Высокоэффективные рельефно- и объемно-фазовые гологоаммные оптические элементы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

99-Ь /Я/Г?.....О

ФНПЦ НПО Государственный институт прикладной оптики

На правах рукописи

Лукина Татьяна Анатольевна

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ РЕЛЬЕФНО- И ОБЪЕМНО-ФАЗОВЫЕ ГОЛОГРАММНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

01.04.05 оптика

Научные руководители:

доктор технических наук, К.С. Мустафин, доктор технических наук, Н.К. Павлычева

Казань 1999

Оглавление:

Введение

Глава 1. Получение и исследование рельефно- и объемно-фазовых голограмм пых оптических элементов (ГОЭ)

1.1. Типовые схемы регистрации ГОЭ: пропускающих и отражательных го-лограммных дифракционных решеток (ГДР), селективных голограмм-ных зеркал (СГЗ) и голограммных узкополосных фильтров (ГУФ)----13

1.2. Спектральная чувствительность и разрешающая способность регистрирующих материалов: органических и неорганических фоторезистов, га-лоидосеребрянных фотослоев, незадубленных слоев БХЖ...........21

1.3. Основные требования к степени когерентности, спектральным и энергетическим параметрам лазерных источников......................32

1.4. Расчет энергетических и спектральных характеристик ГОЭ.........36

1.5. Выводы............................................I........53

Глава 2. Разработка методов и средств получения и аттестации высокоэффективных ГОЭ для УВИ - области спектра..................55

2.1. Голографические конаправленные схемы для получения ГОЭ......55

2.2. Выбор, регулирование и измерение степени временной и пространственной когерентности твердотельных лазерных источников.........64

2.3. Универсальная кювета для получения ГОЭ по конаправленной схеме Ю.Н. Денисюка с полным иммерсированием фотослоев.............74

2.4. Устройство для контроля фазовой микроструктуры ГОЭ в процессе ее формирования.................................................81

2.5. Автоматизированный комплекс для оперативного измерения спектральных характеристик ГОЭ с фотоэлектрической регистрацией и компьютерной обработкой результатов...............................90

2.6. Устройство для измерения пропускания и оптической плотности ГОЭ

аналитический обзор)

13

2.7. Выводы

.96 104

Глава 3. Получение и исследование различных типов ГОЭ для УВИ -

области спектра................... .............................106

3.1. Голограммные дифракционные решетки для УВИ - области спектра... .................................................:..........106

3.1.1. Рельефно-фазовые ГДР.................................... .106

3.1.2. Объемно-фазовые пропускающие ГДР........................112

3.2. Селективные голограммные зеркала...........................117

3.3. Голограммные узкополосные фильтры (Notch filters).............133

3.3.1. Выбор и расчет толщины слоев БХЖ.........................133

3.3.2. Измерение спектральных характеристик и оптической

плотности...............................................142

3.4. Термическая «доводка» спектральных характеристик.............144

3.5. Защита ГОЭ от окружающей среды............................146

3.6. Выводы....................................................151

Заключение....................................................152

Список литературы............................................155

ВВЕДЕНИЕ

Голографические методы открыли принципиально новые возможности получения голограммных аналогов известных оптических элементов -дифракционных решеток, линз, растров и др., а также создания элементов, не имеющих аналогов в классической оптике, например селективных зеркал, узкополосных фильтров (Notch filters).

Однако ограниченность дифракционной эффективности и относительно высокая себестоимость изготовления многих типов голограммных оптических элементов (ГОЭ) препятствует широкому использованию их в оптическом приборостроении.

Если первая проблема - повышение дифракционной эффективности ГОЭ - носит преимущественно научно-технологический характер, то вторая - снижение себестоимости - имеет значительную финансово - экономическую составляющую, поскольку для ее решения (для обеспечения устойчивого серийного выпуска большинства типов ГОЭ), как правило, требуется весьма дорогостоящее оборудование и аппаратура: кондиционированные технологические помещения с жесткими требованиями к поддержанию заданной температуры и влажности, мощные высококогерентные лазерные источники излучения, специальная технологическая оснастка для синтеза, экспонирования и проявления фоточувствительных слоев, высокоразрешающая спектральная аппаратура с фотоэлектрической регистрацией и оперативной компьютерной обработкой результатов оптических измерений и т.п.

Именно из-за нерешенности этих проблем многие перспективные технические решения на основе ГОЭ, предложенные и убедительно обоснованные еще 15 -20 лет назад, до сих пор не получили достаточно широкой практической реализации. Это, прежде всего, несколько типов ГОЭ на ос-

нове «толстых» незадубленных слоев БХЖ с регистрацией по схеме Ю.Н. Денисюка: узкополосные голограммные фильтры (Notch filters) для ультра фиолетовой, видимой и ближней ИК областей спектра (часто этот спектральный диапазон для краткости обозначают аббревиатурой УВИ), голограммные селекторы для перестраиваемых лазеров на красителях, дихроич-ные голограммные зеркала, разнообразные устройства визирования и прицеливания, а также так называемые «гризмы» - пропускающие голограммные решетки, установленные между двумя идентичными призмами.

Исключение здесь, по-видимому, составляют лишь отражательные голограммные дифракционные решетки (ГДР), где названные проблемы были успешно решены в 70х-80х - годах практически одновременно в нашей стране (ГОИ, ГИПО, JIOMO) и за рубежом (фирмы Jobin Ivon, Optometrics, Spectrogon, Shimadzu corporation). Они находят широкое применение в современном спектральном приборостроении, заняв не только свои «ниши», но и ощутимо потеснив соответствующие классические нарезные решетки.

К моменту постановки данной работы в литературе встречались сообщения о возможности изготовления практических всех названных выше типов ГОЭ с рекордными значениями отдельных характеристик, однако практически полностью отсутствовала информация: как выполнить требования одновременно ко всем основным оптическим и эксплуатационным параметрам и, главное, как обеспечить удовлетворительный для практики процент «выхода годного» этих изделий.

В связи с этим возникла актуальная проблема, решаемая в настоящей диссертации - на основании тщательного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований выявить наиболее эффективные схемные решения и принципы построения производительной технологической цепочки изготовления и аттестации ГОЭ и реализовать их в первую очередь для тех типов ГОЭ, которые, благодаря своим явным техническим и

эксплуатационным преимуществам по сравнению с классическими аналогами, обещают наиболее быстро окупить затраты на разработку технологии и организацию их серийного выпуска. На стр. 7 схематично представлена типовая технологическая цепочка получения и аттестации ГОЭ на незадуб-ленных слоях БХЖ. Усилия автора в ходе выполнения работы были направлены на выбор и оптимизацию технологических режимов по всем звеньям этой цепочки, причем особое внимание было уделено вопросам совершенствования технологии нанесения и обработки фотослоев, выбору и исследованию голографических схем, созданию прецизионных и производительных измерительных методов и средств

Цель работы:

Поиск, разработка и исследование комплекса воспроизводимых, экономичных и производительных методов, средств и технологических процессов получения высокоэффективных пропускающих программных дифракционных решеток (ГДР) и узкополосных голограммиых фильтров (ГУФ) для УВИ - области спектра.

Первыми в ряду таких ГОЭ располагаются пропускающие голограмм-ные дифракционные решетки, получаемые на слоях БХЖ «средней» толщины (10-50 мкм), которые, в частности, являются основными оптическими компонентами относительно нового класса диспергирующих элементов -«гризм», сочетающих в себе одновременно дисперсионные свойства классических призм и пропускающих дифракционных решеток.

С ними соседствуют узкополосные голограммные фильтры (Notch filters), которые превосходно зарекомендовали себя в лазерной спектроскопии, а также как эффективное средство защиты фотоприемных устройств различного назначения и органов зрения операторов, от воздействия мощных лазерных пучков. Они не имеют классических аналогов по реально дос-

о

тижимой величине подавления Релеевского лазерного рассеяния (до 10 ) и

Типовая технологическая цепочка получения и аттестации ГОЭ

полуширине полосы подавления (до 5 нм) в видимой и ближней ИК областях спектра. Эти фильтры изготавливаются на «толстых» (толщиной до 250 мкм) слоях БХЖ. Именно этим обстоятельством и обусловлены исключительно жесткие требования ко всем звеньям технологической цепочки их получения., а также очень низкий процент «выхода годного» этих изделий.

Решение поставленной задачи потребовало:

1. Поиска, исследования и оптимизации голографических конаправ-ленных и контрнаправленных схем получения ГОЭ с учетом спектральных характеристик и когерентных свойств применяемых лазерных источников света.

2. Разработки расчетных методов и средств оперативного измерения энергетических и спектральных характеристик ГОЭ.

3. Разработки и усовершенствования ряда технологических процессов, специального технологического оборудования, оснастки и средств измерений для получения и аттестации различных типов рельефно- и объемно-фазовых ГОЭ.

4. Получения и исследования ряда образцов различных типов ГОЭ, пригодных для использования в УВИ - области спектра.

Научная новизна.

1. Предложен комплексный подход к расчету, изготовлению и аттестации высокоэффективных пропускающих ГДР и голограммных узкополосных фильтров на незадубленных слоях БХЖ.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что «паразитные» осцилляции краев спектральной кривой узкополосных голо-граммных фильтров и асимметризация ее формы обусловлены влиянием оптических неоднородностей регистрирующих слоев по толщине.

3. Предложены и исследованы с положительным результатом новые схемы регистрации ГОЭ на основе дифракционных решеток (пропускаю-

щих и отражательных), предъявляющие пониженные требования к степени когерентности лазерных источников и отличающиеся чрезвычайно высокой виброустойчивостью.

4. Впервые проведены систематические комплексные исследования влияния параметров окружающей среды на оптические характеристики ГОЭ, получаемых на «толстых» (толщиной до 250 мкм) незадубленных слоях бихромированной желатины для всех звеньев технологической цепочки (нанесение фотослоя на подложку, экспонирование, физико-химическая обработка, термическая «доводка» спектральной характеристики); на этой основе сформулированы требования к ним.

5. Впервые экспериментально показана и обоснована возможность получения высококачественных ГОЭ на «толстых» незадубленных слоях БХЖ с помощью импульсных и непрерывных неодимовых лазеров на второй гармонике (А,=532 нм).

6. Создан автоматизированный комплекс для оперативного измерения основных спектральных характеристик голограммных узкополосных фильтров с фотоэлектрической регистрацией и компьютерной обработкой результатов.

7. Теоретически и экспериментально показана возможность оперативного количественного контроля в режиме «реального времени» процесса формирования фазовой микроструктуры ГОЭ.

8. Разработана и опробована конструкция универсальной кюветы с вертикальным расположением экспонируемого фотослоя и отражателя для получения ГОЭ (по схеме Ю.Н. Денисюка) с полным иммерсированием фотослоев.

Новизна предложенных технических решений подтверждается двумя авторскими свидетельствами.

Практическая значимость:

1. Разработанный комплекс методов, средств и технологических процессов изготовления и аттестации ГОЭ на основе «толстых» незадуб-ленных слоев бихромированной желатины является основой для получения ГУФ и внедрен в опытное производство ГОЭ.

2. Получены и аттестованы высококачественные образцы голограмм-ных дифракционных решеток и узкополосных фильтров на слоях БХЖ с помощью твердотельных неодимовых лазеров (А.=532 нм).

3. Получены образцы ГДР и ГУФ с рекордно высокими значениями основных оптических характеристик: пропускающие ГДР для видимой и ближней ИК - областей спектра с дифракционной эффективностью не ниже 40 - 60 % во всем рабочем спектральном диапазоне и ГУФ с коэффициентом

о

подавления лазерного излучения К > 3-10 (оптическая плотность D >7,5).

4. Автоматизированный комплекс для оперативного измерения основных спектральных характеристик ГУФ с фотоэлектрической регистрацией и компьютерной обработкой результатов успешно применяется на практике при изготовлении рельефно-фазовых ГОЭ.

5. Результаты исследований и разработок использованы при организации в НПО ГИПО серийного выпуска высокоэффективных пропускающих ГДР и узкополосных голограммных фильтров (Notch filters) для УВИ -области спектра.

Автор выносит на защиту:

— системный подход к расчету, изготовлению и аттестации высокоэффективных пропускающих ГДР и узкополосных голограммных фильтров (Notch filters), на незадубленных слоях бихромированной желатины;

— оптимизированные схемы для получения ГОЭ, допускающие, в частности, использование низкокогерентных источников света, в том числе твердотельных лазеров;

— предложенные и оптимизированные в ходе работы методики и режимы синтеза, экспонирования, физико-химической обработки и температурной «доводки» фотослоев;

— технические решения, предложенные и реализованные в ходе работы:

1) автоматизированный комплекс для оперативного измерения спектральных характеристик ГОЭ с фотоэлектрической регистрацией и компьютерной обработкой результатов измерений в области спектра 200 -=-1100 нм;

2) устройство для контроля фазовой микроструктуры ГОЭ в режиме «реального времени»;

3) универсальную кювету полного иммерсирования для получения ГОЭ по схеме Ю.Н. Денисюка с вертикальным расположением экспонируемого фотослоя и отражателя.

Личный вклад автора.

Автором предложены и экспериментально исследованы варианты схем регистрации ГОЭ с пониженными требованиями к степени когерентности лазерных источников и уровню вибраций; конструкция универсальной и безопасной для оператора кюветы полного иммерсирования с вертикальным расположением фотослоя и отражателя; функциональная и принципиальная оптическая схемы автоматизированного комплекса для оперативного измерения спектральных характеристик ГУФ и алгоритм осуществления измерений и обработки их результатов; оптическая схема макета устройства для оперативного контроля формирования фазовой микроструктуры в режиме «реального времени». Под руководством автора выполнен цикл исследований возможности применения низкокогерентных источников лазерного излучения, в том числе твердотельного неодимового лазера (вторая гармоника Х=532 нм) для получения высокоэффективных ГОЭ. Автор принимал участие во всех этапах комплексных исследований по всей

технологической цепочке получения различных типов ГОЭ на незадублен-ных слоях бихромированной желатины.

Апробация работы и публикации:

Результаты работы были доложены на международных конференциях: «Прикладная оптика -96», «Прикладная оптика -98», «IX Conference on Laser Optics -98» (Санкт - Петербург), «Correlation Optics» (Черновцы, 1997), на 5-ой и 6-ой Всесоюзных конференциях по голографии (Рига, Витебск), XX и XXIV Школах по голографии (Черновцы, Ярославль), на нескольких отраслевых семинарах по лазерной, голограммной и дифракционной оптике, по изготовлению прецизионных оптических элементов (Москва, С.Петербург, Казань), «Лазеры в Поволжье» (Казань).

По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы.

Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунков, 1 таблицу и 151 библиографическую ссылку.

Глава 1. Получение и исследование рельефно- и объемно-фазовых голограммных оптических элементов (ГОЭ) (аналитический обзор)

В этой главе кратко рассмотрим известные из литературы типовые принципиальные схемы голографирования, проанализируем их достоинства и недостатки; рассмотрим наиболее часто используемые в голографическом эксперименте регистрирующие среды и источники лазерного излучения, а также более подробно остановимся на вопросах расчета энергетических и спектральных характеристик ГОЭ, акцентируя внимание на пропускающих голограммных дифракционных решетах и голограммных узкополосных фильтрах.

1.1. Типовые схемы регистрации ГОЭ: пропускающих и отражательных голограммных дифракционных решеток (ГДР), селективных голограммных зеркал (СГЗ) и голограммных узкополосных фильтров (ГУФ).

После опубликования в 1961 году предложенной Э. Лейтом и Ю. Упатниексом «двухлучевой» голографической схемы [1], которая затем впервые ими же была реализ