автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методики расчета оптических схем спектральных приборов на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций

На правах рукописи

МУСЛИМОВ ЭДУАРД РИНАТОВИЧ

МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ ПРОПУСКАЮЩИХ ВОГНУТЫХ ГОЛОГРАММНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК С КОРРЕКЦИЕЙ АБЕРРАЦИЙ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 НОЯ 2013

Казань 2013

005541280

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) на кафедре «Оптико-электронные системы».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Павлычева Надежда Константиновна

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Воронов Виктор Иванович,

профессор кафедры Радиоэлектронных и квантовых устройств КНИТУ-КАИ, г. Казань

кандидат физико-математических наук, Любимов Александр Иванович, старший научный сотрудник ОАО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», г. Казань

Казанский физико-технический институт им. Е. К. Завойского, Казанского научного центра Российской академии наук, г. Казань

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.06 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева-КАИ по адресу 420015, г.Казань, ул. Толстого, д. 15, учебный корпус № 3, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации (référât vak@mon.gov.mt и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «J2» ноября 2013 г.

Ученый секретарь .--n Т

диссертационного совета " Бердников Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ существующих спектральных приборов и опубликованных научных работ, посвященных их разработке и применению, показывает, что требования к их функциональным и эксплуатационным характеристикам неуклонно возрастают. Эти характеристики определяются, в основном, оптической схемой прибора и не могут быть обеспечены при использовании известных схемных решений. Следовательно, возникает необходимость в разработке новых оптических схем.

Абсолютное большинство современных спектральных приборов базируется на отражательных дифракционных решетках. При этом наиболее совершенным оптическим элементом, используемым в современных спектральных приборах, следует считать отражательную вогнутую голограммную дифракционную решетку (ВГДР). Такая решетка имеет диспергирующие и фокусирующие свойства, может быть единственным элементом в оптической схеме прибора, обладает широкими возможностями коррекции аберраций и рядом функциональных и технологических преимуществ. Расчет и реализация оптических схем на основе ВГДР отражены, например, в работах таких авторов, как Т. Namioka, М. Seya, М. Hutley, С. Palmer, Е. Loewen, И.В. Пейсахсон, Н.К. Павлычева, Ю.В. Бажанов, Е.А. Соколова, А.И. Любимов и др.

Большая часть перечисленных преимуществ сохраняется и в том случае, если решетка работает на пропускание. Более того, использование пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки (ПВГДР) открывает новые возможности проектирования оптических схем, недоступные в схемах с отражательными решетками, в частности, позволяет реализовать схему прямого видения, сократить габариты спектрального прибора, ввести дополнительную коррекцию аберраций и, в ряде случаев, повысить дифракционную эффективность. Указанные преимущества могут быть использованы при создании приборов для решения широкого круга задач спектрального анализа (в научных исследованиях, производстве, сельском хозяйстве, здравоохранении и т.п.)

Однако до настоящего времени использование пропускающих голограммных решеток ограничивалось оптическими системами для решения узкоспециальных задач. Не были развиты теория формирования изображения пропускающей вогнутой голо-граммной решеткой и методики расчета оптических схем на ее основе.

Объектом исследования являются спектральные приборы с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками.

Предмет исследования - оптические схемы спектральных приборов на базе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток и методики их расчета.

Целью работы является расширение функциональных возможностей спектральных приборов за счет использования оптических схем на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций.

Научной задачей диссертации является разработка методик расчета оптических схем спектральных приборов на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций.

Решение поставленной задачи проводилось по следующим основным направлениям:

1. Теоретическое исследование аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР; определение отличительных особенностей данного оптического элемента и возможности его использования в оптических схемах спектральных приборов.

2. Разработка методик расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР с коррекцией аберраций.

3. Расчет и компьютерное моделирование конкретных оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР.

4. Разработка спектральных приборов на основе рассчитанных оптических схем с ПВГДР и экспериментальное подтверждение их основных характеристик

Методы исследования. Для описания аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР используется ее аберрационная (характеристическая) функция. Методики расчета оптических схем основаны на минимизации отдельных членов аберрационной функции. Для проведения расчетов по разработанным методикам используются математический пакет MathCad и прикладные программы, написанные на языке Delphi7. При проведении поверочного компьютерного моделирования оптических схем используются программные пакеты Zemax, Code V, MatLab, KvantSP.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методики расчета различных вариантов оптических схем

спектральных приборов на основе ПВГДР:

- схемы спектрографа с плоским полем,

- схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,

- схемы двухканального спектрографа,

- схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,

- схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,

- схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.

2. Разработаны оптические схемы спектральных приборов на основе ПВГДР:

- компактного спектрографа с плоским полем для видимой области спектра;

- малогабаритного спектрографа в монолитном конструктивном исполнении для видимой и ближней инфракрасной областей спектра;

- компактного двухканального спектрографа для ближней ультрафиолетовой и коротковолновой видимой областей спектра;

- спектрографа для видимой области спектра, встроенного в проекционный объектив;

- спектрографа с коррекцией астигматизма на основе ПВГДР и сферического клина-компенсатора для видимой области спектра;

- компактного спектрографа с плоским полем на основе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью для видимой области спектра.

3. Разработана методика расчета схемы записи голограммной решетки 3-го поколения с помощью вспомогательных ПВГДР.

Достоверность результатов подтверждается согласованием теоретических расчетов с результатами компьютерного моделирования, проводившегося с помощью различных программ, и с экспериментальными данными, а также получением патента РФ на изобретение на вариант разработанной методики расчета схемы спектрографа с ПВГДР.

Практическая ценность работы.

1. Разработан макетный образец спектрографа с плоским полем для диапазона 400-800 нм, обеспечивающий спектральное разрешение до 0,73 нм и отличающийся небольшими габаритами и простотой конструкции.

2. Разработан опытный образец двухканального спектрографа для диапазона 278-560 нм, обеспечивающий спектральное разрешение до 0,14 нм в ультрафиолетовом диапазоне и 0,37 нм в видимом диапазоне и отличающийся высокой компактностью и простотой конструкции.

3. Предложенные методики расчета оптических схем могут быть использо-

ваны при разработке новых спектральных приборов, отличающихся малыми габаритами, простотой конструкции и расширенными функциональными возможностями.

4. Разработан пакет прикладных программ TCHDG Design, реализующий предложенные методики расчета.

Реализация результатов работы:

- Предложенные методики расчета оптических схем использованы в ОАО «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (ОАО «НПО ГИПО», Казань) при выполнении заказов отечественных и зарубежных фирм.

- Спектрограф с плоским полем на основе ПВГДР включен в состав учебно-методического лабораторного комплекса «Основы дифракционной оптики и голографии», разработанного в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ в рамках выполнения государственного контракта от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0557. Спектрограф успешно используется на кафедре Оптико-электронных систем КНИТУ-КАИ при проведении лабораторных работ.

- Оптическая схема двухканального спектрографа с ПВГДР использована при выполнении работ по созданию малогабаритного двухканального спекгроанализатора в ООО «Научно-производственный экологический центр «Экоцентр».

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Методики расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на базе ПВГДР:

- схемы спектрографа с плоским полем,

- схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,

- схемы двухканального спектрографа,

- схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,

- схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,

- схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.

2. Оптические схемы спектральных приборов на основе ПВГДР:

- спектрографа с плоским полем для диапазона 400-800 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,59 нм и отличающегося конструктивной простотой и компактностью;

- малогабаритного спектрографа в монолитном конструктивном исполнении для диапазона 450-900 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,68 нм и пространственное разрешение до 29 мкм при повышенной устойчивости к воздействи-

ям внешней среды;

- компактного двухканального спектрографа, позволяющего одновременно регистрировать спектры в ультрафиолетовом диапазоне 278-400 нм со спектральным разрешением до 0,13 нм и видимом диапазоне 400-560 нм со спектральным разрешением 0,34 нм;

- спектрографа, встроенного в проекционный объектив, позволяющего одновременно регистрировать изображение объекта с пространственным разрешением до 58,8 мкм и спектр его излучения в диапазоне 434-656 нм со спектральным разрешением до 0,25 нм;

- спектрографа с исправленным астигматизмом на базе ПВГДР и сферического клина-компенсатора для диапазона 400-700 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,23 нм и пространственное разрешение до 19 мкм;

- спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР для диапазона 400-800 нм с повышенной дифракционной эффективностью.

3. Методика расчета схемы записи вогнутой голограммной решетки с помощью вспомогательных ПВГДР и схема записи решетки 2800 штр/мм, работающей в области 200-285 нм, отличающаяся малыми аберрациями формируемых записывающих пучков, относительной компактностью и конструктивной простотой.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих Международных и Всероссийских конференциях: Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2010, 2011 и 2012 гг.; Международная конференция «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2010 и 2012 гг.; Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в России, Регионы России - 2010», Муром, 2010 г.; VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2010 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР», Томск, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения», Казань, 2012 г.; X Международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях», Уфа, 2012 г.; П Всероссийская конференция «Будущее оптики» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин», Санкт-Петербург, 2013г.; 3rd EOS Conference on Manufacturing of Optical Components, Munich, 2013 г.; CIOMP-OSA Summer session on Optical engineering, Design and manufacturing,Changchun, 2013 г.; X Международная Конференция «ГолоЭкспо-2013», Москва, 2013 г.

Личный вклад автора. Автором получены основные аналитические соотношения, описывающие аберрационные и фокусирующие свойства пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки, разработаны методики расчета оптических схем спектральных приборов, проведен расчет и компьютерное моделирование оптических схем, разработана конструкция макетного образца спектрографа с плоским полем и опытного образца двухканального спектрографа, про ведена их сборка и настройка, а также выполнены основные экспериментальные исследования.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 3 статьи в изданиях из списка ВАК, 2 статьи в иностранных рецензируемых изданиях, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 14 публикаций материалов докладов, из которых 10 на Международных конференциях и 4 на Всероссийских конференциях, 2 публикации в сборниках материалов конкурсов научных работ и 1 учебно-методическое пособие.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет: 165 страниц машинописного текста, 22 таблицы, 63 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе приведен обзор оптических схем спектральных приборов и показано, что наилучшими оптическими характеристиками и эксплуатационными качествами обладают приборы с вогнутыми отражательными голограммными дифракционными решетками. Однако в ряде случаев их использование не обеспечивает необходимых функциональных возможностей, сопряжено с усложнением конструкции прибора или технологическими трудностями. Пропускающие вогнутые голограммные дифракционные решетки (ПВГДР) обладают рядом преимуществ, но до настоящего времени не нашли достаточного распространения в спектральных приборах широкого профиля. Теория формирования изображения такой решеткой, как и методики расчета оптических схем на ее основе, не была до настоящего времени развита.

ПВГДР представляет собой зарегистрированную на фоточувствительном материале интерференционную картину, полученную от двух точечных когерентных источников. Схема записи и работы такой решетки дана на рис. 1.

Для теоретического описания аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР использована ее аберрационная функция. Она представляет собой разложение в ряд функции оптического пути луча, вышедшего из центра входной щели и дифрагированного в произвольной точке на поверхности решетки:

2 2 3

0 2Л 2Я 2 2Я2

Рз +

уг гя1

8Я

2 2 4Я3

где Я - радиус поверхности решетки.

8Л

(1)

Рис.1. Совмещенная схема записи и работы ПВГДР

Каждый из коэффициентов в разложении (1) характеризует определенную аберрацию: F1 - аберрацию дефокусировки; Р2 - астигматизм; Fз - меридиональную кому; ^ - сагиттальную кому; F7 - аберрации третьих порядков. Равенство

коэффициента Р, нулю является условием коррекции соответствующей аберрации.

Можно записать условия коррекции основных аберраций (дефокусировки, астигматизма и меридиональной комы) на плоскости, перпендикулярной лучу средней длины волны, дифрагированному в вершине:

1 соє® , „

Д —+-- + Д

а я

я

БІП (р І СОБ (р ^ СОЭ (р

Л,

віп <р0' I сое

Я, =0,

ч.

Ло

-Н, = 0,

где

(2)

^ 2 фГ

здесь (¿'ер, ф'о) - полярные координаты точки фокусировки лучей средней длины волны, Х<) - длина волны записи, Н-, - коэффициенты голографирования. При известных значениях частоты штрихов в вершине N и длины волны записи Хо, из системы уравнений (2) можно определить значения Нъ Н2, Н3 и сГср, после чего найти координаты источников записи по известной методике. Решение системы (2) удается найти только для значений ¿<0. Это означает, что ПВГДР не обладает выраженными фокусирующими свойствами и должна устанавливаться в сходящемся пучке лучей, формируемом некоторой предшествующей оптической системой. Данная особенность ПВГДР открывает возможности построения новых оптических схем.

Предложены методики расчета оптических схем спектрографов с ПВГДР для различных вариантов компоновки и различных требований к основным характеристикам. Здесь и далее под расчетом оптической схемы понимается определение, как конструктивных параметров схемы, так и параметров голографирования ПВГДР, по заданному набору исходных данных.

Схема спектрографа с ПВГДР может быть выполнена в виде монолитной конструкции, в которой все элементы располагаются на поверхности единого блока из оптически прозрачного материала. В этом случае оптическая схема включает пропускающую решетку и зеркало, формирующие спектр на фотоприемнике. Методика расчета такой схемы модифицирована с учетом оптических свойств материала моноблока - коэффициенты разложения (1) включают его показатель преломления. Условия коррекции аберраций сходны с системой (2), однако астигматизм корректируется по всему спектру, а не только для средней длины волны. После расчета параметров решетки с помощью численной оптимизации определяется форма зеркала. Полученная оптическая схема позволяет создать спектрограф, отличающийся компактностью, высокой апертурой, высоким спектральным и пространственным разрешением, а также устойчивостью к воздействию внешних факторов.

Большой практический интерес представляет использование ПВГДР для построения схемы двухканального спектрографа. Первый канал такого прибора представляет собой спектрограф с плоским полем на основе отражательной вогнутой голограммной дифракционной решетки. ПВГДР устанавливается в сходящемся пучке, формируемом отражательной решеткой в нулевом порядке дифракции и позволяет регистрировать спектр во втором диапазоне длин волн. Методика расчета второго канала модифицирована с учетом влияния аберраций отражательной дифракционной решетки. Полученная схема проста и компактна, обеспечивает высокое спектральное разрешение и не содержит сменных и подвижных элементов.

Разработана методика расчета оптической схемы спектрографа с ПВГДР,

встроенного в изображающую оптическую систему. В этом случае в нулевом порядке дифракции решетка работает как обыкновенная линза и служит для коррекции аберраций в изображении наблюдаемого объекта. В первом порядке дифракции она формирует спектр, соответствующий центральной области объекта. Методика расчета схемы включает численную оптимизацию формы подложки ПВГДР и последующий аналитический расчет параметров решетки с учетом остаточных аберраций предшествующей оптической системы. Введение такого встроенного спектрографа в существующую оптическую систему практически не увеличивает общие габариты прибора, позволяет повысить качество изображения и создать дополнительный спектральный канал.

Разработана методика расчета оптической схемы спектрографа с коррекцией астигматизма. Для коррекции используется сферический клин, дополнительно вводимый в схему спектрографа с ПВГДР. Составной оптический элемент, полученный за счет соединения решетки и клина, приято называть гризмой. Методика расчета такой схемы заключается в последовательном определении параметров решетки и клина из простых аналитических соотношений. Полученная схема содержит минимальное количество оптических элементов и отличается высоким пространственным разрешением.

Вогнутые пропускающие дифракционные решетки могут применяться не только для формирования спектра, но и для создания пучков заданной конфигурации, например при записи голограммной решетки третьего поколения. В этом случае ПВГДР работает с действительным точечным источником, а ее параметры вычисляются из условий коррекции дефокусировки, меридиональной комы и сферической аберрации 3-го порядка для одной длины волны и равенства астигматизма заданному значению. Полученная схема записи отличается компактностью и простотой в юстировке в сравнении со схемами, базирующимися на отражательных элементах. Она обеспечивает запись отражательной решетки третьего поколения с исправленной сагиттальной комой и сферической аберрацией.

Все перечисленные методики расчета реализованы в виде пакета прикладных программ TCHDG Design.

Во второй главе описан расчет конкретных оптических схем спектральных приборов с ПВГДР с использованием разработанных методик и представлены результаты их компьютерного моделирования.

Рассчитана схема спектрографа с плоским полем для диапазона 400-800 нм на базе ПВГДР радиусом 200 мм с частотой штрихов 400 штр/мм (рис. 2). Обратная линейная дисперсия составляет 11,8 нм/мм, апертура - 0,05. Результаты компьютерного моделирования показывают коррекцию дефокуси-

ровки по всему спектру, астигматизма и меридиональной комы - на средней длине волны. Рассчитаны аппаратные функции (АФ) спектрографа. Линейный предел разрешения спектрографа определен как ширина АФ на половине ее высоты и равен 50,0; 72,0 и 67,2 мкм на длинах волн 600, 400 и 800 нм, соответственно.

Рис.3. Оптическая схема монолитного спектрографа: 1 - ПВГДР, 2 - моноблок из оптического стекла ЛКЗ,

3 - тороидальное зеркало,

4 - фотоприемник

Точечные диаграммы спектрографа (рис. 4) наглядно показывают достигаемую коррекцию аберраций.

Рис.2. Оптическая схема спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР: 1 - предшествующая оптическая система, 2 - ПВГДР, 3 - фокус сходящегося пучка, падающего на решетку, 4 — плоскость регистрации спектра

Рассчитана оптическая схема монолитного спектрографа для видимой и ближней ИК области 450-900 нм (рис. 3). Длина схемы составляет 28 мм, обратная линейная дисперсия - 45 нм/мм, диафрагменное число - 1,93. Материал оптического блока - стекло ЛКЗ. Радиус кривизны поверхности решетки равен 48,87 мм, частота штрихов в вершине - 583 штр/мм, радиусы поверхности зеркала в меридиональной и сагиттальной плоскостях - 215,56 и 299,87 мм.

Рис.4. Точечные диаграммы монолитного спектрографа

Разработана оптическая схема двухканального спектрографа (рис.5). Первый канал прибора строится на базе отражательной вогнутой голограммной дифракции-онной решетки радиусом 150 мм с частотой штрихов 1343 штр/мм и работает в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне 278-400 нм. Обратная линейная дисперсия равна 4,47 нм/мм, апертура - 0,05. Для компенсации остаточной дефокусировки в схему введена корректирующая цилиндрическая линза. Во втором канале используется ПВГДР радиусом 95 мм с частотой штрихов 700 штр/мм, работающая в видимом диапазоне 400-560 нм с обратной линейной дисперсией 13,5 нм/мм.

входная щель видимого канала, 6 - ПВГДР, 7- фогоприемник видимого канала

Предел разрешения УФ-канала спектрографа для центра и краев диапазона

составляет, соответственно, 30,0; 36,1 и 35,8 мкм (спектральное разрешение 5А, -0,13; 0,16 и 0,16 нм). Достигаемый предел разрешения видимого канала не хуже 25,4 мкм на всех длинах волн (5Х- 0,34 нм ± 1,5%).

Проведен расчет и компьютерное моделирование оптической схемы спектрографа, встраиваемого в проекционный объектив с фокусным расстоянием 110 мм, относительным отверстием 1:1,47 и линейным полем зрения 32,6 мм (рис.6).

Рис.6. Оптическая схема объектива со встроенным спегарографом: 1 - проекционный объектив, 2 - ПВГДР, 3 - плоскость регистрации изображения, 4 - плоскость регистрации спектра

Разрешение для средней точки поля зрения, удается повысил, с 14,4 до 17 шгр/мм. В первом порядке дифракции ПВГДР формирует спектр в области 434-656 нм с обратной линейной дисперсией 17,07 нм/мм. Достигаемый предел разрешения для средней и крайних длин волн равен 15,0; 15,4 и 15,8 мкм (5Х, - 0,25; 0,26 и 0,27 нм). При этом максимальные поперечные размеры точечных диаграмм на тех же длинах волн равны 15,8; 116,4 и 146,6 мкм.

Разработана оптическая схема спектрографа с гризмой в сходящемся пучке лучей (рис.7). Рабочий спектральный диапазон равен 400-700 нм, радиус поверхности решетки 150 мм, частота штрихов решетки 450 штр/мм, обратная линейная дисперсия 15 нм/мм. Угол сферического клина равен 13°18'4", а радиус его второй поверхности 142,115 мм.

155,0 /

.................. -------------------------------- / о! гчі

....... ......"о гч О _аі ^22°40'23" -----I Г 3

Рис.7. Оптическая схема спектрографа с гризмой в сходящемся пучке: 1 - предшествующая оптическая система, 2 - ПВГДР, 3 - сферический клин, 4 - плоскость регистрации спектра

Астигматическое удлинение изображения на краях спектра в такой схеме снижено в 5,5 и 1,7 раза по сравнению со спектрографом с одиночной решеткой. Показано, что с помощью численной оптимизации схемы можно повысить пространственное и спектральное разрешение и сделать схему осевой. Предел разрешения для оптимизированной схемы составляет 15,0; 15,9 и 15,0 мкм в центре и на краях рабочего диапазона (спектральное разрешение - 0,23; 0,24 и 0,23 нм). При этом поперечные размеры точечных диаграмм - 34,2; 19,1 и 32,4 мкм.

Предложен вариант использования ПВГДР для формирования пучков лучей заданной конфигурации. Разработана схема записи вогнутой отражательной голо-граммной решетки 3-го поколения с помощью вспомогательных ПВГДР. Записываемая решетка имеет частоту штрихов 2800 штр/мм и работает в области 200-285 нм. Решетка записывается на длине волны 441,6 нм с помощью двух вспомогательных ПВГДР с частотой штрихов 500 штр/мм. Каждая из ПВГДР выполнена на второй поверхности мениска и работает с точечным источником, удаленным на 105 мм от вершины его первой поверхности. Угол дифракции в обоих плечах равен 12°45'. Расстояние до точек фокусировки в меридиональной и сагиттальной плоскостях в первом плече составляет 125,0 мм и 210,78 мм, во втором плече -125,0 мм и 204,94 мм. Общие габариты схемы записи не превышают 310x268x17мм. Показано, что записываемая отражательная решетка практически свободна от сагиттальной комы и сферической аберрации 3-го порядка и обеспечивает спектральное разрешение 0,030; 0,033 и 0,026 нм в центре и на краях рабочего диапазона, соответственно.

В третьей главе диссертации рассмотрены вопросы расчета, оптимизации и моделирования дифракционной эффективности (ДЭ) толстых объемно-фазовых ПВГДР. Для оценки и оптимизации ДЭ пропускающей решетки, работающей в схеме спектрографа с плоским полем, используются соотношения теории связанных волн Когельника. Предложено два варианта методики оценки и оптимизации ДЭ пропускающей решетки. В первом из них в качестве коррекционного параметра при оптимизации используется угол падения излучения на решетку. Показано, что при его изменении в пределах (-10°; 10°) спектральное разрешение в схеме остается практически постоянным. В этом интервале ищется минимум оценочной функции:

/т( <Р) =

(4)

где т\(Х) -ДЭ на данной длине волны. Использование предложенной методики позволяет значительно повысить ДЭ пропускающей решетки и устранить минимумы ДЭ в рабочей области спектра, однако не гарантирует равномерной ДЭ по

всему рабочему диапазону. Этот вариант методики был реализован в виде прикладной программы и встроен в пакет TCHDG Design.

Во втором варианте методики расчета коррекционными параметрами помимо угла падения являются толщина регистрирующего слоя и глубина модуляции его показателя преломления. Оценочная функция имеет вид: X —X

—з—!-+ k2-o(X,y,ni,t) + Pi(t) + p2(ni')+ Рз(<?) + к9,

¡r\(X,<p,ni,t)dX

/m(<Ml.O = *l-

где р\0), Рг{п\), Рз(<р) - штрафные функции, ограничивающие значения толщины, глубины модуляции и угла падения, соответственно. Такой подход позволяет достичь высокой дифракционной эффективности во всем рабочем спектральном диапазоне. Пример кривой дифракционной эффективности, полученной для решетки с частотой штрихов 520 пггр/мм при угле падения 9'57" и параметрах слоя / = 12,8 мкм, п,= 0,0204 (1,34%), представлен на рис.8.

Я, нм

Рис.8. Зависимость дифракционной эффективности от длины волны

Полученные результаты были проверены с помощью моделирования ДЭ на основе метода элементарных решеток. Для определения ДЭ каждой элементарной решетки использовался вариант метода ЯС\¥А (строгий анализ связанных волн). Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с результатами аналитических расчетов. Расхождение результатов объяснено вкладом нерабочих порядков спектра, не учитываемых в теории Когельника.

В четвертой главе диссертации представлены разработанные спектральные приборы с ГТВГДР. Схема спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР реализована в виде макетного образца. Спектр в области 380-760 нм формируется с помощью объемно-фазовой ПВГДР 360 штр/мм, установленной в сходящемся пучке после проекционного объектива. Проведено две серии экспериментов. В ходе первой серии зарегистрирован спектр излучения ртутно-гелиевой лампы (рис. 9).

Экспериментальные значения обратной линейной дисперсии и предела разрешения на контрольных длинах волн согласуются с расчетными. Максимальное

расхождение экспериментального и расчетного значений предела разрешения составляет 7,6%. Форма зарегистрированных спектральных линий также соответствует расчетной.

I, отед.

16 000

12 000

8 000

4 000 0

330 3« 455 5 Г <80 643 705

Рис.9. Спектр излучения ртутно-гелиевой лампы

Во второй серии экспериментов с помощью цифрового микроскопа исследованы монохроматические изображения точечной диафрагмы. Измеренные значения астигматического удлинения изображения соответствуют результатам компьютерного моделирования.

Схема двухканального спектрографа с ПВГДР реализована в виде опытного образца (рис.10). Общие габариты прибора составляют 188x179x67мм.

Рис.10. Общий вид опытного образца спектрографа: 1 - входная щель, 2 - вогнутая отражательная решетка в оправе, 3 - фотоприемник первого канала в оправе, 4 - ПВГДР в оправе, 5 - фотоприемник второго канала в оправе, 6 - электронные платы фотоприемников с узлами крепления, 7 - основание

Проведена серия измерений, заключавшихся в регистрации эмиссионных спектров металлов (Н§, Хп, Сс1, Ре). Результаты измерений полностью согласуются с расчетными данными. Коррекция аберраций отражательной решетки первого канала

1

1 1 .....!••

—■ . .щ, .........А. л.. . .1 1 : -

в нулевом порядке за счет выбора параметров ПВГДР достигнута на практике. Таким образом, подтвержден один из важных принципов, используемых в методиках расчета оптических схем с ПВГДР. В двухканальном спектрографе обеспечивается достаточно высокая освещенность спектра, и отсутствуют паразитные засветки между каналами. Значения спектрального разрешения, найденные экспериментально, хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования.

Разработанный двухканальный спектрограф отличается малыми габаритами, простотой конструкции, высоким спектральным разрешением и эффективным использованием излучения. Данный прибор может быть использован для спектрального анализа металлов и сплавов, для решения задач технологического контроля и экологического мониторинга.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено теоретическое исследование аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР. На основе анализа аберрационной функции ПВГДР получены соотношения, описывающие ее аберрационные и фокусирующие свойства. Показаны различия аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР и вогнутой отражательной решетки.

2. Разработаны методики расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР с коррекцией аберраций:

- схемы спектрографа с плоским полем,

- схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,

- схемы двухканального спектрографа,

- схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,

- схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,

- схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.

Все разработанные методики расчета оптических схем реализованы в виде пакета прикладных программ TCHDG Design.

3. Предложена методика расчета усовершенствованной схемы записи вогнутых отражательных голограммных решеток в негомоцентрических пучках с помощью вспомогательных ПВГДР. Разработана схема записи высокочастотной голограммной дифракционной решетки для ультрафиолетовой области спектра.

4. Разработаны оптические схемы спектральных приборов с ПВГДР и соответствующие схемы записи голограммных решеток. Проведен расчет оптических схем и поверочное компьютерное моделирование каждой схемы, определены основные показатели качества изображения. Результаты моделирования показы-

вают эффективность разработанных методик.

5. Разработаны и исследованы спектрографы с ПВГДР: макетный образец спектрографа с плоским полем для видимого диапазона спектра и опытный образец двухканального спектрографа для ультрафиолетовой и видимой областей спектра. Показано, что значения дисперсии, спектрального разрешения и астигматического удлинения изображения согласуются с расчетными.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах: Публикации в российских рецензируемых изданиях:

1. Павлычева, Н.К. Спектрограф с плоским полем на основе вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки [Текст] / Н.К. Павлычева, Э Р. Муслимов // Вестник КГТУ им. Туполева. -2010. -№ 4. - С.61-67.

2. Муслимов, Э.Р. Теоретическое исследование свойств вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки [Текст] / Э.Р. Муслимов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. -№1. - С.1-6.

3. Павлычева, Н.К. Опыт использования комплекса «Основы дифракционной оптики и голографии» [Текст] / Н.К. Павлычева, А.ВЛукин, А.Н. Мельников,

3.Р. Муслимов, Н.А. Петрановский // Известия Высших Учебных Заведений. Приборостроение- 2013-№10. - С.100-101.

Публикации в зарубежных рецензируемых изданиях:

4. Pavlycheva, N.K. Compact dual-band spectrograph [Text] / N.K. Pavlycheva, E.R. Muslimov //Advanced Optical Technology - 2012. - Vol. 1, №. 6. - P.455-461.

5. Muslimov, E.R. Transmission holographie grating with improved diffraction efficiency for a flat-field spectrograph [Text] / E.R. Muslimov // Optical Technologies for Télécommunications 2012, edited by Vladimir A. Andreev, Vladimir A. Burdin, Albert H. Sultanov, Oleg G. Morozov, Proc. of SPIE, 2012 - Vol. 8787 - P. 87870B.

Патенты РФ на изобретение и полезную модель:

6. Пат. на изобретение 2457446 Российская Федерация, МПК7 G 01 В 3/00. Спектроскоп [Текст] / Н.К. Павлычева, Э.Р. Муслимов; заявитель и патентообладатель Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева. -№ 2010149170/28; заявл. 30.11.10 ; опубл. 27.07.12, Бюл. № 21. -7 с. : ил.

7. Пат. на полезную модель 105505 Российская Федерация, МПК7 G 09 В 23/22. Учебная установка для изучения спектральных свойств узкополосных голограммных фильтров (варианты) [Текст] / А.В.Лукин, А.Н.Мельников, Э.Р.Муслимов; заявитель и патентообладатель Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева. - № 2011100863/12; заявл. 12.01.11; опубл. 10.06.11, Бюл. № 16 - 2 с.:ил.

Публикации в других изданиях:

8. Muslimov, E.R. A built-in spectrograph with transmission concave holographic grating [Text] / E.R. Muslimov // Proceedings of 3rd EOS Conference on Manufacturing of Optical Components (EOSMOC-2013), Munich, May 13-15, 2013. EOSMOC2013_1569714597_005.

9. Muslimov, E.R. Optical schemes of spectrographs with transmission concave holographic gratings [Text] / E.R. Muslimov // Proceedings of CIOMP-OSA Summer session on Optical engineering, Design and manufacturing, Changchun, August 4-9,2013 - P. 1-3.

10. Муслимов, Э.Р. Теория пропускающей вогнутой дифракционной решетки [Текст] / Э.Р.Муслимов // Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в России», «Регионы России -2010», сборник тезисов докладов, Муромский институт Владимирского Государственного университета, 5 февраля 2010 г. - Муром: МИ ВлГУ, 2010 - С. 635-637.

11. Муслимов, Э.Р. Теоретическое исследование свойств вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки [Текст] / Э.Р. Муслимов // Сборник тезисов УП Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, 20-23 апреля 2010 года - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010 - T.2.- С.47-48.

12. Муслимов, Э.Р. Спектрограф на основе вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки [Текст] / Э.Р. Муслимов // XVIII Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 26-28 мая 2010 года: Материалы конференции. - Казань: КГТУ им. Туполева, 2010. - т.5. - С. 22-23.

13. Павлычева, Н.К. Малогабаритный спектроскоп на основе пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки [Текст] / Н.К. Павлычева, Э.Р. Муслимов // Сборник трудов IX Международной конференции «Прикладная оптика-2010», Санкт-Петербург, 18-22 октября 2010 года. - СПб.: СПбГТУ ИТМО,2010 - С.200-204.

14. Муслимов, Э.Р. Двухканальный эмиссионный спектрограф [Текст] / Э.Р.Муслимов // XIX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 24-26 мая 2011 года: Материалы конференции - Казань: КГТУ им. Туполева, 2011 - Т.5. - С.25-26.

15. Муслимов, Э.Р. Учебная установка по дифракционной оптике и спектроскопии [Текст] / Э.Р.Муслимов // Сборник научных работ «Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов «Инновационные технологии в образовательном процессе», сборник научных работ, НИУ БелГУ, Ноябрь 2011 г.Белгород: НИУ БелГУ, 2011 - Т.1. - С.263-272.

16. Вендеревская, И. Г. Основы дифракционной оптики и голографии [Текст] / И. Г. Вендеревская, А. В.Лукин, А. Н. Мельников, Э. Р. Муслимов, Н. К. Павлычева,

Н. А. Петрановский, Ю. А. Пряхин / Под общей редакцией д.т.н. Павлычевой Н. К. -Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2011.-184 с.

17. Муслимов, Э.Р. Усовершенствованная схема записи вогнутых голограммных дифракционных решеток третьего поколения [Текст] / Э.Р. Муслимов // Всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР-2012», Томск, 16-18 мая 2012 года: Материалы конференции. - Томск: В-Спектр, 2012. - 4.2. - С.42-46.

18. Муслимов, Э.Р. Компактный спектрометр высокого разрешения [Текст] / Э.Р. Муслимов, Р.Р. Ахметгалеева // XX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 22-24 мая 2012 года: Материалы конференции. - Казань: КГТУ им. Туполева, 2012. - Т.4.- С.25-27.

19. Лукин, А. В. Учебная установка для исследования спектральных свойств узкополосных голограммных фильтров [Текст] / A.B. Лукин, А.Н. Мельников, Э.Р. Муслимов // Материалы ежегодного республиканского конкурса «Лучшее изобретение года 2013». - Казань: ОИР, 2013. - С. 22-23.

20. Муслимов, Э.Р. Авиационный гиперспектрометр на базе пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки [Текст] / Э.Р. Муслимов // Современные технологии, материалы,оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения: Сборник докладов международной научно-практической конференции. T.IV. Казань, 14-16 августа 2012 года. - Казань: Изд-во "Вертолет", 2012.-С5-11.

21. Муслимов, Э.Р. Пропускающая вогнутая голограммная дифракционная решетка с повышенной дифракционной эффективностью в схеме спектрографа с плоским полем [Текст] / ЭР. Муслимов // X Международная конференция «Прикладная опти-ка-2012», СПб, 15 - 19 Октября 2012: Материалы конференции- СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - С.113-117.

22. Муслимов, Э.Р. Изображающий спектрометр с гризмой в сходящемся пучке лучей [Текст] / Э.Р. Муслимов, Р.Р. Ахметгалеева // X Международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях-2012», Уфа, 20 - 22 Ноября 2012: Материалы конференции. - Уфа.:УГАТУ, 2012. - С.67-69.

23. Муслимов, Э.Р. Монолитный спектрограф с пропускающей голограммной дифракционной решеткой [Текст] / Э.Р. Муслимов // П конференция «Будущее оптики» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин, », СПб, 2-3 апреля 2013: Материалы конференции. -СПб.: ОАО ТОЙ им. Вавилова, 2012. - С. 12-15.

24. Муслимов, Э.Р. Получение стигматических голограммных решеток на вогнутых подложках [Текст] / Э.Р.Муслимов, Ф.А. Сатгаров, Н.М. Шигапова// Голография. Наука и практика. Сборник трудов 10-й Международной конференции «ГолоЭкспо-2013». Москва, 17-18 сентября 2013 г. - М.: ООО «МНГС», 2013. - С.363-367.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл. печ.л. 1,16 Тираж 100. Заказ Б 130.

Типография КНИТУ-КАИ.

420111, г.Казань, ул. К.Маркса, 10

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА-КАИ

04201453608

На пюавах рукописи

I

МУСЛИМОВ ЭДУАРД РИНАТОВИЧ

МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ ПРОПУСКАЮЩИХ ВОГНУТЫХ ГОЛОГРАММНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК С КОРРЕКЦИЕЙ

АБЕРРАЦИЙ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Н.К. Павлычева

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ..................... 4

ГЛАВА 1 ..................... 11

Пропускающая вогнутая голограммная дифракционная решетка, теория и методики расчета оптических схем

1.1. Теория пропускающей вогнутой голограммной ..................... 18

дифракционной решетки

1.2. Методика расчета оптической схемы спектрографа с ..................... 23

плоским полем

1.3. Методика расчета оптической схемы монолитного ..................... 27

спектрографа

1.4. Методика расчета оптической схемы двухканального ..................... 31

спектрографа

1.5. Методика расчета оптической схемы встроенного ..................... 37

спектрографа

1.6. Методика расчета оптической схемы спектрографа с ..................... 40

гризмой в сходящемся пучке лучей

1.7. Методика расчета усовершенствованной схемы записи ..................... 44

голограммной решетки третьего поколения

1.8. Программная реализация методик расчета оптических ..................... 49

схем

Выводы по главе 1 ..................... 60

ГЛАВА 2 ..........................................61

Оптические схемы спектральных приборов с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками

2.1. Схема спектрографа с плоским полем ..........................................62

2.2. Схема монолитного спектрографа ..........................................70

2.3. Схема двухканального спектрографа ..........................................76

2.4. Схема встроенного спектрографа ..........................................83

2.5. Схема спектрографа с гризмой в сходящемся пучке лучей ..........................................88

2.6. Усовершенствованная схема записи голограммной ..................... 94

решетки третьего поколения

2.7. Сравнение разработанных оптических схем спектральных ..................... 102

приборов с прототипами

Выводы по главе 2 ..................... 104

ГЛАВА 3 ..................... 106

Исследование дифракционной эффективности пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки

3.1. Оценка и оптимизация ..................... 108

дифракционной эффективности

3.2. расчет и моделирование дифракционной эффективности ..................... 118

3.3. Программная реализация методики расчета ..........................................126

пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки с повышенной дифракционной эффективностью

Выводы по главе 3 ..........................................129

ГЛАВА 4 ..........................................130

Спектральные приборы с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками

4.1. Макет спектрографа с плоским полем ..........................................131

4.2. Опытный образец двухканального спектрографа ..........................................139

Выводы по главе 4 ..........................................149

Заключение ..........................................150

Список литературы ..........................................151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Анализ существующих спектральных приборов и опубликованных научных работ, посвященных их разработке и применению, показывает, что требования к их функциональным и эксплуатационным характеристикам неуклонно возрастают. Эти характеристики определяются, в основном, оптической схемой прибора и не могут быть обеспечены при использовании известных схемных решений. Следовательно, возникает необходимость в разработке новых оптических схем.

Абсолютное большинство современных спектральных приборов базируется на отражательных дифракционных решетках. При этом наиболее совершенным оптическим элементом, используемым в современных спектральных приборах, следует считать отражательную вогнутую голограммную дифракционную решетку (ВГДР). Такая решетка имеет диспергирующие и фокусирующие свойства, может быть единственным элементом в оптической схеме прибора, обладает широкими возможностями коррекции аберраций и рядом функциональных и технологических преимуществ. Расчет и реализация оптических схем на основе ВГДР отражены, например, в работах таких авторов, как Т. Namioka, М. Seya, М. Hutley, С. Palmer, Е. Loewen, И.В. Пейсахсон, Н.К. Павлычева, Ю.В. Бажанов, Е.А. Соколова, А.И. Любимов и др.

Большая часть перечисленных преимуществ сохраняется и в том случае, если решетка работает на пропускание. Более того, использование пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки (ПВГДР) открывает новые возможности проектирования оптических схем, недоступные в схемах с отражательными решетками, в частности, позволяет реализовать схему прямого видения, сократить габариты спектрального прибора, ввести дополнительную коррекцию аберраций и, в ряде случаев, повысить дифракционную эффективность. Указанные преимущества могут быть использованы при создании приборов для решения широкого круга задач спектрального анализа (в научных исследованиях, производстве, сельском хозяйстве, здравоохранении и т.п.)

Однако до настоящего времени использование пропускающих голограммных решеток ограничивалось оптическими системами для решения узкоспециальных задач. Не были развиты теория формирования изображения пропускающей вогнутой голограммной решеткой и методики расчета оптических схем на ее основе.

Объектом исследования являются спектральные приборы с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками.

Предмет исследования - оптические схемы спектральных приборов на базе

пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток и методики их расчета.

Целью работы является расширение функциональных возможностей спектральных приборов за счет использования оптических схем на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций.

Научной задачей диссертации является разработка методик расчета оптических схем спектральных приборов на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций.

Решение поставленной задачи проводилось по следующим основным направлениям:

1. Теоретическое исследование аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР; определение отличительных особенностей данного оптического элемента и возможности его использования в оптических схемах спектральных приборов.

2. Разработка методик расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР с коррекцией аберраций.

3. Расчет и компьютерное моделирование конкретных оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР.

4. Разработка спектральных приборов на основе рассчитанных оптических схем с ПВГДР и экспериментальное подтверждение их основных характеристик.

Методы исследования. Для описания аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР используется ее аберрационная (характеристическая) функция. Методики расчета оптических схем основаны на минимизации отдельных членов аберрационной функции. Для проведения расчетов по разработанным методикам используются математический пакет MathCad и прикладные программы, написанные на языке Delphi7. При проведении поверочного компьютерного моделирования оптических схем используются программные пакеты Zemax, Code V, MatLab, KvantSP.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методики расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР:

- схемы спектрографа с плоским полем,

- схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,

- схемы двухканального спектрографа,

- схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,

- схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,

- схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.

2. Разработаны оптические схемы спектральных приборов на основе ПВГДР:

- компактного спектрографа с плоским полем для видимой области спектра;

- малогабаритного спектрографа в монолитном конструктивном исполнении для видимой и ближней инфракрасной областей спектра;

- компактного двухканального спектрографа для ближней ультрафиолетовой и коротковолновой видимой областей спектра;

- спектрографа для видимой области спектра, встроенного в проекционный объектив;

- спектрографа с коррекцией астигматизма на основе ПВГДР и сферического клина-компенсатора для видимой области спектра;

- компактного спектрографа с плоским полем на основе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью для видимой области спектра.

3. Разработана методика расчета схемы записи голограммной решетки 3-го поколения с помощью вспомогательных ПВГДР.

Достоверность результатов подтверждается согласованием теоретических расчетов с результатами компьютерного моделирования, проводившегося с помощью различных программ, и с экспериментальными данными, а также получением патента РФ на изобретение на вариант разработанной методики расчета схемы спектрографа с ПВГДР.

Практическая ценность работы.

1. Разработан макетный образец спектрографа с плоским полем для диапазона 400800 нм, обеспечивающий спектральное разрешение до 0,73 нм и отличающийся, небольшими габаритами и простотой конструкции.

2. Разработан опытный образец двухканального спектрографа для диапазона 278560 нм, обеспечивающий спектральное разрешение до 0,14 нм в ультрафиолетовом диапазоне и 0,37 нм в видимом диапазоне и отличающийся высокой компактностью и простотой конструкции.

3. Предложенные методики расчета оптических схем могут быть использованы при разработке новых спектральных приборов, отличающихся малыми габаритами, простотой конструкции и расширенными функциональными возможностями.

4. Разработан пакет прикладных программ TCHDG Design, реализующий предложенные методики расчета.

Реализация результатов работы:

- Предложенные методики расчета оптических схем использованы в ОАО «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (ОАО «НПО ГИПО», Казань) при

выполнении заказов отечественных и зарубежных фирм.

- Спектрограф с плоским полем на основе ПВГДР включен в состав учебно-методического лабораторного комплекса «Основы дифракционной оптики и голографии», разработанного в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ в рамках выполнения государственного контракта от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0557. Спектрограф успешно используется на кафедре Оптико-электронных систем КНИТУ-КАИ при проведении лабораторных работ.

- Оптическая схема двухканального спектрографа с ПВГДР использована при выполнении работ по созданию малогабаритного двухканального спектроанализатора в ООО «Научно-производственный экологический центр «Экоцентр».

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Методики расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на базе ПВГДР:

- схемы спектрографа с плоским полем,

- схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,

- схемы двухканального спектрографа,

- схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,

- схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,

- схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.

2. Оптические схемы спектральных приборов на основе ПВГДР:

- спектрографа с плоским полем для диапазона 400-800нм, обеспечивающая спектральное разрешение до 0,59 нм и отличающаяся конструктивной простотой и компактностью;

- малогабаритного спектрографа в монолитном конструктивном исполнении для диапазона 450-900 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,68 нм и пространственное разрешение до 29 мкм при повышенной устойчивости к воздействиям внешней среды;

- компактного двухканального спектрографа, позволяющего одновременно регистрировать спектры в ультрафиолетовом диапазоне 278-400 нм со спектральным разрешением до 0,13 нм и видимом диапазоне 400-560 нм со спектральным разрешением 0,34 нм;

спектрографа, встроенного в проекционный объектив, позволяющего одновременно регистрировать изображение объекта с пространственным разрешением до 58,8 мкм и спектр его излучения в диапазоне 434-656 нм со спектральным разрешением

до 0,25 нм;

- спектрографа с исправленным астигматизмом на базе ПВГДР и сферического клина-компенсатора для диапазона 400-700 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,23 нм и пространственное разрешение до 19мкм;

- спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР для диапазона 400-800 нм с повышенной дифракционной эффективностью.

3. Методика расчета схемы записи вогнутой голограммной решетки с помощью вспомогательных ПВГДР и схема записи решетки 2800 штр/мм, работающей в области 200-285 нм, отличающаяся малыми аберрациями формируемых записывающих пучков, относительной компактностью и конструктивной простотой.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих Международных и Всероссийских конференциях: Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2010, 2011 и 2012 гг.; Международная конференция «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2010 и 2012 гг.; Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в России, Регионы России -2010», Муром, 2010г.; VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2010 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР», Томск, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала — ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения», Казань, 2012 г.; X Международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях», Уфа, 2012 г.; II Всероссийская конференция «Будущее оптики» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин», Санкт-Петербург, 2013г.; 3rd EOS Conference on Manufacturing of Optical Components, Munich, 2013, CIOMP-OSA Summer session on Optical engineering, Design and manufacturing,Changchun, 2013, X Международная Конференция «ГолоЭкспо-2013», Москва, 2013.

Личный вклад автора. Автором получены основные аналитические соотношения, описывающие аберрационные и фокусирующие свойства пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки, разработаны методики расчета оптических схем спектральных приборов, проведен расчет и компьютерное моделирование оптических схем, разработана конструкция макетного образца спектрографа с плоским полем и опытного образца двухканального спектрографа, проведена их сборка и настройка, а также выполнены основные экспериментальные исследования.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 3 статьи в изданиях из списка ВАК, 2 статьи в иностранных рецензируемых изданиях, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 14 публикаций материалов докладов, из которых 10 на Международных конференциях и 4 на Всероссийских конференциях, 2 публикации в сборниках материалов конкурсов научных работ и 1 учебно-методическое пособие.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет: 165 страниц машинописного текста, 22 таблицы, 63 рисунка.

Краткое содержание диссертации

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе приведен краткий обзор оптических схем существующих и разрабатываемых спектральных приборов, показаны потенциальные преимущества использования ПВГДР в оптических схемах спектральных приборов. На основе ; анализа аберрационной функции ПВГДР получены математические соотношения, описывающие ее фокусирующие и аберрационные свойства.

Разработана методика расчета оптической схемы спектрографа с плоским полем на основе ПВГДР. Показано, что в такой схеме могут быть скорректированы дефокусировка, астигматизм и меридиональная кома. При этом ПВГДР должна быть ; установлена в сходящемся пучке лучей.

Предложено несколько вариантов оптических схем на базе ПВГДР и разработаны аналитические методики их расчета. Разработан программный пакет, реализующий данные методики.

Во второй главе представлены результаты расчета и моделирования оптических схем спектральных приборов с ПВГДР:

- спектрограф с плоским полем,

- спектрограф в монолитном конструктивном исполнении,

- двухканальный спектрограф,

- спектрограф, встроенный в изображающую оптическую систему,

- спектрограф с дополнительной коррекцией астигматизма.

Также разработана схема записи голограммной решетки 3-го поколения с помощью вспомогательных ПВГДР.

Для каждой схемы проведено компьютерное моделирование. Н