автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и средств обеспечения функциональных параметров аксиконов

Введение

1 Обзор материалов, посвященных методам и средствам контроля параметров функционирования аксиконов.

1.1 Обзор методов и средств контроля параметров функционирования аксиконов

1.1.1 Контроль погрешностей формы конической поверхности аксикона посредством измерительных преобразователей

1.1.2 Контроль погрешностей формы конической поверхности аксикона теневым методом

1.1.3 Контроль аксиконов методом сканирования образующей конической поверхности лазерным лучом

1.2 Обзор моделей функционирования аксиконов.

1.2.1 Полевая модель функционирования аксикона

1.2.2 Интерференционная модель функционирования аксикона

1.2.3 Сопоставление полевой и интерференционной моделей функционирования аксикона

1.2.4 Модель функционирования аксикона, обладающего погрешностями конической поверхности при его использовании с некогерентным излучением

2 Разработка математической модели функционирования аксикона при когерентном излучении.

2.1 Определение фазы и интенсивности излучения, пришедшего на плоскость анализа

2.2 Математическое представление погрешностей формы поперечного сечения конической поверхности аксикона

2.3 Программная реализация математической модели

2.4 Определение расчетных параметров математической модели

3 Методика расчета функциональных параметров аксиконов

3.1 Выбор и обоснование критериев оценки качества функционирования аксикона по данным расчета

3.2 Анализ результатов расчета по математической модели

3.3 Использование результатов расчета

3.3.1 Разработка методики пересчета функциональных параметров аксиконов

3.3.2 Определение предельно-допустимых величин погрешности поперечного сечения конической поверхности аксиконов

4 Экспериментальная оценка функциональных параметров аксиконов

4.1 Разработка контрольно-испытательного стенда

4.2 Методика оценки функциональных параметров аксиконов

4.3 Результаты контроля аксиконов.

5 Рекомендации по использованию методов и средств обеспечения функциональных параметров аксиконов

5.1 Рекомендации по использованию разработанных методов и средств контроля качества аксиконов

5.2 Рекомендации по технологии изготовления аксиконов . . .105 Заключение.

Аксикон представляет собой оптическую линзу с сильной сферической аберрацией, приводящей к фокусировке параллельного пучка лучей не в точку, а в отрезок прямой линии, который называется фокальным отрезком. Аксикон может быть как отражающим, так и преломляющим оптическим элементом, а поверхность его может иметь конусную, коноидную и некоторые другие формы [1]. В работе рассматриваются конические преломляющие аксиконы.

Впервые аксикон был предложен Мак Леодом (McLeod) в 1954 году [2]. Фудживара (Fujiwara) в 1962 году впервые продемонстрировал Бесселев пучок нулевого порядка [3]. В 1987 году Дарнин (Durnin) сообщил о бездифракционной природе распространения Бесселевых лазерных пучков нулевых порядков [4, 5]. На сегодняшний день разработано много методов получения бездифракционных пучков, например посредством таких элементов как аксиконы, голограммы, специальные оптические модуляторы, фазовые решетки. Из всех представленных методов, метод формирования пучка аксиконом наиболее предпочтительный для реализации бездифракционных пучков.

Актуальность работы. В современной науке и технике находят широкое применение лазерные пучки с особыми свойствами, например, в технологических установках по обработке материалов, в установках для проведения научных экспериментов. Формирование Бесселевых пучков требует применения оптических элементов высокого качества. Так как обеспечение и контроль функциональных параметров прецизионных асферических элементов, средствами массового оптического производства, представляется затруднительным, то встает вопрос о разработке методов и средств обеспечения и контроля функциональных параметров аксиконов, применительно к данному конкретному случаю.

Цель работы состояла в разработке и исследовании методов и средств, обеспечивающих достижение и контроль требуемых функциональных параметров аксиконов. Методы и средства должны позволять производить оценку и контроль функциональных параметров определяющих фокусирующие свойства аксиконов. Для реализации этой цели необходимо было выполнить следующее:

1.Разработать методики контроля качества изготовления аксиконов.

2. Разработать математическую модель функционирования аксиконов.

3. Разработать методику определения допустимых величин погрешностей изготовления аксиконов.

4. Разработать методику пересчета предельно-допустимых величин погрешностей в зависимости от условий эксплуатации аксиконов.

5. Разработать контрольно-испытательный стенд для контроля качества аксиконов.

Методы исследования:

1. Методы математического анализа.

2. Численные методы решения задач.

3. Методы математического моделирования с использованием ЭВМ.

4. Методы теории оптимального планирования эксперимента.

5. Методы статистической обработки данных.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана методика определения и контроля функциональных параметров аксиконов при их функционировании при когерентном излучении.

2. Разработана методика пересчета функциональных параметров аксиконов для различных условий эксплуатации.

3. Разработана методика определения предельно-допустимых значений погрешностей изготовления аксиконов.

Основные положения и результаты выносимые на защиту.

1. Методика определения и контроля функциональных параметров аксиконов при их функционировании при когерентном излучении.

2. Методика пересчета функциональных параметров аксиконов для различных условий эксплуатации.

3. Методика определения предельно-допустимых значений погрешностей изготовления аксиконов.

4. Результаты реализации разработанных методов и средств обеспечения функциональных параметров аксиконов.

Практическая ценность работы. Разработаны методы и средства обеспечения и контроля функциональных параметров аксиконов, используемых при фокусировке когерентного излучения.

Данные, полученные в ходе работы, позволили обосновать требования к точности изготовления аксиконов, исходя из допустимых отклонений параметров распределения интенсивности поля в формируемой каустике, и дать рекомендации по оптимизации технологического процесса изготовления аксиконов.

Установлены предельно-допустимые значения овальности поперечного сечения аксикона, исходя из заданного падения интенсивности в максимуме нулевого порядка. Так для аксикона, с углом наклона образующей (р=20°, световым диаметром 0^60 мм, изготовленного из материала с показателем преломления л=1,514, для фокусируемого излучения с длиной волны А=0,6328 мкм и допустимым падением интенсивности на 20% (число Штреля 5=0,8) в плоскости анализа, расположенной на расстоянии 3/4 максимальной длины каустики от аксикона, значение овальности составило величину порядка 1,4 мкм.

На специальном технологическом оборудовании с предписанными параметрами, изготовлена гамма аксиконов, с углом наклона образующей от 10° до 30°, световым диаметром до 60 мм. Аксиконы прошли проверку на контрольно-испытательном стенде по совокупности требуемых параметров.

Апробация разработанных методов и средств производилась посредством реализации разработанных методов и средств обеспечения функциональных параметров аксиконов, в частности в рамках НИР «Методы и средства достижения и оценки требуемых функциональных параметров конических линз» (Номер государственной регистрации 01.2001.03275). Использование полученных результатов работы подтверждено актом внедрения.

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. 55-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. МИИГАиК, Москва, 5-6 апреля 2000 года. Доклад «Математическая модель формирования изображения аксиконом при когерентном излучении»

2. 56-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. МИИГАиК, Москва, 5-6 апреля 2001 года. Доклад «Влияние длины волны излучения на функциональные параметры аксиконов с погрешностью формы поперечного сечения»

3. 58-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. МИИГАиК, Москва, 3-4 апреля 2003 года. Доклад «Влияние технологической погрешности формы в виде огранки на функциональные характеристики аксиконов»

4. Международная конференция «Прикладная оптика - 2000», ГОИ им. Вавилова, Санкт-Петербург, 16-20 октября 2000 года. Доклад «Исследование влияния погрешностей изготовления на функциональные характеристики аксиконов»

5. Конференция «Технология производства и обработки оптического стекла и материалов» Дом Оптики, Москва, 15-16 ноября 2000 года. Доклад «Особенности обеспечения и контроля геометрических характеристик прецизионных аксиконов»

6. XXVIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Москва 2001. Доклад «Особенности формирования бесселевых пучков для создания плазменных каналов в газах»,

7. XVI Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Черноголовка 2001. Доклад «Фокусирующие свойства формирователей мощных бесселевых пучков»

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованных источников. Основной текст содержит 112 страниц, включая 3 таблицы и 42 рисунка. Приложения содержат 81 страницу. Список использованных источников содержит 24 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ существующих методов и средств контроля и обеспечения функциональных параметров аксиконов при их использовании в качестве фокусирующих элементов. Анализ показал, что ни один из рассмотренных методов не удовлетворяет полностью тем требованиям, которые предъявляются к методам с точки зрения контроля и обеспечения требуемых параметров аксиконов.

2. Проведен анализ существующих моделей функционирования аксиконов. Анализ показал, что рассмотренные модели не отвечают тем задачам, которые стоят при разработке методики контроля качества изготовления аксиконов.

3. Разработана математическая модель функционирования аксикона при когерентном излучении. Один из принципов модели заключается в замене конической поверхности аксикона на поверхность многогранной пирамиды.

4. Разработана программа, основанная на разработанной математической модели функционирования аксикона. Программа написана в нескольких вариантах: Си ++ и MathCad 7 pro, для наглядности программа представлена на MathCad 7 pro.

5. Определены расчетные параметры модели необходимые для расчета по разработанной программе, определяющие разрешение получаемой картины распределения интенсивности излучения, а также параметры аксикона.

6. Произведен расчет по разработанной программе распределений интенсивности излучения по плоскости анализа, для аксиконов обладающих овальностью, с углом при основании (р = 10°, 15°, 20°, 25° и 30° и длин волн Я = 0,53 мкм, 0,6328 мкм, 0,6943 мкм, 0,91 мкм и 1,06 мкм. Результаты расчета представлены как в виде распределений интенсивности, так и в виде графиков характеризующих распределение интенсивности.

7. Произведен анализ полученных распределений интенсивности по плоскости анализа. Анализ выявил основные особенности и закономерности поведения исследуемых параметров, характеризующих распределения интенсивности излучения.

8. Разработана методика пересчета функциональных параметров аксикона обладающего погрешностями формы поперечного сечения для различных условий контроля и эксплуатации (при его функционирования с излучением различных длин волн).

9. Определены предельно-допустимые значения погрешности формы поперечного сечения конической поверхности аксикона в виде овальности для оптических элементов с рассматриваемыми конструктивными параметрами и для рассматриваемых условий эксплуатации. Получены функции регрессии позволяющие, определить предельно-допустимые значения овальности для рассматриваемого диапазона углов (р, так и для рассматриваемого диапазона длин волн Я.

10. Предложена компоновка контрольно-испытательного стенда предназначенного для определения годности аксиконов. Стенд моделирует условия эксплуатации аксиконов при фокусировке лазерного излучения и позволяет получать и фиксировать формируемые аксиконами распределения интенсивности излучения.

11. Разработана методика контроля качества аксиконов. Методика позволяет производить контроль функциональных параметров аксиконов, учитывая последующие условия эксплуатации.

12. Представлены результаты практической реализации разработанных методов и средств контроля качества аксиконов. Проведенные работы показали согласование полученных практических результатов с расчетными данными с погрешностью не более 5%.

13. Даны рекомендации по использованию разработанных методов и средств контроля качества аксиконов. Рекомендации направлены на возможное расширение диапазона решаемых с помощью разработанных методов и средств задач.

14. Даны рекомендации по технологии изготовления аксиконов учитывающие полученные в результате работы данные. Рекомендации направлены на получение аксиконов с требуемыми функциональными параметрами.

15. Разработанные методы и средства обеспечения и контроля функциональных параметров аксиконов позволили повысить степень объективности оценки качества аксиконов с целью их использования в технологических и научно-исследовательских установках, в частности, в научно-исследовательских установках по изучению физики плазмы ИВТ РАН.

1. Прикладная оптика: Учеб. Для оптических специальностей вузов / М. И. Апенко, А. С. Дубовик, Г. В. Дурейко и др.; Под общ. ред. А. С. Дубовика. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992.- 480 е.: ил.

2. J. Н. McLeod, "The axicon: a new type of optical element", J. Opt. Soc. Am. 44, 592-597 (1954).

3. S. Fujiwara, "Optical properties of conic surfaces: I. Reflecting cone", J. Opt. Soc. Am. 52,287-292 (1962).

4. J. Durnin, "Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory", J. Opt. Soc. Am. A.4, 651-654 (1987).

5. J. Darnin, "Diffraction-free beams", Phys. Rev. Lett. 58, 1479-1501 (1987).

6. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. 4-е изд. перераб. и доп. М.: Логос, 1999.- 480 е.: ил.

7. Проектирование оптико-электронных приборов. Изд. 2-е, перераб. и доп./Ю. Б. Парвулюсов, С. А. Родионов, В. П. Солдатов и др.; Под ред. Ю. Г. Якушенкова.- М.: Логос, 2000.-488 е.: ил.

8. Савиных В. П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования: Учеб. Для вузов. М.: Недра, 1995. - 315с.: ил.

9. Ю. М. Климков. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Сов. Радио, 1978.- 264 с. ил.

10. Коробкин В.В. и др. Динамика сплошного оптического разряда в воздухе. -М.: 1984. 33с. (Препринт ИВТАН № 5-127).

11. Апексанкина Р. А., Сидоров В. М. Контроль погрешностей формы конических поверхностей оптических элементов // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. М.: МИИГАиК 1994,- №2.- С. 133-138.

12. Сидоров В. М., Никитков А. А Формирование изображения аксиконом с параметрами отличными от номинальных // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. М.: МИИГАиК 2000.- №5.- С. 135-141.

13. Волкова Н.А. и др. Фокусировка лазерного излучения аксиконами. М.: 1983. 33с. (Препринт ИВТАН N 5-126).

14. Римлянд В. И., Казарбин А. В. Диагностирование быстровращающихся тел с помощью оптической системы // Оптический журнал. 1997.- №2.- С. 93-96.

15. Арефьев А. А., Крылов А. Н., Сидоров В. М., Хрищанович И. 3., Богомолов Г. К. Устройство для контроля качества изготовления оптических поверхностей. Авторское свидетельство СССР №1379626, кл. G01 В21/30, 1987.

16. Г. А. Кащеева, В. С. Соболев, Н. Э. Кащеева. Интерференционная теория аксикона// Оптический журнал. — 1998.- №3. С. 44-50.

17. Сидоров В. М., Никитков А. А. Исследование влияния погрешностей изготовления на функциональные характеристики аксиконов // Сборник трудов международной конференции «Прикладная оптика 2000», том 1.

18. Калитеевский Н. И. Волновая оптика: Учеб. Пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1995. - 463 е.: ил.

19. Сидоров В. М., Никитков А. А. Влияние длины волны излучения на функциональные параметры аксиконов с погрешностями формы поперечного сечения // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. -М.: МИИГАиК 2002.- №6.- С. 157-161.

20. В. А. Данилов, JI. Я . Марголин, В. М. Сидоров, А. А. Никитков. Особенности формирования бесселевых пучков для создания плазменных каналов в газах. // Тезисы докладов XXVIII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Москва 2001.

21. В. А. Данилов, JI. Я . Марголин, В. М. Сидоров, А. А. Никитков. Фокусирующие свойства формирователей мощных бесселевых пучков // Тезисы XVI международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Черноголовка 2001.

22. JI. Я . Марголин, В. М. Сидоров, А. А. Никитков. Особенности обеспечения и контроля геометрических характеристик прецизионных аксиконов. // Тезисы докладов конференции «Технология производства и обработки оптического стекла и материалов», Москва 2000.

23. В. М. Сидоров, А. А. Никитков. Отчет по теме «Методы и средства достижения и оценки требуемых функциональных параметров конических линз» Номер гос. регистрации 01.2001.03275, инвентарный номер 02.2001.02603.

24. Сидоров В.М. Формообразование коноидных и винтовых поверхностей оптических элементов // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. М.: МИИГАиК 1995- №1.- С. 139-143.1. Пр иложсние А

25. ORIGIN=I Номер первого элемента массива

26. То14).0000000001 Точность матем. вычисленийф -Угол преломления аксикона, рад D-Световой диаметр аксикона, мм Н-Толшина аксикона по оптической оси, мм X-Длина волны излучения, мм n-Показатель преломления материала1. N-Число граней пирамиды

27. Nm-Число колец картины распределения интенсивности

28. Na-Количество элементов картины