Andrianov S.N., Trofanchuk L.A. Wide aperture optical beam transformer based on the waveguide with circular grating pair // Conference Proceedings.- Prague, 1995.- P. 417.

48. Bazhanov Yu.V. New power devider with spectral selection on the basis of a sechioned grating// Conference Proceedings.- Prague, 1995.-P. 365.

49. Бажанов Ю.В., Гильмутдинов А.Х., Нагулин К.Ю., Нагулин Ю.С. Исследование оптических систем атомно-абсорбционных спектрофотометров // Оптический журнал.-1996.- № 8.- С. 60-65.

50. Бажанов Ю.В., Тимергазеева Л.К. Минимизация дефокусировки вогнутой дифракционной решетки в произвольно заданной схеме спектрального прибора // Оптический журнал.- 1996.- X2.ll.- С. 42-46.

51. Бажанов Ю.В., Шапошников С.Н. Фокусирующая решетка на вогнутой поверхности оптического волновода // Оптический журнал.- 1996.-№ П.-С. 47-50.

52. Бажанов Ю.В. Безаберрационное спектральное изображение, формируемое вогнутой дифракционной решеткой // Научн.-техн. сб. «НПО ГИПО», ч. 117 Под ред. СО. Мирумянца.- Казань, 1997-С. 575-586.

53. Bazhanov Yu.V., Shaposhnicov S.N., Andrianov S.N. New laser pickup device based on the waveguide with circular grating pair // Proceedings SPIE.-1997.-P. 130-139.

54. Bazhanov Yu.V. Matrix power devider with spectral selection // Proceedings SPIE.- 1997.- P. 186-196.

55. Bazhanov Yu.V. Stigmatic image formation by ruled diffraction grating// Proceedings SPIE.- 1997.- P. 201-211.

56. Бажанов Ю.В. Асферические стигматические дифракционные

решетки // Оптическая техника.- 1997.- № 12.- С. 39-41.

57. Демчук Ю.С., Вандюков Е.А., Бажанов Ю.В. Применение моноблочного волоконного полихроматора для регистрации водных растворов фенола по спектру люминесценции // Оптический журнал.-1997.- Т. 65, № 4.- С. 74-76.

58. Бажанов Ю.В., Вандюков Е.А., Демчук Ю.С. Применение методов люминесцентной спектроскопии при разработке волоконно-оптических датчиков аналитического контроля сточных вод химкомбинатов // Актуальные экологические проблемы республики Татарстан: Тез. докл. III Респ. конф. - Казань, 1997. -С.281-282.

59. Бажанов Ю.В., Власов В.И., Вовк СМ., Кондратов СВ., Мартыненко Б.Г., Позняк В.Н., Ракович Н.С, Третьяков А, В. Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света // Аналитика и контроль.-1998.- №3-4.- С. 65-74.

60. Бажанов Ю.В., Кулакова Н.А., Тимергазеева Л.К., Шапошников СН. Разработка, комплекса программ для расчета оптических систем с фокусирующими дифракционными решетками // Вторая конференция разработчиков и пользователей программного обеспечения для автоматизации оптических расчетов и испытаний оптических систем»: Материалы конференции в сб.: Оптика сегодня и завтра.- Москва, 2000.- №11.- С 17.

61. Бажанов Ю.В., Нагулин Ю.С, Нагулин К.Ю., Николаев Р.П., Рыжов В.В. Спектральные приборы для исследования и аналитических работ методами эмиссионной, атомно-абсорбционной спектроскопии, многоканальные спектрометры, спектрофотометры и спектрофлюориметры // Химический анализ веществ и материалов: Всероссийская конференция - Москва, 2000.-С 309-310.

62. Бажанов Ю.В. Волоконно-оптические устройства на основе вогнутой дифракционной решётки/АТехнология производства и обработки оптического стекла и материалов: Тез. докл. научн.-техн. конф. - Москва, 2000. - С 37-38.

;63. В. Бажанов, А.П Демин. Малогабаритный спектрофлюориметр

и его применение в экологии и медицине // Тезисы докладов 11 Всеросийского семинара « Проблемы и достижения люминисцентной спектроскопии», С 48 Саратов, 2001г.

64. Бажанов Ю.В., Тимергазеева Л.К. // Оптические схемы монохроматоров для мягкой рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой областей спектра: Тез. Докл. на XXII съезде по спектроскопии - Звенигород, 2001. - С. 168-169.

65. Бажанов Ю.В., Балоев В.А., Демин А.П., Тимергазеева: Л.К., Клочков С.А., Иванова Е.Р. Спектроаналитические комплексы для эмиссионного анализа// Спектроскопия: Тез. докл. на XV Уральской конференции. - Екатеринбург, 2001. - С.266.

66. Бажанов Ю.В., Демин А.П. Малогабаритный спектрофлюориметр широкого применения//Спектроскопия: Тез. докл. на XV Уральской конференции - Екатеринбург, 2001. - С. 268-269.

67. Бажанов Ю.В., Демин А.П., Тимергазеева Л.К., Чугунов Ю.П. Монохроматор с автоматической установкой длины волны // Тез. докл. на XV Уральской конференции. - Екатеринбург, 2001.— С.269-271.

68. Нагулин Ю.С., Шакиров Н.Ф., Урманчеев В Л., Торопов Д.А., Бажанов Ю.В.// Исследование характеристик полихроматоров ДФС-458 и ДФС-461 с фотоэлектрической регистрацией спектра на основе позиционно-чувствительных приёмников излучения. // Тезисы доклада на XV Уральской конференции по спектроскопии.- Екатеринбург, 2001.- С. 312-313.

69. Бажанов Ю.В., Кулакова НА, Тимергазеева.Л.К., Шапошников С.Н. Программы для расчёта и анализа оптических систем с дифракционными и волноводными элементами: // Прикладная оптика: Сборник трудов V международной конференции. - Санкт-Петербург, 2002.- Т.З.- С. 13-17.

70. Бажанов Ю.В., Кулакова Н.А. Распределение эффективности по поверхности вогнутых дифракционных решёток // Прикладная оптика: Сборник трудов V международной конференции. - Санкт-Петербург, 2002.- Т. 1.- С. 109-114.

71. Нагулин К.Ю., Бажанов Ю.В., Шакиров Н.Ф. Сравнительные

исследования качества изображения пфодц^яздодондоьКДО^вс

БИБЛИОТЕКА СЧетерСур''

i 08 ГЭО txr

33 ---—

ncj^

вогнутых неклассических дифракционных решёток // Прикладная оптика: Сборник трудов V международной конференции - Санкт-Петербург, 2002. - Т. 1. - С. 112-116.

72. Бажанов Ю.В., Кулакова Н.А. Анализ эффективности вогнутых дифракционных решеток в скалярном приближении // Оптический журнал. - 2002. - Т.70. - №12.- С. 40-43.

73. Бажанов Ю.В., Демин А.П., Тимергазеева Л.К., Чугунов Ю.П. Малогабаритный монохроматор с вогнутой дифракционной решеткой // Оптический журнал. - 2002. - Т.70. - №12.- С. 53-55.

74. Бажанов Ю.В. Геометрические параметры штрихов нарезных и голограммных дифракционных решеток. // Оптический журнал.-2ООЗ.-Т.71,№5.-С.31-34.

75. Бажанов Ю.В., Саттаров Ф.А., Тимергазеева Л. К. Коррекция аберраций голограммных дифракционных решёток, записанных в астигматических пучках // Тез. к докл. XVI Уральской конференции. 9-12 сентября 2003г. - Новоуральск, 2003. - С. 258259.

76. Бажанов Ю.В., Тимергазеева Л. К. Глобальная оптимизация параметров фокусирующих дифракционных решеток // Спектроскопия.: Тез. к докл. XVI Уральской конференции. 9-12 сентября 2003г. - Новоуральск, 2003. - С.251-253.

77. Ю.В. Бажанов, Л.К. Тимергазеева. Методика оптимизации. параметров фокусирующих дифракционных решеток. //Оптический журнал.- 2004.- Т. 72, № 1.- С. 17- 21.

78. Ю.В. Бажанов Анализ возможностей коррекции аберраций голограммных дифракционных решёток, записанных в астигматических пучках. //Оптический журнал,- 2004.- Т. 72, № Л-С. 12-16.

79. Ю.В. Бажанов, Н.А. Кулакова, Л.К. Тимергазеева, Е. Тюленева. Оптимизация параметров вогнутых дифракционных решёток на основе расчёта аппаратных функций спектральных приборов. //Оптический журнал. - 2004.- Т. 72, № 1.- С.22 - 25.

Подписано в печать 19.12.03 г. Тип. ОАО КМЗ Зак. 2004.01-57 Тираж 100 экз.

*-44ô5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ РАСЧЁТА КАЧЕСТВА СПЕКТРАЛЬНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ, ДАВАЕМОГО ДИФРАКЦИОННЫМИ РЕШЕТКАМИ

1.1. Теория плоской дифракционной решётки.

1.1.1 Электромагнитная теория.

1.1.2 Скалярная теория.

1.2. Расчет хода лучей.

1.3. Функция оптического пути.

1.3.1 Разложение функции оптического пути.

1.3.2 Аберрации 1-го - 3-го порядков.

1.4. Критерии качества спектрального изображения.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2 ЗАВИСИМОСТЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШТРИХОВ ОТ МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОГНУТЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЁТОК.

2.1. Параметры вогнутой решетки с произвольным расположением штрихов.

2.2. Нарезные дифракционные решетки.

2.2.1. Параметры дифракционных решеток, изготовленных при наклоне плоскости резания.

2.2.2. Методы изготовления решеток с переменным шагом.

2.3. Голограммные дифракционные решетки.

2.3.1. Запись в гомоцентрических пучках.

2.3.2. Запись в астигматических пучках.

2.4. Распределение эффективности по поверхности вогнутых дифракционных решеток.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3 ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОГНУТЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЁТОК.

3.1. Расчёт параметров стигматических дифракционных решёток.

3.1.1. Стигматические голограммные решетки.

3.1.2. Стигматические нарезные решетки.

3.2. Минимизация аберраций 1-го порядка в различных схемах спектральных приборов.

3.2.1 .Схемы с постоянным углом падения.

3.2.2.Схемы с поворотом решетки.

3.3. Компенсация аберраций 2-го и 3-го порядков.

3.3.1.Оценочные функции.

3.3.2. Оптимизация параметров.

3.4. Минимизация ширины аппаратной функции спектрального прибора.

3.5. Расчёт различных оптических схем спектральных приборов с фокусирующими дифракционными решётками.

3.5.1. Схема спектрографа на круге Роуланда.

3.5.2. Схема спектрографа с плоским полем.

3.5.3. Схема спектрографа с фокусировкой на окружности.

3.5.4. Схема монохроматора с простым вращением решётки.

3.5.5. Схема монохроматора с вращением решётки и одновременным перемещением щели в направлении решётки.

3.5.6. Схема монохроматора с одновременным вращением и перемещением решётки в направлении щели.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4 ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ

РЕШЕТКИ.

4.1. Основные характеристики решетчатых элементов связи.

4.1.1. Методы расчёта энергетических характеристик.

4.1.2. Влияние формы штрихов решетки на эффективность УВВ.

4.1.3. Расчет энергетических характеристик УВВ с максимальной эффективностью

4.2. Дифракционные решётки на планарном волноводе.

4.2.1. Аберрационные характеристики.

4.2.2. Расчёт оптической схемы интегрально-оптического устройства дискового звукоснимателя.

4.3. Фокусирующая решетка на вогнутой поверхности оптического волновода.

4.3.1. Аберрационные характеристики.

4.3.2. Результаты расчётов.

4.4. Круговые дифракционные решётки на поверхности волновода.

4.4.1. Аберрации круговой решётки, стигматизм.

4.4.2. Аксиально-симметричные поверхностные волны.

4.4.3. Дифракционный интеграл.

4.4.4. Дифракционная эффективность.

4.5.Вывод ы.

ГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ФОКУСИРУЮЩИХ

ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЁТОК В ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ И УСТРОЙСТВАХ.

5.1. Приборы атомно-эмиссионного спектрального анализа.

5.1.1. Дифракционные спектрографы ДФС-460, ДФС-461, ДФС-462.

5.1.2. Многоэлементные эмиссионные спектрометры МЭС-1000 и МЭС-500.

5.1.3. Спектрометр SS-01.

5.2. Приборы атомно-абсорбционного спектрального анализа.

5.2.1. Атомно-абсорбционный спектрофотометр СА-12.

5.2.2. Атомно-абсорбционный спектрофотометр СА-13.

5.2.3. Монохроматор для атомно-абсорбционных спектрофотометров «Спираль-19» и «Атомик-2000».

5.3. Приборы для анализа спектров флюоресценции и комбинационного рассеяния.

5.3.1. Спектрофлюориметры.

5.3.2. Анализатор природного газа на основе комбинационного рассеяния света.

5.4. Приборы для анализа спектров мягкого рентгеновского излучения.

5.5. Устройства для волоконно-оптических линий связи.

5.5.1. Мульти/демультиплексоры.

5.5.2. Устройства деления мощности излучения в BOJIC.

5.6. Выводы.

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 направление -исследование, 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 прибора; оптимальных параметров и характеристик интегрально-оптических плоских и вогнутых решёток; энергетических 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 линзе; паре концентрических решёток на одном планарном волноводе.

5. Новых схемах монохроматоров с различными способами сканирования спектра: с вращением решётки и перемещением щели по направлению к решётке; с одновременным вращением и перемещением решётки в сторону щели; с 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 воде; анализатора природного газа на основе комбинационного рассеяния света; серии монохроматоров скользящего падения для анализа спектров в мягком рентгеновском диапазоне; гаммы пяти- и 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 штрихов; устройства ввода вывода излучения на базе решётки нанесённой на геодезическую планарную линзу; преобразователь 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 решётке; с одновременным вращением и перемещением решётки в сторону щели; с 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.

345

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.

1. Борн M. Основы оптики. M.: Наука , 1970. - 855 с.

2. Petite R. Electromagnetic theory of Gratings//Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York. 1980. - P.58-92.

3. Введение в интегральную оптику// Под ред. М. Барноски. М.: Мир, 1977.- 367 с.

4. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. JL: Машиностроение, 1975.-312 с.

5. Пейсахсон И.В., Яковлев Э.А., Бажанов Ю.В. Вогнутые дифракционные решетки с компенсированным астигматизмом//Опт.-мех. пром. 1978. - № 4.-С. 46-51.

6. Бажанов Ю.В. Аберрационные свойства вогнутых дифракционных решеток компенсированным астигматизмом: Дисс. канд. техн. наук: / ГОИ. -Л., 1979.- 199 с.

7. Бажанов Ю.В., Кулакова Н.А., Тимергазеева Л.К., Шапошников С.Н. Программы для расчета и анализа оптических систем с дифракционными и волноводными элементами//Прикладная оптика: Сборник трудов 5 международной конференции 2002 - Т. 3. - С. 13-17

8. Яковлев Э.А. Расчет распределения интенсивности дифракционной решетки в поляризованном свете//Оптика и спектроскопия. 1965. - Т. 19, Вып. 63.-С.417.

9. Pavageau, Eido R., Kobeisse H.// C.R.Acad. Sci., Paris 1967. - P. 264-424. Pavageau J., Bousquet J. Diffraction par un reseau conducteur nouvelle methode de resolution//Optica Acta. - 1970. - Vol.17. - №6. - P.469-478.

10. Maystre D. Sur la diffraction et Г absorption par les reseaux utilises dans Г in-frarouge, le visible et l'ultraviolet, application a la spectroscopieet au filtrage des ondes electromagnetiques//Thesis Aux-Marseille, 1974. - 161c.

11. Кулакова H.A., Халикова Ф.Х. Исследование энергетических характеристик дифракционных решеток с произвольным профилем. -М., 1986. -Деп. в ВИНИТИ 21.03.86, №ДЦ 1142.

12. Neviere М., Vincent P., Petit R. Sur la theory du reseau conducteur et ses applications a 1'optique//Nouv.Rev.Opt. 1974. - №5. - p.65-77.

13. Chang C. Surface-wave scattering by dielectric gratings with arbitrary profiles// Ph. D. thesis Brooklyn, N.Y., 1979.

14. Chang C., Shah V., and Tamir T. Scattering and guiding of waves by dielectric gratings with arbitrary profiles//J.Opt.Soc.Am. 1980. - Vol.70. - Р.804-812.

15. Шапошников C.H., Кривко Л.Я., Пряхинн Ю.А., Сафиуллин Ф.Х. Дифракция света на диэлектрической решётке произвольного профи-ля//ОМП. 1987. - №6. - С. 12-13.

16. Hatcher R.D., Rohrbaugh J.H. Theory of the Echelette Grating.I*-II* // J.Opt.Soc.Am. 1956. - Vol.46. - №2. - P.104-110; 1958 - Vol.48. - №10. -P.704-709.

17. Rohrbaugh J.H., Pine C., Zoellner W., Hatcher R.D. Theory of the Echelette Grating.HI*// J.Opt.Soc.Am. 1958. - Vol.48. - №10. - P.710-711

18. Раутиан С.Г. К теории эшелетта//Оптика и спектроскопия. 1957 - Т.2. -Вып.2. - С.279-280.

19. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979.-478 с.

20. Тудоровский А.И. Формулы для расчета лучей, отраженных дифракционной решеткой // Тр. ин-та / Госуд. оптич. ин-т им. С.И.Вавилова.- 1958. -Т.26, Вып. 162. С. 3-12.

21. Rosendahl C.R. Contributions to the optics of Mirror sistems and gratings with oblique incidence//J. Opt. Soc. Amer. 1961. - Vol.51. - № 1. - P. 1-3.

22. Spenser G.H., Murtu M.V.R.K. General ray-tracing procedure//J. Opt. Soc. Amer. 1962. - Vol.52. - №6. - P.672-678.

23. Yoshinaga H., Okazaki В., Tatsuoka S. Gtometrical optical image formation in infrare spectrometers//! Opt. Soc. Amer. 1960. - Vol.50. - №5. - P.437-445.

24. Kastner S.O., Neuport W.M. Image construction for concave J gratings//J. Opt. Soc. Amer.- 1963. Vol.53. - №10. - P. 1180-1184.

25. Пейсахсон И.В., Тарнакин И.Н. Расчет аберраций вогнутых решеток//Ж. прикл. спектроск. 1976. - Т.24. - Вып.2. - С.356-358.

26. Пейсахсон И.В., Ефимов В.А. Расчет хода лучей в произвольной оптической системе с помощью ЭВМ//Оптико-механическая промышл. 1970. -№12. -С.21-23.

27. Пейсахсон И.В., Нестеренко J1.A. Расчет хода лучей, отраженных вогнутыми сферическими решетками с компенсированным астигматизмом//Ж. прикл. спектроск. 1976. - Т.24. - Вып. 2. - С.356-358.

28. Ludwig U.W. Gtntralized grating ray-tracing equations//! Opt. Soc. Amer.-1976. Vol.63, №9. - P. 1105-1107

29. Пейсахсон И.В., Нестеренко JI.А. Расчет хода лучей, отраженных вогнутой дифракционной решеткой с криволинейными штрихами//Ж. при-кладн. спектроскоп. 1977. - Т.27. - Вып.2. - С.342-343.

30. Соколова Е.А., Малешин М.Н. Расчет хода луча в спектральных приборах со стигматическими вогнутыми дифракционными решетками/Юптико-механическая промышл. 1991. - № 6. - С.36-38.

31. Пейсахсон И.В. Аберрации вогнутых дифракционных решеток, получаемых наклоном оси качания резца//Опт. и спектр.- 1992. Т.73. - Вып.6. -С.1225-1228.

32. Noda Н., Namioka Т., Seya М. Ray-tracing through holographic gratings//J. Opt.Soc. Amer. 1974. - Vol.64. - №8. - P. 1037-1042.

33. Welford W.T. Tracing skew rays through concave diffraction gratings // Opt. Acta.- 1962. Vol.9. - P.389-394.

34. Парицкая Г.Г., Медведев В.Е. Расчет хода лучей через оптические системы, содержащие голографические дифракционные решетки/Юптико-механическая промышл. 1975. - №3. - С.25-27.

35. Киселев Н.Г. Расчет хода лучей через произвольно ориентированную в пространстве голографическую дифракционную решетку/Юптика и спек-троск. 1980. - Т.48. - Вып.2. - С.352-357.

36. Ган М.А. Теория и методы расчета голограммных и киноформных оптических элементов: Методическое пособие.- Л.:ГОИ., 1984. 143 с.

37. Zernike F. Pieter Zeeman//Festshcrift. 1935. - Р.323-335.

38. Beutler H.G. The theory of the concave grating//J. Opt. Soc. Amer. 1945. -Vol.35.-№5.- P.311-350.

39. Namioka T. Theory of the concave grating//J. Opt. Soc. Amer. 1959. - Vol.49. - №5. - P.446-465.

40. Werner W. The geometrical optical aberration theory of diffraction grat-ing//Appl. Opt. Vol.6. - №10. - P.l691-1699.

41. Danielson A., Lindblom P. Focusing conditions of the spherical concave grating. I//Optik. 1974. - B.41. - H.4. - S.441-451.

42. Danielson A., Lindblom P. Focusing conditions of the spherical concave grating. II. Rowland Surfaces // Optik.- 1975.- B.41. H.5. - S.465-478.

43. Velzel C.H.F. A general theoiy of the aberrations of diffraction gratings and gratinglike optical instruments//J. Opt. Soc. Amer. 1976. - Vol.66. - №4. -P.346-353.

44. Щепеткин Ю.П. Асферические дифракционные решетки с одной плоскостью симметрии//Опт. и спектр. 1958. - Т.4. - Вып.З. - С.З83-395; Вып.4. -С.513-529.

45. Content D., Trout С., Davila P., Wilson M. Aberration corrected aspheric gratings for far ultraviolet spectrographs: conventional approach.//Appl. Opt. -1991. Vol.30. - №13. - P.801-806.

46. Namioka Т., Seya M., Noda H. Design and Performance of Holographic Concave Gratings//Jpn. J. Appl. Phys. 1976. - Vol.15. - P.l 181-1187.49.