автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методика расчета и технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток, записанных негомоцентрическими пучками

00461ВОВУ

На правах рукописи

БЕЛОКОПЫТОВ АЛЕКСЕИ АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ВОГНУТЫХ ГОЛОГРАММНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК, ЗАПИСАННЫХ НЕГОМОЦЕНТРИЧЕСКИМИ

ПУЧКАМИ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2010

1 4 0п7 т

004610589

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева и ФГУП НПО «Государственный институт прикладной оптики».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Павлычева Н.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ильин Г.И.

доктор физ-мат наук, профессор Козлов В.К.

Ведущая организация: Казанский физико-технический институт

им. Е.К. Завойского (КФТИ)

Защита состоится « 01 » ноября 2010 г. на заседании диссертационного совета Д212.079.06 в Казанском государственном техническом университете по адресу:

420015, г. Казань, ул. Толстого, д. 15, учебный корпус № 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета

Автореферат разослан « <2-<У » СС^-г-^ЛА-с^Я 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бердников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Анализ существующих оптических схем спектральных приборов показывает, что коррекционные возможности оптических схем с классическими дифракционными решетками практически исчерпаны, более перспективным является применение вогнутых неклассических дифракционных решеток, позволяющих создавать новые схемные решения.

Существенным недостатком классических вогнутых дифракционных решеток является наличие значительных аберраций: астигматизма, дефокусировки, меридиональной и сагиттальной комы. Изготовление вогнутых голограммных дифракционных решеток (ВГДР) при помощи сферических волновых .фронтов (запись точечными источниками) позволяет исправить дефокусировку, астигматизм и меридиональную кому. Однако для светосильных приборов и приборов с высокой дисперсией, качество изображения входной щели при использовании записи точечными источниками оказывается недостаточно, т.к. начинает сказываться влияние сагиттальной комы. Одним из наиболее эффективных средств повышения качества изображения, даваемого ВГДР в плоскости регистрации, является коррекция аберраций на стадии записи дифракционной решетки за счет намеренного искажения волновых фронтов лазерных пучков. Высокую степень коррекции аберраций обеспечивает запись ВГДР негомоцентрическими пучками, полученными, например, с помощью вогнутых зеркал (ВГДР 2-го поколения).

Объект исследования ВГДР с коррекцией аберраций и спектральные приборы на их основе.

Предмет исследования методы расчета, изготовления и контроля оптических характеристик ВГДР с коррекцией аберраций.

Цель работы Целью диссертационной работы является совершенствование методов расчета, изготовления и контроля ВГДР 2-го

поколения и разработка на их основе оптической системы спектрального прибора с улучшенными оптическими и эксплуатационными характеристиками.

Задачи работы Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ литературных данных для выявления наиболее перспективных методов расчета и изготовления ВГДР с оптимизированными аберрационными характеристиками.

2. Разработать программное обеспечение, отвечающее современным требованиям, для автоматизации расчетов схем записи ВГДР, оптических схем приборов на их основе и анализа их аберрационных характеристик. Провести расчет оптической схемы спектрографа и параметров голографирования для записи ВГДР 2-го поколения, провести анализ степени влияния параметров голографирования на аберрационные характеристики ВГДР.

3. Разработать методы и средства изготовления ВГДР 2-го поколения. Разработать методы и средства для технологического контроля оптических характеристик дифракционных решеток.

4. Провести математическое моделирование оптических свойств спектрографа на основе ВГДР, 2-го поколения. Изготовить ВГДР 2-го поколения и исследовать ее технические характеристики на макете спектрографа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана схема записи ВГДР 2-го поколения, предназначенной для работы в спектрографе на круге Роуланда, с пространственной частотой 3600 штр/мм с применением двух цилиндрических зеркал.

2. Теоретически обоснованы требования к погрешностям расположения оптических элементов голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения.

3. Разработана методика юстировки оптической схемы записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая выполнение требований к погрешностям установки оптических элементов.

4. Предложена методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью узкополосных голограммных фильтров.

Достоверность результатов подтверждается хорошим совпадением результатов расчетов с данными математического моделирования изображения спектра и экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в получении следующих результатов:

1. Создании современного программного обеспечения:

• пакет программ «УСБИ» для проведения расчетов оптических схем спектральных приборов и схем записи ВГДР;

• программа расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения;

2. Разработанные голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения, методика юстировки схем записи ВГДР 2-го поколения, измерительный стенд для технологического контроля оптических характеристик голограммных дифракционных решеток позволяют получать ВГДР с высокой степенью коррекции аберраций.

3. Рассчитана -оптическая схема малогабаритного эмиссионного спектрографа для анализа основных типов металлов, сплавов, горных пород и почв и схема записи ВГДР 2-го поколения для данного спектрографа.

гЗ-

4. Серийный выпуск спектроанализатора на основе разработанной оптической схемы спектрографа с ВГДР 2-го поколения может удовлетворить потребности производственных и исследовательских лабораторий в отечественных приборах с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

Реализация результатов работы, Теоретические и практические результаты диссертационной работы были внедрены и использованы в ФГУП НПО ГИПО, г. Казань. Разработанное программное обеспечение для автоматизации оптических расчетов применяется в учебном процессе на кафедре оптико-электронных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. Рассчитанная оптическая схема спектрографа легла в основу проектируемого ООО НПО «СЕТАЛ» спектроанализатора для эмиссионного анализа основных типов металлов, сплавов и почв.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Оптическая схема записи ВГДР 2-го поколения с пространственной частотой 3600 штр/мм на основе вогнутых цилиндрических зеркал, предназначенной для работы в спектрографе на круге Роуланда в диапазоне длин волн 190-360 нм.

2. Результаты расчета и анализа степени влияния погрешностей установки элементов схемы записи на аберрационные характеристики ВГДР 2-го поколения.

3. Методика юстировки схемы записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая выполнение требований к погрешностям установки оптических элементов схемы записи ВГДР 2-го поколения.

4. Методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных

решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью

узкополосных голограммных фильтров.

Личный вклад автора. Автором рассчитана схема записи ВГДР 2-го поколения, проведен анализ влияния погрешностей установки оптических элементов схемы записи на аберрационные характеристики спектрографа, проведено математическое моделирование спектрографа с ВГДР 2-го поколения. ВГДР 2-го поколения получена лично автором. Автором разработаны пакет программ «VGDR» и программа для расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения. При непосредственном участии автора разработаны голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения и измерительный стенд для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, проведены исследования оптических характеристик ВГДР. Автором предложен метод юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью узкополосных голограммных фильтров.

Апробация работы.Основные результаты работы докладывались на:

18-ой международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения г.Москва 2004г., Международной конференции "Прикладная оптика" г.Санкт-Петербург 2004г., Международной конференции «Прикладная оптика 2008» г.Санкт-Петербург 2008г., Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» г.Казань 2009г., Международной конференции X Харитоновские тематические научные чтения г.Саров 2008г., XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции г.Казань 2008 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, одобренных ВАК, 6 публикаций материалов докладов, из которых 5 на Международных конференциях и 1 на Всероссийской конференции, и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет: 139 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 48 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены основные научные результаты, выносимые на защиту, практическая ценность, апробация результатов, определены структура и объем работы, и приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе представлен анализ современного уровня развития спектрального приборостроения и производства дифракционных решеток, в том числе со скомпенсированными аберрациями, приводится классификация спектральных приборов и наиболее часто применяемые оптические схемы, обсуждаются достоинства и недостатки этих схем применительно к многоканальному фотоэлектрическому способу регистрации спектра, представлен обзор современных спектральных приборов, составленный на основе анализа публикаций в научно-технической литературе и информации, размещенной на МегпеЬсайтах крупнейших производителей спектрального оборудования, приводится классификация дифракционных решеток,

описываются способы и некоторые аспекты технологии их изготовления, приводится список крупнейших мировых производителей.

Проведенный анализ показал, что наиболее перспективной для построения спектроанализаторов с высоким разрешением является схема Пашена-Рунге (рис.1).

в

Р

Рис. 1. Схема установки вогнутой решетки Пашена-Рунге: I - источник света, Ь - линза, Б - щель, б - решетка, РР' - фокальная /

поверхность

Применение классических вогнутых дифракционных решеток не позволяет в полной мере использовать преимущества данной схемы и многоканального фотоэлектрического способа регистрации, так как вогнутые решетки обладают значительными аберрациями. Коррекция аберраций может быть достигнута путем изготовления решеток с криволинейным штрихами и переменным периодом. Среди дифракционных решеток с коррекцией аберраций наиболее широкими возможностями коррекции наряду с высокой технологичностью обладают вогнутые голограммные дифракционные решетки, записанные в негомоцентрических пучках (ВГДР 2-го поколения).

Во второй главе рассматриваются методы и средства проведения расчета параметров голографирования для записи ВГДР 2-го поколения, анализа качества изображения спектра и оптических схем спектрографов на их основе. Обоснована необходимость создания современного программного обеспечения для автоматизации расчетов.

Методы расчета оптических схем спектральных приборов с неклассическими дифракционными решетками основаны на минимизации отдельных членов разложения функции оптического пути вогнутой неклассической дифракционной решетки. Такую функцию называют также характеристической или аберрационной функцией.

Характеристическая функция имеет вид:

Ку,Г)= + ^ +¿4^ (1)

Коэффициент характеризует фокусировку лучей в меридиональной плоскости, 1^2 - в сагиттальной, Р3 характеризует меридиональную кому, -сагиттальную, Р5, Р7 характеризуют аберрации 3-го порядка. Равенство

^ = 0 (2)

является условием коррекции аберрации, характеризуемой этим коэффициентом.

Коэффициенты Р, для голограммной дифракционной решетки имеют вид:

г «У кХи (3)

л0

где М{ содержат параметры схемы, Я, содержат параметры голографирования, Я0 -длина волны записи.

Для автоматизации проведения расчетов с использованием современной вычислительной техники был разработан пакет программ «УОБЯ» позволяющий определять конструктивные параметры монохроматоров и спектрографов, при различных наборах начальных данных, рассчитывать коэффициенты голографирования, находить параметры голографирования ВГДР (классических, записанных точечными источниками и 2-го поколения), переходить от них к параметрам нарезки и наоборот, определять аберрационные характеристики ВГДР: классических, записанных точечными

источниками и 2-го поколения. Внешний вид интерфейса пакета программ «УС01Ъ> представлен на рис. 2.

мм.

Н- _ 1 »ГЭ

¡1Г— я

|™ •/. и

ея

|оиш>п киями |бхаю |сшж«| |<м'1<]1

|»>« |ил |>5«> 0«>"а

Рис. 2. Паке! программ «УОБЯ» С помощью пакета программ «УСБК» была рассчитана оптическая схема спектрографа на круге Роуланда, предназначенного для эмиссионного анализа основных типов металлов, сплавов и почв (рис.3, таблица 1). В качестве диспергирующего элемента применена вогнутая дифракционная решетка с пространственной частотой 3600 штр/мм, диаметром 50мм и радиусом кривизны подложки 501,2 мм, работающая в -1 порядке дифракции.

190 нм

360 нм

Рис. 3 Оптическая схема спектрографа на круге Роуланда: 1 - спектральная щель, 2 -вогнутая голограммная дифракционная решетка. 3 - кривая на которую фокусируется спектр

Анализ аберрационных характеристик схемы спектрографа (рис.4) показал, что применение ВГДР 2-го поколения позволяет существенно улучшить качество изображения спектральных линий.

X, нм 190 232,5 275 317,5 360

Ф', рад 0,014870 0,168668 0,326647 0,493680 0,677529

Ф',° 0,851985 9,663964 18,715510 28,285762 38,819528

о", мм 501,145 494,088 474,698 441,354 390,497

Астигматизм Сагиттальная кома

Рис. 4. Аберрации спектрографа с ВГДР различных типов: 1 - классическая ВГДР,

2 - ВГДР, записанная точечными источниками, 3 - ВГДР 2-го поколения В частности, применение ВГДР 2-го поколения позволяет на порядок снизить значения сагиттальной комы и астигматизма относительно классической ВГДР, а относительно ВГДР, записанной точечными источниками на два порядка снизить значение сагиттальной комы при приблизительно равных значениях астигматизма.

Проведен расчет параметров голографирования для записи ВГДР 2-го поколения (таблица 2).

Таблица 2

¡1 ¡1 ¿141 <15,

1,141972 -0,748179 208.400 367,344 357.829 1392,020

Исследовано влияние погрешностей установки оптических элементов схемы записи ВГДР на аберрационные характеристики спектрального прибора, что позволило обосновать технические требования к голография еской

установке для записи ВГДР 2-го поколения. Показано, что отклонение расстояний от расчетных значений сильнее всего влияет на величину сагиттальной комы. Кроме того, чем выше степень коррекции аберраций удается достигнуть в схеме записи, тем жестче допуски на расстояния до источников голографирования. Также, к резкому ужесточению допусков приводит увеличение апертуры ВГДР.

В рассматриваемом случае для ВГДР 2-го поколения условия коррекции аберраций выполняются при отклонении расстояний до источников голографирования от расчетных значений не более чем на 0,2 мм, допуск на угол между записывающими пучками при АТУ =0,1% составляет ~7 угловых минут.

В третьей главе описана разработанная голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения, в которой интерферирующие пучки формируются с помощью цилиндрических зеркал, рассмотрены вопросы сборки, юстировки схем записи, изготовления и контроля ВГДР 2-го поколения (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид голографической установки для записи голограммных дифракционных

решеток 2-го поколения

Топографическая установка представляет собой массивную виброзащищенную плиту с размещенными на ней узлами крепления оптических элементов и юстировочными механизмами: делительным столом с установленным на нем узлом крепления подложки (8), узлами крепления цилиндрических зеркал (6,7), поворотными зеркалами (2,3), светоделителем (1) и двумя узлами крепления микрообъективов и точечных диафрагм (4,5).

Установка позволяет записывать ВГДР, как на круглых, так и на прямоугольных подложках размерами, не превышающими 70 мм, с пространственной частотой штрихов от 400 до 3600 шт/мм.

Для расчета технологических параметров голографической установки при юстировке схемы записи ВГДР 2-го поколения разработана специализированная программа, которая позволяет рассчитывать основные параметры схемы, создавать отчеты, необходимые для сборки схемы записи и ведения отчетности, автоматически рисовать эскиз, отображающий ход лучей в схеме, снижающий вероятность возникновения технологических ошибок в процессе юстировки схемы.

Разработана методика юстировки голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая размещение оптических элементов схемы записи с выполнением необходимых допусков к погрешностям установки. Методика юстировки основана на применении подложек, идентичных тем, на которых будут записываться ВГДР, с выгравированным крестом в центре рабочей поверхности. Суть методики заключается в совмещении изображений креста, полученных при отражении от подложки лазерного пучка, идущего в одном плече схемы, с лазерным пучком, идущим ему на встречу во втором плече.

Для контроля оптических характеристик дифракционных решеток разработан измерительный стенд (рис.6), использующий многоканальную фотоэлектрическую регистрирующую систему, сопряженную с персональным

компьютером и методика проведения измерений. Конструкция стенда позволяет контролировать плоские, вогнутые, отражательные и пропускающие дифракционные решетки.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию изображения спектра в спектрографе с ВГДР 2-го поколения, а также экспериментальной проверке оптических характеристик спектрографа с ВГДР различных типов и сравнению результатов теоретического расчета с экспериментальными данными.

Достоверность результатов расчетов аберрационных характеристик спектрографа, проведенных с использованием пакета программ «УОБЯ» подтверждена результатами поверочных расчетов, выполненных в программе «626» (разработанной под руководством И.В. Пейсахсона, ГОИ, г. Санкт-Петербург).

На измерительном стенде для контроля оптических характеристик дифракционных решеток проведено макетирование оптической схемы

Предложена новая методика калибровки измерительных стендов и макетов спектральных приборов по длинам волн с помощью узкополосных голограммных фильтров. Конструкция голограммного узкополосного фильтра защищена патентом РФ на изобретение.

Рис. 6. Внешний вид измерительного стенда для технологического контроля оптических характеристик дифракционных решеток

спектрографа с ВГДР 2-го поколения. Получены эмиссионные спектры ртути высокого качества.

На изготовленном макете спектрографа проведен сравнительный анализ спектров железа, полученных с помощью ВГДР 2-го поколения (рис. 7а, 8а), и классической ВГДР (рис. 76, 86), также приведены спектры, полученные на спектрографе ДФС-458 с нарезной неклассической решеткой (рис. 7в, 8в).

I1

II

!

1 5

J

А

б)

ЛЛ

1_

.л]

в)

_б)

в)

Рис. 8. Участки эмиссионного спектра железа в районе 310 нм

Рис. 7. Участки эмиссионного спектра железа в районе 233 нм

Проведенные экспериментальные исследования показали, что спектрограф с ВГДР 2-го поколения обладает хорошим качеством изображения

спектральных линий и значительно меньшим (=5 раз) астигматизмом. Ширина аппаратной функции составила -27 мкм по всему рабочему спектральному диапазону. По спектральному разрешению прибор не уступает серийному спектрографу ДФС-458, при существенно меньших (в 5-6 раз) массогабаритных характеристиках. Аберрационные характеристики хорошо согласуются с данными теоретического расчета.

Разработанная оптическая схема спектрографа также может быть использована для создания спектроскопической аппаратуры, предназначенной для проведения исследований в области вакуумного ультрафиолета и лазерной спектроскопии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках работы получены следующие результаты:

1. Проведенный анализ литературы, посвященной спектральному приборостроению и производству элементов дифракционной оптики показал, что ВГДР становятся основным диспергирующим элементом современных спектроанализаторов. Однако коррекционные возможности ВГДР 1-го поколения исчерпаны, дальнейшее повышение технических характеристик приборов возможно с применением ВГДР 2-го поколения.

2. Разработано программное обеспечение, включающее в себя:

• комплекс программ УвВИ для проведения расчетов оптических схем спектральных приборов и схем записи ВГДР,

• программа расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения.

3. Рассчитаны оптическая схема эмиссионного спектрографа на круге Роуланда и схема записи ВГДР 2-го поколения с пространственной частотой 3600 штр/мм для него. Показано, что применение ВГДР 2-го поколения в данной

схеме позволяет одновременно уменьшить значения сагиттальной комы (на порядок) и астигматизма схемы (»5 раз).

4. Проведен анализ влияния погрешностей установки элементов схемы записи на аберрационные характеристики ВГДР и теоретически обоснованы требования к погрешностям сборки и юстировки схем записи.

5. Разработана специализированная голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения и методика ее юстировки, обеспечивающие заданные технические требования и. измерительный стенд для технологического контроля оптических характеристик дифракционных решеток.

6. Впервые предложена методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных приборов при помощи узкополосных голограммных фильтров.

7. Изготовлена ВГДР 2-го поколения с пространственной частотой 3600 штр/мм. Экспериментальные исследования ВГДР 2-го поколения в схеме спектрографа хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Белокопытов A.A., Павлычева Н.К., Селезнев В.А. Получение голограммных дифракционных решеток в негомоцентрических пучках // Оптический журнал. -Том 74. -№3. 2007. -С.60-64.

2) Белокопытов A.A., Шакиров Н.Ф. Спектрограф с голограммной дифракционной решеткой второго поколения // Оптический журнал. -Т. 77. №8. 2010 г. -С.61-66.

3) Белокопытов A.A., Буйнов Г.Н., Шигапова Н.М. Узкополосные голограммные фильтры как эффективное средство защиты фотоприемных устройств приборов ночного видения от воздействия мощных лазерных пучков // Прикладная физика -№5.2006. -с. 113 -115.

4) Белокопытов A.A. Голограммный фильтр. Патент РФ на изобретение №2376617 от 13.02.2008. Бюл. №35.

5) Белокопытов A.A. Спектрометр с голограммной дифракционной решеткой второго поколения. Сборник тезисов международной молодежной научной конференции "XVII Туполевские чтения", 26-28 мая 2009. г. Казань.

6) Белокопытов A.A., Буйнов Г.Н., Шигапова Н.М. Узкополосные голограммные фильтры как эффективное средство защиты фотоприемных устройств приборов ночного видения от воздействия мощных лазерных пучков // Тезисы докладов 18-ой международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения 25-28 мая 2004 г. -М. -с.148.

7) Белокопытов A.A., Вендеревская И.Г. Исследование люминесцентных свойств голограммных узкополосных фильтров на основе БХЖ // Международная конференция "Прикладная оптика" 18-22 октября 2004 г. -Санкт-Петербург. -Сборник трудов. -Том II. -с. 237

8) Белокопытов A.A., Вендеревская И.Г., Шигапова Н.М. Установки для регистрации отражательных голограмм // Сборник трудов международной конференции "Оптика 2007" 15-19 октября 2007 г. Санкт-Петербург.

9) Белокопытов A.A., Вендеревская И.Г., Лукин A.B., Сидорова Т.Б., Шигапова Н.М. Узкополосные голограммные фильтры (Notch-filters) с предельно высокой оптической плотностью для подавления мощных лазерных пучков в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Особенности изготовления и аттестации // Сборник тезисов докладов международной конференции X Харитоновские тематические научные чтения. 11-14 марта 2008г. -Саров. -с.209-212.

10)Белокопытов A.A., Вендеревская И.Г., Любимов А.И., Шигапова Н.М. Notch-фильтры как средство защиты от лазерного излучения // Сборник материалов XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. -Часть 2. -Казань 13-15 мая 2008. -С. 275.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печл. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ Н161.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10

Введение

Глава 1. Спектральные приборы

1.1. Спектральные приборы и их классификация

1.2. Современные спектральные приборы

1.2.1. Уникальные приборы и перспективные разработки

1.2.2. Серийные приборы

1.3. Дифракционные решетки

1.3.1. Классификация дифракционных решеток

1.3.2. Технология производства дифракционных решеток 44 Выводы

Глава 2. Спектрограф с вогнутой голограммной дифракционной решеткой 2-го поколения

2.1. Методика расчета параметров голографирования и аберрационных характеристик ВГДР 2-го поколения

2.2. Программное обеспечение для автоматизации расчетов

2.3. Расчет оптической схемы спектрографа, схем записи и аберрационных характеристик ВГДР 69 Выводы

Глава 3. Технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток 2-го поколения

3.1. Описание голографической установки

3.2. Программа расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения

3.3. Методика юстировки схемы для записи ВГДР 2-го поколения

3.4. Особенности экспонирования и обработки ВГДР

2-го поколения

3.5. Измерительный стенд для контроля оптических характеристик дифракционных решеток 104 Выводы

В настоящее время методы спектрального анализа широко применяются в различных областях науки и промышленности. Среди них металлургия; геология, химия, биология, медицина, криминалистика, фармацевтика, пищевая промышленность, мониторинг окружающей среды. До недавнего времени для решения широкого круга спектроскопических задач успешно применялись различные типы спектрографов, спектрометров и монохроматоров.

Развитие электроники привело к созданию мощной, компактной вычислительной техники - персональных, карманных компьютеров1, и ноутбуков. В то же время развитие технологии производства фотоприемных устройств привело к созданию миниатюрных многоканальных фотоприемников - фотодиодных линеек и матриц. Два этих фактора создали предпосылки для возникновения нового класса спектральных приборов - автоматизированных спектроанализаторов. Спектроанализатор это тип спектральных приборов, имеющий в своей основе оптическую систему спектрографа и регистрирующую часть на основе многоканального фотоприемника, сопряженного с компьютером. На сегодняшний день спектроанализаторы с многоканальными фотоприемниками фактически полностью вытеснили спектральные приборы с фотографической регистрацией и спектрометры.

Одной из важнейших частей любого спектрального прибора, определяющих его разрешение, рабочий спектральный диапазон, отношение сигнал/шум и другие технические характеристики, является диспергирующий элемент. Развитие технологий производства дифракционных решеток, и в частности голографии, практически вывело из употребления призменные приборы.

Анализ рынка современных спектральных приборов показывает, что жесткая конкуренция среди зарубежных производителей заставляет их постепенно отказываться от применения классических дифракционных решеток и активно; разрабатывать спектрометры, на основе вогнутых голограммных дифракционных решеток (ВГДР) с коррекцией аберраций. Российские производители значительно отстают в освоении этого направления.

Существенным . недостатком; классических вогнутых: дифракционных решеток является? наличие значительных аберраций: астигматизма, дефокусировки, меридиональной и сагиттальной комы. Запись, ВГДР при помощи* сферических волновых фронтов (запись точечными» источниками) позволяет исправить, дефокусировку, астигматизм- и меридиональную кому. Однако для; светосильных приборов и приборов с высокой дисперсией; качество • изображениям входной? щели при использовании записи; точечными источниками? оказывается' недостаточно, т.к. начинает сказываться, влияние сагиттальной комы. При использовании многоканальных фотоприемников серьезной проблемой может стать наличие астигматизма, значительно снижающего реальную светосилу прибора. Одним; из* наиболее эффективных средств повышения качества изображения;, даваемого ВГДР в плоскости регистрации, является коррекция аберраций, на стадии записи? дифракционной решетки за счет намеренного искажения волновых фронтов лазерных пучков. Высокую степень коррекции аберраций обеспечивает запись ВГДР негомоцентрическими пучками, полученными, например, с помощью вогнутых зеркал (ВГДР 2-го поколения).

С учетом вышеизложенного, задача по разработке методов расчета схем записи ВГДР 2-го поколения и технологии их изготовления является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является совершенствование: методов расчета, изготовления; и контроля ВГДР 2-го поколения т разработка на их основе оптической системы спектрального прибора с улучшенными оптическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи:

Г. Провести« анализ литературных данных, для выявления наиболее: перспективных; методов расчета и изготовления В ГДР с оптимизированными аберрационными характеристиками;

2. Разработать программное обеспечение, отвечающее .современным требованиям, для автоматизации расчетов схем записи ВГДР-. оптических схем приборов на их основе и анализа их аберрационных характеристик. Провести расчет оптической схемы спектрографа и параметров-голографирования для записи ВГДР 2-го поколения;, провести анализ/ степени влияния параметров голографирования на аберрационные характеристики ВГДР.

3. Разработать, методы и средства изготовления ВГДР 2-го поколения. Разработать методы и средства для; технологического контроля оптических характеристик дифракционных* решеток.

4. Провести математическое моделирование оптических свойств спектрографа на основе ВГДР 2-го поколения. Изготовить ВГДР 2-го поколения и исследовать ее технические характеристики на макете спектрографа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана схема записи ВГДР 2-го поколения, предназначенной для работы в спектрографе на круге Роуланда, с частотой 3600 штр/мм с применением двух цилиндрических зеркал.

2. Теоретически обоснованы требования к погрешностям расположения оптических элементов топографической установки для записи ВГДР 2-го поколения.

3. Разработана методика юстировки оптической; схемы записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая выполнение, требований, к. погрешностям установки оптических элементов. . • '; • • ' 7 4: Предложена методика, юстировки- и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов , с помощью узкополосных голограммных фильтров. •

Практическая ценность работы заключается в получении следующих результатов: •

1. Создании современного программного обеспечения:

• пакет программ' УСГЖ для проведения расчетов оптических схем спектральных приборов, и схем записи ВГДР;

• программа расчета технологических параметров голографической . установки для записи ВГДР 2-го поколения;

2. Разработанные голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения, методика юстировки схем записи ВГДР 2-го поколения, измерительный стенд для технологического контроля оптических характеристик голограммных дифракционных решеток позволяют получать ВГДР с высокой степенью коррекции аберраций.

3. Рассчитана оптическая схема малогабаритного эмиссионного спектрографа для анализа основных типов металлов, сплавов, горных пород и почв и схема записи ВГДР 2-го поколения для данного спектрографа.

4. Серийный выпуск спектроанализатора на основе разработанной оптической схемы спектрографа с ВГДР 2-го поколения может удовлетворить потребности производственных и исследовательских лабораторий в отечественных приборах с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Оптическая схема записи ВГДР 2-го поколения с частотой 3600 штр/мм на основе, вогнутых цилиндрических зеркал, предназначенной для работы в спектрографе на;круге;Роуланда-в диапазоне длинволш 190-360 нм.

2. Результаты расчета и анализа степени влияния- погрешностей5 установки элементов схемы записи, на. аберрационные характеристики, ВГДР 2-го поколения:

3. Методика юстировки; схемы записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая выполнение требований к погрешностям установки оптических элементов схемы записи ВГДР 2-го поколения.

4. Методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик- , дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью узкополосных голограммных фильтров.

Личный вклад автора

Автором.рассчитана схема записи ВГДР 2-го поколения, проведен анализ влияния погрешностей установки оптических элементов схемы записи на аберрационные характеристики спектрографа, проведено математическое моделирование спектрографа с ВГДР 2-го поколения. ВГДР 2-го поколения получена лично автором. Автором разработаны пакет программ УОБИ и программа для расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР' 2-го поколения. При непосредственном; участии автора разработаны голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения и измерительный стенд для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, проведены исследования оптических характеристик ВГДР. Автором предложен метод юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля • оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью узкополосных голограммных фильтров.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Прикладная оптика 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (г. Казань, 2009 г.) и 3-х других международных и 1-ой всероссийской конференциях.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах одобренных ВАК, 6 публикаций тезисов докладов из которых 5 на Международных конференциях и 1 на Всероссийской конференции и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет: 139 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 48 рисунков.

ВЫВОДЫ

На специально собранном макете спектрографа получены образцы спектров и проведен сравнительный анализ качества спектров при использовании трех типов дифракционных решеток. Результаты измерений, полученные на макете спектрографа, согласуются с результатами, полученными на измерительном стенде для контроля оптических характеристик дифракционных решеток. Проведенные экспериментальные исследования показали, что спектрограф с ВГДР 2-го поколения обладает хорошим качеством изображения спектральных линий и хорошим разрешением, не уступающим ДФС-458, при существенно меньших (в 5-6 раз) массогабаритных характеристиках. Аберрационные характеристики хорошо согласуются с данными теоретического расчета.

Основным результатом работы явилось осуществление автором цели . работы - разработки программных-средств автоматизации расчетов схем записи ВГДР, оптических схем приборов на основе ВГДР 2-го поколения- и анализа их аберрационных характеристик, и разработки технологии- изготовления ВГДР 2-го поколения.

В рамках работы получены следующие результаты:

1. Проведенный анализ литературы, посвященной спектральному приборостроению» ш производству элементов дифракционной" оптики показал, что ВГДР становятся основным, диспергирующим элементом современных спектроанализаторов. Однако коррекционные возможности ВГДР 1-го поколения исчерпаны, дальнейшее повышение технических характеристик приборов возможно с применением ВГДР 2-го поколения.

2. Разработано программное обеспечение, включающее в себя:

• комплекс программ УСБИ для проведения расчетов оптических схем спектральных приборов и схем записи ВГДР,

• программа расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения.

3. Рассчитаны оптическая схема эмиссионного спектрографа на круге Роуланда и схема записи ВГДР 2-го поколения с частотой 3600 штр/мм для него. Показано, что применение ВГДР 2-го поколения в данной схеме позволяет одновременно уменьшить значения сагиттальной комы (на порядок) и астигматизма схемы («5 раз).

4. Проведен анализ влияния погрешностей установки элементов схемы записи на аберрационные характеристики • ВГДР и теоретически обоснованы требования к погрешностям сборки и юстировки схем записи.

5. Разработана специализированная голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения и методика ее юстировки, обеспечивающие заданные технические требования и измерительный стенд для технологического контроля оптических характеристик дифракционных решеток.

6. Впервые предложена методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных приборов при помощи узкополосных голограммных фильтров.

7. Изготовлена ВГДР 2-го поколения с частотой 3600 штр/мм. Экспериментальные исследования ВГДР 2-го поколения в схеме спектрографа хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов.

1. Павлычева Н.К. Спектральные приборы с неклассическими дифракционными решетками. -Казань: Изд-во Казан, гос. тех. ун-та. 2003.-197 с.

2. Скоков! И.В. Оптические спектральные приборы. -М.: «Машиностроение». 1984. -240 с.

3. Лебедева В.В". Техника оптической спектроскопии. -Mi: Изд-во Моск. ун-та. 1977. -384 с.

4. Зайдель A.Hi, Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практикаспектроскопии. -М.: «Наука». 1976.-392 с.

5. Сойер Р. Экспериментальная спектроскопия. ИЛ. 19533

6. Павлычева Н.К. Применение неклассических дифракционныхрешеток в оптических схемах спектрографов с плоской поверхностьюизображения: Дис. на соискание ученой степени кандидататехнических наук. Казань, 1980. — 165 с.

7. Futamata M., Takenouchi T., Katakura K. Highly efficient and aberration-corrected spectrometer for advanced Raman spectroscopy. Applied Optics. Y.41. № 22. 2002. P. 4655-4665

8. Савушкин A.B., Гусев В.Н., Карташева М.А., Кононова О.Н., Малешин М.Н. Разработка малогабаритного эмиссионного анализатора с пламенной атомизацией // Оптический журнал. -Т. 74. -№10,2007. -С. 71'

9. Герасимова' Н.Г. Спектрограф-монохроматор4 СП-212 // Оптический журнал. -Т.69. -№ 8; 2002. -С. 58-63.

10. Hinnen P.C., Stolte S., Hogervorst W., Ubachs U. JOSA В. V.15. №10. 1998. Р. 2620-2626.

11. Бужор A.B., Дягтерева Е.Д., Измайлова Д.Н., Павлычева Н.К. Исследование аналитических характеристик нового спектрографа с голографическими решетками // Известия АН МССР, серия физ.-техн. и мат. н. 1988. №1. С. 39-43.

12. Афанасьева В.Л., Бардин Б.Н., Мирумянц С.О., Нагулин Ю.С., Павлычева Н.К. и др. Малогабаритный спектрограф с голографическими вогнутыми решетками // ОМП. -1982. № 4. - С. 21-23.

13. Афанасьева B.JI., Гимушин И.Ф., Кадерова Г.Н., Павлычева Н.К. и др. Малогабаритный светосильный спектрограф // ОМП. 1986. -№2.-С.20-22.

14. Павлычева Н;К., Кит И.Е. Спектрограф для спектрального анализа' в • геологии // ОМП. 1988. № 6. - С. 27-29.

15. Павлычева Н.К., Гисматуллина С.П., Рахимов 3:В. Эмиссионные спектральные приборы для экологического мониторинга // Мониторинг.-1997.-№ 1.

16. Павлычева Н.К., Горбачев С.Ф., Демин А.П. и др. Малогабаритный' светосильный спектрометр на область спектра 200.1300 нм // Оптический журнал. 1996". -№ 1 Г. - С. 61-62.

17. Бажанов Ю.В. Определение оптимальных параметров дифракционных решеток в установках на круге Роуланда // Опт. и спектр. 1983. - Т.55 -С. 1053-1058.

18. Белокопытов A.A., Шакиров Н.Ф. Спектрограф с голограммной дифракционной решеткой второго поколения // Оптический журнал. — Т. 77. №8. 2010 г. -С.61-66.

19. Малышева H.B. Основные типы вогнутых голограммных дифракционных решеток // Известия вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». 2007. -№4. -С. 146-154.

20. ОСТ 3-4013-78. Решетки дифракционные. Типы, основные размеры и, параметры.

21. Palmer С. Theory of second-generation holographic diffraction gratings// J. Opt. Soc. Afner. 1989. Vol. A6. № 8. P. 1175-1178.

22. Duban M. Third generation Rouland Holographic mounting// Appl. Opt: 1991. Vol. 30. № 28. P. 4019-4025; 1999r Vol. 38. №16. P. 3443-3449.

23. Соколова E.A. Вогнутые дифракционные решетки, записанные во встречных пучках // Оптический журнал. — 1999. — Т.66, №12. С. 8893.

24. Павлычева Н.К. Голограммные дифракционные решетки 2-го и 3-го поколений в спектрографах Роуланда // Оптический журнал. 2002. — Т.69, №4. - С. 69-74.

25. Hutley М.С. Diffraction gratings. Academic Press, New York, 1982, 330 pp.

26. Palmer C. Diffraction gratings handbook. 2005. Newport corporation. 271p.

27. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А. Дифракционные решетки: В кн. Современные тенденции в технике спектроскопии. 1982, Новосибирск, -С. 24-94.

28. Palmer E.W. Diffraction gratings: Reports on Progress in Physics, 1975, Vol. 38, №8, P. 975-1048.

29. Карлов H.B. Лекции по квантовой электронике. -M. «Наука». 1983г. -320 с.

30. Под редакцией Колфилда Г. Априль Ж., Арсено А., Баласубраманьян Н. и др. Оптическая голография. -М. «Мир», 1982 г. -С. 381-400.

31. Под редакцией Соболева Г. А. Регистрирующие- среды для; изобразительной голографии и киноголографии. -Лен. «Наука» 1979.238 с. ' .'.■ ;

32. Nöda H., Namioka T., Seya M. Géométrie theory of the grating // JOSA. -1974. -Vol. 64.- №8. -P.1031-1042.

33. Nöda H., Namioka T., Seya M. Design of holographie concave gratings for Seya-Namioka monochromators // JOSA. 1974. - Vol. 64. - №8. - P: 1043-1048: ' *""'

34. Nöda H., Namioka T., Seya M. Posibility of using the holodraphic concave drating inivacuum monochromators // Science'of Eight. -1973. Vol. 22. -№K-P^77-99t ■ ■:. 'л: /

35. Бажанов Ю.В., Захарова Н.В. Вогнутые дифракционные решетки в астигматических пучках // Известия вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». -2009. -№6. -С.72-74.

36. Нагулин Ю.С., Павлычева H.K. Светосильный спектрограф с вогнутой голографической дифракционной решеткой // OMÏÏ. 1982. - № 5. - С. 20-31.

37. Афанасьева B.JI1, ГимушишИ.Ф., Кадерова Г.Н., Павлычева Н.К. и др. Малогабаритный светосильный спектрограф // ОМП. -1986. -№2.-С.20-22.

38. Кадерова Г. Н., Кит И.Е., Нагулин Ю.С., Павлычева Н.К. и др. Спектрограф для эмиссионного спектрального анализа // ОМП. -1987. -№ 8.-С.20-22.

39. Nazmeev M-., Pavlycheva N. New generation spectrographs // Opt. Eng. -1994. Vol. 33. - P. 2777-2782.

40. Устройство* для изготовления голограммных дифракционных решеток. А. С. № 1329430, 1985 / Павлычева Н.К., Нагулин Ю.С. Гимушин И.Ф. и др. (СССР).

41. Пейсахсон И.В. Математическое обеспечение расчета оптики спектральных приборов // Оптический журнал -Т.65 -№12 1998 -С.84-92.

42. Зайдель А.Н. Основы спектрального анализа. -М.: «Наука» Главная редакция физ.-мат. литературы. 1965. -322 с.

43. Белькевич Я.П. Руководство по спектральному анализу металлов. Судпромгиз, 1950 г. -205 с.

44. Белокопытов A.A. Голограммный фильтр. Патент РФ на изобретение №2376617 от 13.02.2008 Бюл. №35.

45. Belokopytov A.A., Buoynov G.N., Shigapova N.M. Narrowband hologram filters as an effective means for protecting night vision photodetectivedevices against high power laser beam exposure // Proc. Of SPIE Vol. 5834, p. 388-390

46. Пеплов A.A. Оценка качества изображения вогнутой дифракционнойголограммной решетки // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. -Казань.2003, №4, -с.55.