автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование спектроформов - нового класса оптичексих и лазерных элементов

и УЛ Ч/ л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЦВЕТКОВ АРКАДИЙ ДМИТРИЕВИЧ

УДК 535.3:621.373.826

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКФОРМОВ — НОВОГО КЛАССА ОПТИЧЕСКИХ И ЛАЗЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.11.07 — оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996

ГОСУДАР СТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ точной МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На. правах рукописи

ЦВЕТКОВ АРКАДИЙ ДМИТРИЕВИЧ

УДК 535.3:821.373.826

Разработка и исследование епекформов -нового класса оптических и лазерных элементов

05. И. 07 - оптические а оптик о- электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в ВНЦ "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова", Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем

Официальные оппоненты: ДОКТОр ТеХНИЧвСКИХ Наук,

Профессор Зверев В. А.

Ведущая организация - Оптико-механическое объединение

АО ЛОМО г. Санкт-Петербург

Защита состоится •■ /)првлЯ 1996 г. в час.

на заседании специализированного совета Д.053.26.01 ИТМО по адересу: 197101, Санкт-Петербург, ул.Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТМО.

доктор физ.-мат.наук

профессор

Яи»чньев 1-0. к.

доктор технических наук, Профессор Валов п. м.

Автореферат разослан " 2{> ср^£ро/а 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основные идеи и актуальность работы

Уровень развития оптического и лазерного приборостроения непосредственно зависит от состояния и оснащенности технологической базы. Постоянно растущие требования к характеристикам оптических и лазерных приборов вызывает необходимость совершенствования элементной базы, что стимулирует поиск новых средств и методов их создания.

Потребность оптики и лазерной техники в формировании световых полей с заданным распределением интенсивности вызывает поток исследований и разработок, направленных на получение деталей и систем, формирующих требуемый волновой фронт с В4о излучения в заданной области пространства. Особый интерес поэтому вызывают элементы с переменными по апертуре характеристиками такими, как пропускание и оптическая сфззовая> неоднородность. Для широкого использования такого рода элементов необходимо, чтобы они были технологичны в изготовлении, легко контролируемы, имели высокую повторяемость характеристик, позволяли с их помощью формировать заданные ВФ излучения с высокой точностью.

Анализ литературных и патентных данных показал, что в настоящее время для создания каждого конкретного вида элементов используются свои методы, подходы и технологические приемы, в основе которых лежат самые разнообразные физические принципы. Это обстоятельство нашло отражение в целом ряде работ, направленных на поиск эффективных методов создания оптических элементов.

Основным препятствием широкого использования элементов с асферическими поверхностями, в частности, коррекционых, формирующих, фазовых эталонов волнового фронта и т.д., а также фильтров с переменной плотностью по апертуре является отсутствие эффективной, пригодной для массового выпуска изделий технологии. Появление такой технологии может дать толчок к возникновению оптических систем нового поколения, совершенствованию методов их расчета.

Наиболее распространенным материалом, используемым в оптическом приборостроении, является стекло. Этот материал обладает уникальной совокупностью свойств, определяемой широким спектром входящих в него химических элементов. В частности,

изменяющимися в широких пределах оптическими, спектральными характеристики, термическими, механическими, электрическими и т.д. свойствами. Особенностями стеклообразных материалов является возможность пластической деформации стеклянной заготовки в характерном для данного стекла интервале температур и явление соединения двух стекол различного химического состава при нагревании с образованием однородной границы спекания. Поэтому стекла легко прессуются и молируются. Изучение процесса спекания и деформации стекол и предварительные исследования оптического качества граничной поверхности спекаемых стекол позволили нам сделать вывод о перспективности использования этих явлений для разработки нового метода создания оптических деталей.

При температуре спекания двух стекол происходит неуправляемая деформация граничной поверхности. Как показали наши исследования, эту неустойчивость границы, спекания, являющуюся отрицательным фактором при изготовлении деталей с оптически точными поверхностями, можно использовать для целенаправленного формообразования граничной поверхности спеченных образцов стекол при изготовлении деталей со сложной заданной конфигурацией граничной поверхности.

Для установления возможности разработки такого метода и определения области его применения необходимо провести комплекс исследований оптических свойств граничной поверхности спекаемых стекол, закономерностей ее формообразования при целенаправленной деформации, а также всестороннее исследование физических и оптических характеристик лазерных и оптических элементов, разрабатываемых при использовании выявленных закономерностей, условий достижения заданных характеристик, путей их реализации и методов контроля, а также систематическое исследование закономерностей формирования- светового излучения, решение задачи прогнозирования Функциональных свойств, создаваемых элементов, поиска путей выбора их оптимальных параметров.Решению этих вопросов и посвящена диссертационная работа.

цель» работы является разработка нового метода создания оптических и лазерных элементов при использовании технологии спекания и горячего формообразования стекол, применение его для получения нового класса оптических элементов - спекформов, а также выявление закономерностей формирования пространственной структуры

лазерных и световых полей аподизирующими, формирующими и коррекци-онными спекформами.

Для достижения поставленной цели реШЭЛИСЬ СЛ9ДУЮЩИЭ задачи:

- обоснование возможности применения метода спекания для создания комбинированных оптических и лазерных элементов;

- разработка методов создания спекформов на основе использования явления пластической деформации пары стекол, соединенных спеканием;

- разработка и выбор пар стекол для спекформов;

- разработка и исследование новых оптических и лазерных элементов - спекформов с переменными по апертуре амплитудными и фазовыми характеристиками: аподизирующих диафрагм и оттенителей, формирующих и коррекционных оптических элементов, фазовых пластин;

- разработка математических и физических моделей формирования излучения спекформами, проведение численных экспериментов и на их основе выбор оптимальной совокупности параметров спекформов;

- выявление закономерностей дифракции лазерного излучения на амплитудно-фазовых спекформах в дальней и ближней зонах, определение влияния их параметров на характеристики световых полей;

- разработка программного обеспечения для расчета спекформов и применение этого аппарата при изготовлении опытных образцов спекформов различного функционального назначения;

-разработка методов контроля оптических и физических характеристик элементов, методов и технических средств для экспериментального исследования функциональных свойств полученных спекформов.

Научная новизна

Новизна работы определяется прежде всего тем, что в ней предложено принципиально новое техническое решение задачи создания оптических и лазерных элементов с переменными амплитудными или фазовыми характеристиками по апертуре. Работа является первым всесторонним исследованием, охватывающим комплекс вопросов по спеканию, формообразованию граничной поверхности стекол, решение которых привело к созданию принципиально нового класса оптических и лазерных элементов - спекформов, с одной стороны, а также по разработке методов формирования с их помощью пространственной структуры световых пучков, изучению особенностей работы спекформов в

;лазерных и оптических системах, что продемонстрировало широту во] зможностей их использования решения различных задач, с другой

| стороны.

»

• В процессе работы получены следующие новые результаты.

1. Обоснована применимость метода спекания двух стекол для создания оптических и лазерных элементов с границей спекания, предназначенной для работы как в поле лазерного излучения, так и вне его.

2. Предложен принципиально новый метод создания оптических элементов с несферическими преломляющими поверхностями - метод

; спекания и горячего формообразования стекол (СГФ). ! Впервые сформулирован принцип формообразования граничной поверхности спеченных стекол, заключающийся в целенаправленной деформации заготовки, находящейся при температуре размягчения, внешним прессующим инструментом с рабочими поверхностями, эквидистантными требуемой граничной поверхности. На основе предложенного принципа формообразования граничной поверхности разработаны новые методы макро- и локального прессования.

3. Доказано, что при использовании метода спекания и горячего формообразования < СГФ> можно изготавливать фазовые спекформы различного функционального назначения с широким диапазоном изменяемой по заданному закону оптической неоднородности.- от долей до нескольких сотен длин волн и амплитудные с переменной плотностью по апертуре и перепадом пропускания Ю4 размерами от 2 до 50 мм.

Впервые получены экспериментальные образцы амплитудных и фазовых спекформов различного функционального назначения: аподизи-рующие диафрагмы, коррекционные асферические элементы, фазовые пластины для формирования контурных изображений геометрических фигур, оттенители, линзовые элементы с компенсацией сферической аберрации.

4. Выработаны как общие, так и специальные требования к парам стекол для спекформов. Предложен метод подбора пар промышленных стекол для спекформов, включающий методики расчета необходимых критериальных характеристик, проведение анализа характеристик стекол по предложенным критериям.

5. Предложен и теоретически обоснован метод измерения разницы показателей преломления спеченных стекол, в том числе, пар

прозрачных и высокопоглощащих.

6. Проведено систематическое расчетно-экспериментальное исследование дифракции лазерного излучения в дальней и ближней зонах на спекформах с различными амплитудными и фазовыми характеристиками. Установлены закономерности влияния параметров аподизирущих диафрагм на распределение интенсивности излучения в заданной области пространства. Определена совокупность параметров аподизирующих диафрагм для формирования излучения с заданной величиной осцилляция в выбранной области пространства.

Новизна предложенных технических решений подтверждена 12 авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая ценность

Выполненные исследования находятся в тесной связи с проблемами, решаемыми в ВНЦ 'ТОЙ им.С.И.Вавилова" и предприятиями отрасли з области создания новых оптических и оптико-электронных приборов л систем. Поэтому материалы диссертации полезны для широкого круга специалистов, занимающихся расчетом, проектированием и изготовлением оптических приборов и лазерных систем.

Результаты настоящей работы позволили создать новый, неизвестный ранее, класс оптических элементов, названный спекформами. Эти элементы использовались при разработке и изготовлении ряда оптических приборов и устройств, что позволило существенно /лучшить их характеристики.

Автором разработаны методы создания оптических элементов, по-шоляющих формировать заданные как амплитудные, так и фазовые ха-зактеристики светового излучения в широком диапазоне, 'ниверсальность и технологичность этих методов открывает возмож-юсть внедрения спекформов в повседневную практику приборостроителя.

Созданные в ходе выполнения работы методики измерения характеристик спекформов и стекол для их изготовления позволили впервые фовести измерения и исследования, которые дали возможность полу-[ить надежные и достоверные данные о функциональных свойствах соз-[анных элементов, позволили выработать технические требования к йрам стекол и техпроцессам получения спекформов.

Результаты проведенных в диссертации исследований определили :ерспективы дальнейшего совершенствования оптических приборов в

плане широкого использования асферических поверхностей для компенсации различных видов аоерраций, в том числе, высших порядков.

разработанные методы прогнозирования раооты амплитудных и фазовых аподизирущих диафрагм в лазерных приоорах и определения оптимальной совокупности их параметров позволили эффективно подавлять дифракционные осцилляции в лазерных устройствах.

ьыполненные разработки внедрены и используются в ряде лабораторных, установок и приборов на предприятиях.

личный вклад автора в получение научных и практических результатов состоял в поиске и выборе путей исследований и разработок, предложении и разработке основных идей, положенных в основу метода СГФ, разработке методик и участии в проведении практически всех экспериментов по исследованию спекформов, в разработке лабораторных техпроцессов по созданию спекформов, непосредственом участии в изготовлении опытных образцов спекформов, выработке общих и специальные требований к стеклам для спекформов и предложении метода пояборг пар промышленных стекол, анализе, сообщении и интерпретации результатов исследований.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Установление возможности и целесообразности применения метода спекания стекол с олизкими значениями вязкостен для изготовления точных оптических деталей, у которых граница спеканш находится в поле оптического лазерного излучения.

Показано, что применение принудительного спекания позволяе' повысить оптическое качество поверхностей и использовать его длз изготовления оптических и лазерных деталей.

2. новый метод создания оптических комбинированных элементо: из двух стекол с различными оптическими характеристиками - мето< спекания и горячего формообразования стекол (СГФ).

Впервые сформулирован принцип формообразования граничной поверхности спеченных стекол, заключающийся в целенаправленной деформации заготовки, находящейся при температуре размягчения, внешним прессующим инструментом с рабочими поверхностями, эквидистантными треоуемой граничной поверхности. На основе предложенного принципа формообразования граничной поверхности разработаны новые мее

зды макро- и локального прессования, положенные в основу заработанных лабораторных техпроцессов.

3. Новый класс оптических элементов - спекформов, представляю-« собой комбинированный элемент с плавной границей соединения зух стекол с различными оптическими свойствами и с амплитудными и новыми характеристиками, изменяющимися по заданному закону по 7ертуре.

Созданы спекформы различного функционального назначения для ггических и лазерных устройств: аподизирующие диафрагмы, оттепели, формирователи волнового фронта лазерного излучения, фокуеа-)ры, коррекционные и линзовые элементы.

4. Общие и специальные требования к парам стекол для спекфор->в. Метод подбора пар промышленных стекол при использовании данных )СТа, включающий методику расчета необходимых критериальных харак->ристик, проведение анализа характеристик стекол по предложенным штериям.

Метод подтвержден экспериментально при создании коррекционных ¡ементов для ряда оптических устройств. Подобраны перспективные !ры промышленных стекол для изготовления спекформов.

5. Новый метод измерения разницы показателей преломления :еченных высокопоглощающих и прозрачных стекол, позволяющий решать дачу точного согласования пар стекол для обеспечения заданных зовых характеристик спекформов.

Метод подтвержден экспериментально при разработке пар стекол я амплитудных фильтров - аподизирувдих диафрагм и оттенителей. тод положен в основу измерения угловых характеристик фазовых екформов.

руктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, иести ав, заключения и приложения. Материалы изложены на 404 страницах, дючая 92 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 286 наименования 27 страницах и приложение на 12 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

во введении показана актуальность темы диссертационной рабо-. сформулированы цель и задачи исследований, приведены краткое держание работы.

Глава I. Оптические и лазерные элементы и методы их создания Собзор литературы>

Первая глава знакомит с состоянием дел по проблемам создания оптических и лазерных элементов для формирования волновых фронтов < ВФ> и заданных распределений интенсивности лазерных и световых пучков. Рассмотрены методы, применяемые в настоящее время для этой цели, особое внимание уделено методам создания амплитудных фильтров с переменной плотностью по апертуре (аподи-зирущих диафрагм и оттенителей), а также методам создания элементов с асферическими (или выполняющими роль асферических) поверхностями. Показано, что для создания каждого конкретного вида элементов применяют разнообразные, зачастую узко . специфические, средства. Излагается представление о перспективных путях создания элементов для формирования заданных характеристик излучения, раскрываются проблемы, с ними связанные.

В последнем разделе главы коротко изложены теоретические подходы, которыми в настоящее время пользуются для построения теоретических моделей формирования излучения и расчета оптических элементов.

Показано, что решение проблемы формирования излучения ограничивается уровнем развития технологической базы, на которую опирается каждый конкретный способ. Сделан вывод о необходимости разработки, нового, отвечающего современным требованиям, метода изготовления оптических элементов с изменяющимися по заданному закону оптическими характеристиками, на базе которого можно было бы создать технологию для широкого использования в оптическом приборостроении.

Глава 2. Исследование возможности создания оптических элементов при помощи спекания

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с получением комбинированных оптических элементов. Комбинированные элементы, полученные соединением более простых элементов в монолитную конструкцию, позволяют реализовать объект с новыми свойствами, невозможными для каждого отдельного элемента. Они выполняют различные функции в оптических и лазерных приборах.

Показано, что одним из путей создания комбинированных дисковых и стержневых активных элементов может быть метод спекания стекол. Исследована возможность применимости метода спекания для изготовления лазерных оптических элементов, выработаны технологические требования, выполнение которых необходимо для обеспечения заданных характеристик деталей. Рассмотрено влияние режимов спекания и величины разницы показателей преломления стекол на величину оптической неоднородности, возникающей на границе соединения. Исследовано влияние технологической подготовки поверхности образцов перед спеканием на структуру и характер граничной поверхности. Экспериментально установлено, что при температуре спекания, соответствующей

интервалу вязкостей Ю7... 109Па-с, разнице коэффициентов

—7 -1

линейного термического расширения не более (5...6)-10 К и

разнице показателей преломления 10"?..Ю-3 спекаемых стекол можно изготавливать детали с оптически точной и прозрачной границей раздела для работы в поле оптического и лазерного излучения.

Впервые показана возможность работы оптических деталей, полученных спеканием, в качестве внутрирезонаторных элементов. Приведены результаты исследований влияния образующейся на границе раздела спеченных стекол оптической неоднородности и ее характера на угловые и энергетические характеристики лазера на неодимовом стекле, работающем в режиме свободной генерации. Полученные результаты объяснены с позиции теоретических представлений о влиянии внутрирезонаторных волновых аберраций на характеристики излучения лазера с плоскими зеркалами.

Исследование влияния технологической подготовки поверхности образцов перед спеканием на структуру и характер граничной поверхности, а так же выбор условий спекания, наиболее благоприятных для проведения технологического процесса, проводились в процессе разработки дисковых активных элементов с нанесенными методом спекания поглощающими стеклянными покрытиями на его боковые поверхности. Для этой цели были разработаны технологические условия, состав стекла, поглощающего излучения на длине волны генерации неодима (1.06 мкм), а также метод припекания пластинок на его боковую поверхность восьмиугольного

дискового активного элемента из промышленного фосфатного стекла ГЛС-22. Показано, что требования к обработке поверхностей оптических деталей, подготовленных к спеканию более низкие, чем при посадке их на оптический контакт. Сделан вывод, что снижение требований к обработке контактирующих поверхностей перед спеканием при создании комбинированных лазерных элементов свидетельствует о широких возможностях применения метода спекания для создания элементов лазерной техники.

Для подтверждения возможности работы спеченных элементов в мощных лазерных установках проведено определение лучевой прочности ряда элементов и материалов. Исследовались образцы слабопоглощающих и прозрачных стекол, соединенных методом спекания, а также высокопоглощающих и прозрачных . стекол. Показано, что процесс спекания различных стекол не ухудшает их лучевую поверхностную прочность.

Совокупность полученных результатов доказывает возможность и перспективность применения метода спекания для получения различных видов комбинированных активных элементов с границей спекания, предназначенной для работы как в поле мощного лазерного излучения, так и вне его.

Глава 3. Экспериментальные и теоретические методы исследования спекформов.

В третьей главе описаны методики измерения оптических и геометрических характеристик спекформов. Особое внимание уделено новому методу измерения разницы показателей преломления стекол, соединенных спеканием, в основу которого положен принцип действия дифференциального рефрактометра для измерения разницы показателей преломления жидкостей. Обоснована необходимость измерения разницы показателей преломления двух спеченных стекол, прошедших совместную термообработку, в особенности, при разработке и синтезе пар высокопоглощающих и прозрачных стекол для амплитудных фильтров (оттенителей и аподизирующих диафрагм). В основе измерений при помощи предложенного метода лежит сравнение углов отклонения лазерного опорного пучка, прошедшего вне границы спекания через одно из стекол спеченной пары, и зондирующего пучка, прошедшего через границу спекания, расположенную под уг-

лом а к выходной поверхности плоскопараллельной спеченной пластины. Получена формула для определения разницы показателей преломления двух спеченных стекол, которая для случая образца, расположенного перпендикулярно падающему излучению имеет,вид: дп = дй^да-о, где дсг - смещение зондирующего пучка относительно опорного в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием /.Проанализированы причины, влияющие на точность метода, в частности, величина оптической неоднородности, возникающей на границе спекания и связанная с разницей показателей преломления стекол пары и искажениями поверхности в результате течения стекол при спекании. Получена погрешность измерения двух стекол, одно из которых высокопоглощающее с к вэ&

5 мм"1), равная 2-10"5.

Методика измерения профиля граничной поверхности основана на фотометрическом методе измерения профиля пропускания по апертуре детали. Фазовые характеристики спекформов определялись по интерферограммам, снятым в интерферометре Маха-Цендера. Способ измерения разницы показателей преломления положен в основу метода измерения угловой характеристики спекформа по углу отклонения тонкого зондирующего лучка, прошедшего через заданную точку граничной поверхности. Погрешность метода для спекформов с разной величиной максимальной оптической неоднородности и разными ее градиентами составляет (I...5)-10"4.

В третьем параграфе главы описаны экспериментальные установки для исследования функциональных свойств спекформов: приведены установки для исследования аподизирующих свойств амплитудных и фазовых диафрагм в дальней и ближней зонах в том числе для случая распространения мощного лазерного излучения.

Во четвертом параграфе главы рассмотрено моделирование работы нового вида оптических элементов-спекформов, созданных на основе технологии спекания и горячего формообразования сСГФ^ стекол, в лазерных пучках. Поскольку спекформы могут обладать широким набором параметров, иметь самые различные профили граничной поверхности сГП>.то без теоретического моделирования и численных экспериментов трудно прогнозировать их свойства.

Для моделирования применен подход, при котором спекформ представляется в виде амплитудно-фазовой пластины конечной тол-

щины. состоящей из двух стекол со сложной границей раздела, распространение света в которой подчиняется законам геометрической оптики. После прохождения света через транспарант его распространение рассматривается с точки зрения линейной теории дифракции, используется дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа. Рассматривается решение как для дальней с Фраунгофераэ, так и ближней (.Френеля; зон для случаев осееимметричной и неосесиммет-ричной амплитудно-фазовых функций спекформов. При прохождении излучения через спекформ, состоящий из пары стекол с большой величиной разницы показателей преломления, на ГП стекол возникает, кроме преломления,еще и отражение, которое учитывается при помощи формул Френеля.

Такая модель удобна для исследования формирующих' свойств спекформов различного назначения: аподизирующих амплитудных, амплитудно-фазовых и фазовых диафрагм, фазовых формирующих 6Ф пластин сфокуеаторовэ. корректоров ВФ. Она позволяет анализировать закономерности дифракции при распространении света через спекформы на базе результатов численного моделирования машинным методом: выявить степень влияния тех или иных параметров спек-форма на пространственно-энергетические характеристики с величину осцилляция, интенсивность, размер пятна, смещение его относительно оси й т.п.) в ближней и дальней зонах.

Пятый параграф главы посвящен описанию принципа расчета асферической граничной поверхности спекформа - корректора сферической аберрации оптической системы.

В классических расчетах корректирующей асферики исходят из ее заданного вида, тем самым накладывают ограничения на искомый профиль. В своей работе мы отказались от ограничивающих условий и искали функцию ГП пары составляющих корректор стекол, исходя из известного принципа Ферма. Исходя из условия равенства оптических путей и законов геометрической оптики для лучей, проходящих через корректируемую оптическую систему, составляли систему уравнений для определения профиля ГП, в котором неизвестными являлись координаты точек ГП. При этом решалась задача фокусировки излучения в геометрическую точку. Решив систему уравнений, определяли искомый профиль. Используя принцип эквидистантности, рассчитывали профили прессующих инструментов, необходимых для получения рассчитанной конфигурации ГП.

Глава 4. Разработка стекол и методов получения спекформов.

В четвертой главе обсуждаются вопросы, относящиеся к разработке и исследованию стекол, а также методы создания спекформов и закономерности формирования граничной поверхности слоистой спеченной стеклянной заготовки при прессовании прессующими инструментами с криволинейными рабочими поверхностями.

При создании спекформов с заданными оптическими свойствами к стеклам, из которых они изготавливаются, предъявляется ряд требований. Среди требований к стеклам для спекформов можно выделить общие требования к парам стекол, отвечающие за спекае-мость стекол, качество граничной поверхности, целостность и монолитность детали, и специальные требования к оптическим характеристикам стекол, отвечающие за функциональные свойства спекформов. В первом параграфе четвертой главы приведены разработанные требования к стеклам для спекформов, общие и специальные, относящиеся к стеклам для амплитудных фильтров с малой оптической неоднородностью. Показано, что к стеклам для алодизирующих диафрагм и оттенителея предъявляются высокие и трудно совместимые требования. На базе проведенных экспериментов и анализа свойств стекол, проведенных совместно с д.т.н. 0.С.Щавелевым, сделан вывод о перспективности стекол на бариевофосфатной основе для создания аподизирующих диафрагм . Для таких стекол были получены количественные экспериментальные данные по влиянию большого числа окислов на разницу показателей преломления Дп и коэффициент термического расширения (КТР) также проведено экспериментальное исследование влияние окислов си©, с<*о,

>ч© на показатель поглощения ^ поглощающих стекол. Экспериментально полученные концентрационные зависимости впервые позволили определить приращения показателей преломления и поглощения фосфатного стекла от введенного в него 1 я масс, красящих окислов. Полученные данные позволили расчетным путем наметить область составов бесцветных и окрашенных бариевофосфатных стекол, которые могут образовывать пары с одинаковым показателем преломления и КТР. Результаты лабораторных варок в целом подтвердили правильность расчетов и позволили установить пределы концентраций окислов в стеклах, на основе которых следует

разрабатывать практические стекла для бесцветного и поглощающего компонентов аподизирующих диафрагм и оттенителей. На основе полученных закономерностей в лабораторных условиях была синтезирована серия стекол.

Стекла на бариевофосфатной основе, как правило, имеют сравнительно низкую термостойкость, что ограничивает их использование, например, при работе в мощных световых или тепловых полях. Необходимость синтеза пар стекол на силикатной основе возникла при разработке фильтров с переменной плотностью по апертуре, используемых для светорегулирования в телевизионных камерах - оттенителей. Создание стекол с требуемыми характеристиками базировалось на двухстадийной методике, как и стекол на бариевофосфатной основе. Для получения поглощающих силикатных стекол использовался практически тот же состав красителей. Однако, спектральные характеристики стекол на силикатной основе существенно

отличались от-стекол на бариевофосфатной основе.

В работе приведены составы разработанных стекол, их термомеханические, кристаллизационные и оптические характеристики.

Стекла были использованы для изготовления аподизирующих диафрагм и оттенителей.

Во втором параграфе описаны пары прозрачных стекол, которые использовались для создания коррекционных, линзовых и фазовых спекформов. Особенностью выбора пар прозрачных стекол является заданная величина оптической неоднородности, определяемая функциональным назначением детали и зависящая от глубины профиля граничной поверхности и разницы показателей преломления составляющих спекформ стекол. Так, например, для фазовых пластин максимальный фазовый набег требуется порядка нескольких длин волн, при этом разница показателей преломления должна составлять единицы третьего знака. Для коррекционных и формирующих элементов разница показателей преломления должна достигать величины 0,1...О,2. Кроме показателей преломления необходим подбор пар стекол по коэффициентам дисперсии и по их разнице. В параграфе приведены оптические и термомеханические характеристики некоторых пар прозрачных стекол, синтезированных на основе очковых стекол БОК и БОФ, которые были использованы для разработки и изготовления фокусаторов и корректоров ряда оптических систем.

В третьем параграфе главы обсуждаются ограничения широкого использования пар специальных стекол для спекформов. Делается вывод о перспективности разработки методики пар стекол, освоенных в промышленном производстве. Описывается метод подбора пар стекол при использовании данных ГОСТ 13659-78, включающий выбор критериев применимости стекол, методики расчета необходимых критериальных характеристик, проведение анализа характеристик стекол по предложенным критериям. За критерии совместимости стекол приняты близость значений следующих характеристик: <* -КТР при температуре г , тд - температура прессования стекол, соответствующая вязкости стекол при 1дг? = е, дга - интервал рабочих температур каждого стекла из пары. Расчет критериальных характеристик проводился по данным ГОСТ при использовании линейной интерполяции. Были получены следующие формулы: ад = ао + л«-7^/1 ео - где ао - КТР в интервале температур от о

до 30°С, да - разница средних значений КТР в интервалах температур 20. . .300°С и 20...120°С, гд - температура трансформации стекла;

г =1.71 -г - а.го-т , где тп - температура спекания стекол;

в сп • ел .

дг = о. 1 -с г -т >.

8 сп. д

При использовании полученных формул были рассчитаны критериальные характеристики по данным ГОСТа для 73 марок промышленных стекол, получена диаграмма, позволяющая определять перспективные для спекформов пары стекол, а также приведена таблица, позволяющая учитывать при подборе стекол термомеханические и оптические характеристики (а , гв, дг, пв, дпв, , ). На основе анализа полученных данных выбрано несколько перспективных пар промышленных стекол для создания коррекционных, формирующих и фазовых элементов, в том числе, пара стекол ТБФ4 и К8. Правильность предложенной методики подтверждена экспериментально.

Четвертый параграф посвящен обоснованию возможности формирования заданных конфигураций граничной поверхности (ГП) пары стекол при использовании принудительного спекания. Приведены результаты экспериментальных исследований, показывающие перспективность использования новой технологии спекания и горячего формообразования для создания деталей высокого оптического качества с заданными фазовыми характеристиками. В начале объясняются

причины возникновения оптической неоднородности при свободном спекании двух стекол (спекании под воздействием только собственного веса заготовки), связанные с неустойчивостью границы спекания вследствие близости температур спекания и пластической деформации. Приведены экспериментальные данные по повышению оптического качества ГП стекол, соединяемых при помощи спекания, путем организации поверхности за счет воздействия формообразующей нагрузки.

Решение задачи формирования заданного ВФ при использовании спекформов непосредственно связано с проблемой получения заданных профилей ГП с высокой точностью. Приводятся результаты экспериментальных исследований, направленных на достижение качества ГП, отвечающего требованиям к оптическим элементам, работающим в высокоточных'оптических и лазерных системах. Исследуются явления, накладывающие ограничения на точность формирования заданных рельефов ГП, а также поиск путей учета этих факторов. В частности показано, что учет явления неоднородной деформации слоистой заготовки при прессовании позволяет повысить точность создаваемого рельефа ГП.

В пятом параграфе приведено решение задачи создания заданных конфигураций ГП стекол, находящихся в пластическом состоянии с помощью формообразующих инструментов (т.е. методом СГФ). Особенностью метода СГФ является то, что заданная конфигурация ГП получается не путем непосредственного воздействия инструмента на создаваемую поверхность, как в традиционных методах формообразования, а через слои стекол, находящихся в пластическом состоянии. При этом формируется поверхность, расположенная между слоями стекол, которая и является заданной поверхностью. В основе изготовления спекформов лежат два физических явления: спекании стекол и гидродинамическое течение несжимаемой массы стекла. Спекание стекол обеспечивает оптическую прозрачную границу раздела, второе явление позволяет формировать ГП двух стекол по заданному закону, основываясь на использовании, т.н. принципа эквидистантности. Основываясь на этом принципе по заданной функции ГП и параметрам прессования (толщинам заготовок, глубине прессования) можно рассчитать профили прессующих инструментов и наоборот: по заданным параметрам прессования и конфигурациям прессующих инструментов можно найти конфигурацию ГП.

Изучение формообразования ГП позволило выделить два принципиально разных метода, в которых при воздействии прессующим инструментом происходит изменение конфигурации а) всей заготовки в целом, б) - только приповерхностной ее части, включая покрытие и ГП. Первый способ назван нами "метод макропрессования", второй - "метод локального прессования". На основе этих принципов разработано несколько способов получения спекформов, в частности, аподизирующих диафрагм. Даны описания этих способов.

Закономерности формообразования ГП при прессовании криволинейными поверхностями исследовались при разработке оптических фильтров с переменной плотностью по апертуре: аподизирующих амплитудных диафрагм (ААД) и оттенителей. Результаты этих исследований изложены в шестом параграфе этой главы. Исследование закономерностей макропрессования проводилось на образцах ААД с супергауссовой функцией пропускания, получившей в лазерной технике наибольшее распространение. Были изготовлены образцы ААД, впервые подтвердившие возможность создавать спек-формы с заданной амплитудной характеристикой по апертуре.

В результате исследований были впервые получены амплитудные оптические фильтры с переменным пропусканием по апертуре для регулирования светового потока в объективах - оттенители. Опыт изготовления оттенителей продемонстрировал высокие точности изготавливаемых ГП и стабильность получаемых оптических характеристик. высокую воспроизводимость результатов.

Проведены систематические исследования деформации ГП при локальном прессовании стекол с одинаковой и отличающейся вязкостями при температуре прессования. Получены зависимости максимальной глубины впрессованной части покрытия от глубины прессования при различных соотношениях толщин покрытия и подложки, ширины краевой зоны от максимальной глубины впрессованной в подложку части покрытия при двух различных значениях параметра вязкости. Была доказана возможность создания методом локального прессования ААД высокого оптического качества различных геометрических форм, размеров и функций пропускания.

Сделан вывод о том, что метод СГФ применим и перспективен для создания оптических деталей с заданными плавно изменяющимися оптическими характеристиками по апертуре.

Глава 3. Разработка и исследование аподизирукнцих диафрагм

пятая глава посвящена обоснованию возможности формирования заданного распределения излучения с помощью спекформов. Особое внимание уделено проблеме аподизации лазерного излучения амплитудными и фазовыми диафрагмами - спекформами (ААД и ФАД).

Новый технологический принцип положенный в основ создания лазерных оптических элементов позволил получить оптические детали с плавно уменьшающимся пропусканием от центра к периферии световой апертуры стеклянные ААД, имеющие широкие интервалы изменения параметров. Несмотря на то, что работ, посвященных аподизации было немало, все еще оставались неясными многие аспекты использования ААД. Главным образом, мало изученным оставался вопрос влияния их параметров на пространственно-энергетические характеристики проходящего через диафрагму излучения. Не были выработаны также единые критерии оценки эффекта аподизации. По известным из литературным источников данным невозможно было связать характеристики аподизированного лазерного пучка в ближней зоне с его характеристиками в дальней зоне. Вопрос о влиянии небольшой фазовой неоднородности, неизбежно возникающей при изготовлении ААД различными методами, в литературе практически не затрагивался. Решению этих проблем посвящена эта глава.

Глава посвящена исследованию формирования лазерного излучения алодизирующими амплитудными, амплитудно-фазовыми и фазовыми диафрагмами. Приведены результаты систематического расчетно-экс-периментального исследования дифракции лазерного излучения на таких диафрагмах в ближней и дальней зонах. Показано, что спэк-формы в качестве аподизирующих диафрагм могут удовлетворять практически все требования, предъявляемые к такого рода элементам. Приводятся результаты расчетно-экспериментальных исследований. направленных на поиск оптимальных параметров аподизато-ров как по качеству и по размеру зоны аподизации. так и по внесению минимальных потерь в аподизированное излучение. Результаты численного моделирования позволили определить основные закономерности распространения аподизированного излучения и на их основе выбрать оптимальные параметры аподизаторов. В частности показано, что аподизирующие свойства диафрагм в общем случае яв-

ляются результатом совокупного влияния ширины переменной зоны и величины минимального пропускания на краю диафрагмы. Правильность физико-математической модели была подтверждена экспериментально на аподизирующих амплитудных, фазовых и амплитудно-фазовых диафрагмах с параметрами, соответствовавшими расчетным, которые были изготовлены методом СГФ из специально разработанных стекол. При решении этих задач впервые был получен спекформ с плавным фазовым рельефом, изменяющимся по заданному закону в пределах нескольких длин волн.

В работе предложено объяснение аподизирующих свойств фазовых и амплитудно-фазовых диафрагм с позиции взаимодействия (суперпозиции) дифракционной и "геометрической" волн.

Глава б. Разработка и исследование коррекционных и формирующих оптических элементов

шестая глава посвящена обсуждению вопросов, связанных с определением применимости метода СГФ для изготовления фазовых и коррекционных спекформов и диапазона изменения их оптических характеристик, а также доказательству возможности использования спекформов для решения задач в оптике и лазерной технике. Эти вопросы решались на примерах разработки, изготовления и экспериментального опробования ряда оптических элементов и систем с использованием спекформов, в частности, для формирования заданного распределения интенсивности лазерного излучения в фокальной плоскости объектива в задачах фокусировки излучения в пятно дифракционного качества и формирования заданных контурных рисунков на поверхности объекта; для компенсации некоторых видов аберраций оптических систем.

Особое внимание при решении этих задач обращалось на достижение высоких функциональных характеристик элементов и устройств при уменьшении их веса и габаритных размеров, т.е. на создание компактных светосильных с малыми потерями оптических систем, либо на создание формирующих оптических элементов с малыми све-топотерями.

В первом параграфе главы обсуждается возможность создания фазовых спекформов с оптической неоднородностью, изменяющейся в пределах длины по заданному закону и с их помощью формирования

ВФ лазерного излучения в фокальной плоскости оптической системы в пятно заданной конфигурации минимального размера. Для выбора требуемого профиля граничной поверхности фазовой пластины-спек-форма проводилось численное моделирование дифракции лазерного излучения на фазовых пластинах с различным фазовым рельефом при использовании математической модели, описанной во второй главе. Исследовалась возможность формирования минимального кольцевого изображения в фокальной плоскости объектива при использовании фазового спекформа с конической ГП. Были изготовлены фазовые пластины с коническим профилем ГП, с максимальной величиной оптической неоднородности <5по=дп-лтах = о.гз и 1.0 х. (где дп -разница показателей преломления составляющих стекол, \ах- максимальная толщина внедренного в подложку стекла), соответствовавшим расчету. Интерферометрическим методом определяли фазовый рельеф готовых пластин, который оказался соответствовавшим заданному. Локальных искажений обнаружено не было. Проведенные эксперименты продемонстрировали возможность формировать фазовые характеристики излучения, изменяющиеся в пределах одной длины волны по заданному закону с точностью не хуже о.ах. Во второй части параграфа приведены результаты экспериментальных исследований по формированию неосесимметричных распределений интенсивности лазерного излучения в фокусе линзы при помощи фокусаторов - спекформов со сложным несимметричным профилем ГП. Изложен принцип расчета граничной поверхности формирующего элемента для получения требуемой конфигурации контурного изображения в фокусе оптической системы, основанный на разбиении поверхности на элементарные фрагменты, которые формируют соответствующие элементарные фрагменты изображения в виде отрезков линий, полос, окружностей и представляют собой соответственно участки цилиндрических, торических и конических поверхностей. Расчет ведется в рамках геометрической оптики. Этот принцип расчета был применен для создания фокусаторов-спекформов с цилиндрической, конической и пересекающимися цилиндрическими, расположенными под разными углами друг к другу , поверхностями, формирующими линию, окружность, "крест" и квадрат в фокусе линзы. Приведены результаты исследований формирующих свойств таких спекформов, которые позволяют. говорить о возможности формирования фазовых фронтов сложной топографии. Отмечено, что полученные фокусаторы обладают

высокой энергетической эффективностью: практически 100% падающего излучения преобразуется в контурный рисунок. Изготовленные фокусаторы использовались для формирования мощного лазерного излучения с длиной волны 1.06 ыкм. Световой размер фазовых пластин и фокусаторов был 30 мм.

Во втором параграфе показана возможность создания линзового элемента малого размера. Описан оптический элемент диаметром 2.4 мм, представляющий собой рассеивающую линзу с большим фокусным расстоянием, расположенную в центре стеклянной пластины диаметром 15 мм. Линзовый элемент был изготовлен методом локального прессования. При его использовании был создан и исследован интерферометр с совмещенными ветвями. Проведенные измерения позволили утверждать, что методом СГФ можно получать фазовые оптические элементы для формирования ВФ излучения с погрешностью не более одх.

В третьем параграфе главы рассмотрена коррекция аберраций в телескопической системе типа Кассегрена с главным составным зеркалом при использовании корректора - спекформа. Рассмотрены проблемы фазирования и угловой юстировки составного зеркала, возникающие в таких системах. Описано решение задачи сопряжения сегментов составного зеркала по угловому и ступенчатому положению, основанное на автоколлимационном принципе, в отличие от традиционного интерферометрического. Предложен и реализован новый метод фазирования на макете телескопической системы с четы-рехэлементным составным зеркалом. На основе описанной в третьем разделе математической модели проведено численное моделирование работы составного зеркала, выработаны критерии допустимых величин расфазирования и угловой разыостировки, при которых сегменты работают как сплошное зеркало. Приведены данные по влиянию расфазирования и угловой разыостировки на число Штреля и смещение диаграммы направленности. Приведены зависимости этих же величин от площади рассогласованных субапертур. Проведен эксперимент по созданию телескопической системы с составным зеркалом и корректором сферической аберрации, полученным методом СГФ. Приведены характеристики созданного корректора и экспериментальные данные по его корректирующим свойствам. Скомпенсированная волновая аберрация имела величину около ? длин волн. Получена фокусировка излучения в пятно дифракционного размера.

С увеличением светосилы оптической системы растет величина ее аберраций. В четвертом параграфе приведены результаты работ по исследованию возможности компенсации сферической и сферохро-матической аберрации до нескольких сотен длин волн при помощи корректора-спекфорыа. Рассматривался вопрос формирования дифракционно ограниченного пятна фокусировки однокомпонентным светосильным объективом. В результате работы был создан однокомпонент-ный объектив с относительным отверстием i:i.ei, диаметром 19 мм, Стекла, из которых был сделан объектив имели разницу показателей преломления дл = о.128, максимальная оптическая неоднородность = ззгх (где х = о.ез мкм). Расчет корректора осуществ-ö

лялся по методике, описанной в третьей главе. Были проведены измерения профиля ГП по углу отклонения тонкого пучка лазерного излучения, прошедшего через заданную точку ГП по методике, описанной в третьей главе. Сформированная поверхность имела сложный асферический профиль, описываемый кривой двенадцатого порядка, и с высокой точностью соответствовала расчетной. Была проведена проверка функциональных свойств такой линзы-спекформа при фокусировке лазерного излучения. Сфокусированное пятно имело размер «B1-3 раза превышающий дифракционный теоретический предел. Скомпенсированная аберрация составляла % 352 длины волны. Обсуждаются причины некоторого увеличения пятна фокусировки по сравнению с теоретическим. В заключение обсуждается перспектива использования спекформов корректоров для коррекции хроматических и сферохроматических аберраций.

В пятом параграфе получило дальнейшее развитие решение задачи применимости спекформов для улучшения характеристик оптических систем. Приведены расчетные данные по сравнению коррекционных свойств асферической плавной и волнообразной поверхности при компенсации сферической и сферохроматической аберрации однокомпонентного светосильного объектива. Продемонстрирована возможность создавать более тонкие оптические элементы с меньшей сферохроматической аберрацией (при полностью скомпенсированной сферической аберрации) при использовании корректора - спекформа с волнообразным профилем ГП. Показана возможность создавать плоские светосильные линзовые элементы с компенсацией сферической аберрации на основе применения метода СГФ. Впервые получены линзовые элементы с относительным

отверстием 1:1.7 с волнообразным профилем коррекционной поверхности и плоские линзы - спекформы с п-.э^ 1:4 диаметром 15 мм, толщиной около 3 мм.

Предложенный метод расчета коррекционной волнообразной поверхности в сочетании с методом СГФ позволил создать светосильный объектив с корректором, имеющим ГП сложной формы. На его основе был изготовлен двухлинзовый конденсор с большим углом охвата, превышающим юо градусов, который невозможно получить другими методами- Величина скомпенсированной волновой аберрации достигала тысячи длин волн. Приведены конструкция конденсора и результаты измерения угла отклонения лазерного ГП корректора. Конденсор имел выходную апертуру й 48 мм при толщине по оси 29 мм. При этом толщина корректора составляла 7 мм.

В конце пятого параграфа описана конструкция пятикомпонент-ного светосильного с уменьшенными весогабаритными характеристиками объектива для телевизионных камер. Приведены параметры объектива и его функциональные качества. Уменьшение толщины объектива по оси было достигнуто благодаря введению в его конструкцию двух корректоров - спекформов: фронтального, компенсирующего в основном сферическую аберрацию широкого пучка, и полевого, компенсирующего аберрации наклонных пучков. Достижение требуемых характеристик было невозможным в рамках сферической оптики. Световой диаметр объектива 3 мм, х>-.&ц 1:1.8, поле зрения 66° при толщине по оси 6 мм и расстоянии от выходной поверхности до плоскости изображения 3 мм. Весь объектив, в том числе и коррекционные элементы, были изготовлены из промышленных стекол. Стекла для корректоров подбирались по методике, предложенной и разработанной в диссертационной работе и описанной в четвертой главе. Наиболее перспективной оказалась пара стекол К8 и ТБФ4, разница показателей преломления которых «-в = о.гее. Изготовленные коррекционные элементы имели высокое качество. Отмечена хорошая воспроизводимость профилей граничной поверхности, которые представляли собой асферические поверхности высокого порядка. При изготовлении объективов был решен ряд технических и технологических проблем, в частности вопрос центрировки внутренней асферической поверхности, определены допуски на отступление толщин стекол, составляющих коррекционный элемент.

Т. о. в ходе экспериментальных исследований было получено несколько видов асферических поверхностей с глубиной фазового рельефа от единиц до тысячи длин волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Обоснована применимость метода спекания двух стекол для создания оптических и лазерных элементов с границей спекания, предназначенной для работы как в поле лазерного излучения, так и вне его. Впервые продемонстрирована возможность работы оптических деталей, полученных спеканием, в качестве внутрирезонаторных элементов; предложены новые конструкции комбинированных стержневых и дисковых активных элементов на основе метода спекания.

г.Предложен принцип создания нового вида оптических элементов - спекформов, в основу которого положено целенаправленное горячее формообразование граничной поверхности спеченной слоистой заготовки из двух стекол с различными оптическими характеристиками, названный технологией СГФ. Показано, что применение принудительного спекания позволяет повысить оптическое качество спекаемых поверхностей и использовать его для изготовления оптических и лазерных деталей. Получено высокое оптическое качество граничной поверхности при принудительном спекании стекол с разницей показателей преломления до Дп. 2 0.1.

з. Предложены и реализованы новые методы получения заданных профилей граничной поверхности, основанные на технологии СГФ, -макропрессования и локального прессования, выявлены закономерности формообразования граничной поверхности при прессовании слоистых стеклянных пластин прессующими инструментами с криволинейными рабочими поверхностями. Разработан метод расчета поверхностей прессующих инструментов, исходя из заданной конфигурации граничной поверхности стекол, в основу которого положен принцип эквидистантности.

4. Выработаны как общие, так и специальные требования к парам стекол для спекформов. Разработаны новые поглощающие и прозрачные пары стекол. Предложен метод подбора пар промышленных стекол для спекформов при использовании данных ГОСТа, включающий методики расчета необходимых критериальных характеристик, проведение анализа характеристик стекол по предложенным критериям. Правильность метода подтверждена экспериментально. Подобраны перспективные пары промышленных стекол для изготовления спекформов .

з. Разработана совокупность экспериментальных и расчетных методик для исследования функциональных свойств спекформов, в том числе метод измерения их угловых характеристик по отклонению луча лазера,, проходящего через граничную поверхность в заданной точке; методика исследования влияния параметров амплитудно - фазовых спекформов на характеристики излучения в дальней и ближней зонах. Разработан и реализован интегральный метод расчета асферической граничной поверхности коррекционных элементов - спекформов. Предложен, теоретически обоснован и реализован метод измерения разницы показателей преломления спеченных стекол , в том числе, пар высо-копоглощающего и прозрачного. Созданы экспериментальные установки для исследования функциональных свойств спекформов и измерения их оптических характеристик.

е. Доказано, что при использовании метода спекания и горячего формообразования сСГФ> можно изготавливать фазовые спекформы различного функционального назначения с широким диапазоном изменяемой по заданному закону оптической неоднородности: от долей до нескольких сотен длин волн и амплитудные с переменной плотностью по апертуре и перепадом пропускания Ю4 размерами от 2 до 50 мм.

Впервые изготовлены спекформы различного функционального назначения:

- амплитудные, фазовые и амплитудно-фазовые аподизирующие диафрагмы, размерами от 3 до 50 мм;

- коррекционные элементы с несколькими видами асферических поверхностей глубиной асферизации, соответствующей оптической неоднородности от единиц до нескольких сотен длин волн, предназначенных для компенсации аберраций в различных оптических системах, в том числе, в телескопической системе типа Кассегрена с главным со-

ставным зеркалом, одно-, двух-, пятикомпонентных объективах, размерами от 5 до 48 мм;

- линзовые элементы с компенсацией аберраций в виде плоских и плоско-выпуклых линз, в том числе малого (до 2 мм) размера;

-фазовые пластины с коническим профилем оптической неоднородности, изменяющейся в пределах длины волны световым диаметром 15 мм;

- формирующие элементы для формирования контурных рисунков в фокальной плоскости оптической системы в виде линии, окружности, квадрата, креста;

- амплитудные фильтры для регулирования освещенности в телевизионных объективах - оттенители с плотностью, изменяющейся по заданному закону диаметром ?, 12 и 45 мм.

7. Методами численного моделирования и экспериментально выявлены закономерности амплитудно-фазовой аподизации. на их основе выбраны оптимальные параметры аподизирующих амплитудных, фазовых и амплитудно-фазовых диафрагм. Предложена физическая модель, объясняющая аподизирующие эффекты на стеклянных аподизирующих диафрагмах с фазовой неоднородностью. Исследованы свойства изготовленных аподизирующих диафрагм - спекформов.

е. Показана возможность достижения высоких параметров различных оптических систем за счет использования корректирующих спекформов. Разработан и изготовлен светосильный однокомпонентный объектив с относительным отверстием 1:1.61 с использованием корректора - спекформа. фокусирующий излучение в пятно размером, близким к дифракционному. Разработан и изготовлен двухлинзовый конденсор с большим (более юоградусовз углом охвата с использованием корректирующего спекформа со сложным волнообразным профилем граничной поверхности. Разработан и изготовлен пятикомпонентный с фронтальным и полевым корректорами-спекформами миниобъектив для телевизионных камер, обладающий улучшенной совокупностью функциональных и весогабаритных характеристик.

Получена фокусировка лазерного излучения в пятно минимально возможного размера с заданным геометрическим контуром при помощи фазового спекформа с коническим профилем оптической неоднородности, изменяющейся в пределах одной длины волны.

э. Доказано, что при помощи спекформов можно решать различные задачи формирования заданных характеристик световых пучков: уменьшать величину осцилляция лазерного излучения, возникающую из - за дифракционных эффектов на ограничивающих апертурах; формировать заданную форму распределения интенсивности в фокальной плоскости оптической системы; компенсировать различные виды аберраций; формировать точные фазовые характеристики волнового фронта излучения как осесимметричного, так и неосесимметричного характера.

Таким образом, совокупность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, является новым направлением в оптическом и лазерном приборостроении и может быть классифицирована как крупное достижение в области развития и совершенствования его элементной базы. Предложенный и развитый в работе метод создания нового вида оптических элементов - спекформов, открывает новые возможности для разработки, проектирования и изготовления оптических систем нового поколения. Поставленные и решенные в работе научные, технические и технологические задачи охватывают практически полный и исчерпывающий комплекс вопросов, ответ на которые позволил создать универсальный метод изготовления оптических элементов, аналогов которому нет ни в нашей стране, ни за рубежом. Спекформы при единой технологической базе их изготовления позволяют решать целый ряд задач по формированию заданных волновых фронтов, созданию оптических систем с улучшенными весогабаритными и функциональными характеристиками.

Список печатных работ по теме диссертации

1. Цветков А.Д., Мак A.A., Щавелев О.С., Стариков А.Д., Плугалова Н.Ю., Филиппов H.A., ГТолухин В.Н. Поглощающее покрытие активных элементов дисковых усилителей. В сб. Тезисы докладов i Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" Л.: ГОИ, 1975,12.

г. Алексеев В.Н., Мак A.A., Пивинский Е.Г., Седов Б.М, Стариков А.Д., Цветков А.Д.. Высокоэффективные дисковые усилители на неодимовом стекле. В сб. Тезисы докладов i Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" Л.: ГОИ, 1976, 55.

з. Алексеев В.Н., Мак A.A., Пивинский Е.Г., Седов Б.М, Ста-

риков А.Д., Цветков А.Д. Дисковый усилитель на неодимовом стекле с большой световой апертурой. Квантовая электроника, T.3, N1, 1976.

4. Алексеев В.Н., Мак A.A., Пивинский Е.Г., Седов Б.М, Стариков А.Д., Цветков А.Д.. Оконечные дисковые усилительные каскады.

Квантовая электроника., Т.5, N II, 1978, 2369.

5. ЩавелевО.С., Плуталова Н.Ю., Цветков А.Д., Любочска? Г.Н. Цветное стекло. A.c. N 587III, БИ н I, 1978.

е. Цветков А.Д. О пороге паразитной генерации в дисковых активных элементах с поглощающим покрытием. В сб. Тезисы доклэдое хи Научно-технической конференции молодых специалистов Л.: ГОИ, 1978, 60.

7. Цветков А.Д., Щавелев O.e., Стариков А.Д., Плуталова Н.Ю., Филиппов H.A. A.c. n 647274.Способ нанесения стеклянного покрытия. БИ N 6, 1979.8. Цветков А.Д., Щавелев О.С., Седов Б.М., Митькин В.М. Лазерный усилитель. A.c. м 782675, 1980.

9. ЩавелевО.С., Цветков А.Д., Плуталова Н.Ю., Митькин В.М., Седов Б.М. Способ изготовления аподизирующих диафрагм.// A.c. N 818134, 1980.

ю.Королев В.И., Дивин Г.Д., Цветков А.Д. - Усилитель лазерного излучения. A.c. N 764573, 1980.

ü. Крыжановский В.И., Седов Б.М., Серебряков В.А., Цветков А.Д., Яшин В.Е. Применение аподизирующих и "жестких" апертур длз формирования световых пучков в твердотельных лазерных системах,// Е сб.: Тезисы докладов на in Всесоюзной конференции -Оптика лазеров", Л., ГОИ, 1981, с.342.

1г. Королев В.И., Седов Б.М., Солдакова H.A., Цветков А.Д., Щавелев О.С. Исследование порогов разрушения стекол с высоко! концентрацией поглощающих примесей под действием лазерного излучения. Б со. Тезисы докладов у Всесоюзного совещания по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом Л.: ГОИ ФИАН, 1981, 172.

13. Цветков А.Д., Седов Б.М., Щавелев О.С. "Способ изготовления оптических деталей преимущественно аподизирующих диафрагм". A.c. N 842062, БИ N 24, 1981.

14.. Щавелев О.С., Плуталова Н.Ю., Диденко Л.А., Цветков А.Д., Солдакова H.A.// Аподизирующая диафрагма. A.c. н 853972, 1981.

is. Мурзин А.Г., Солдакова H.A., Фромзель В.А., Цветков А.Д. i

лиянии поверхности спекания стекол на угловые и энергетические арактеристики лазеров." В сб.: Тезисы докладов на m Всесоюзной

ОНфервНЦИИ "Оптика лазеров", Л., ГСМ, 1981, с.347.

16. Крыжановский В.И., Седов Б.М., Серебряков В.А., Цветков .Д., Яшин В.Е. Формирование пространственной структуры излучения в вердотельных лазерных системах аподизирующими и жесткими апертура-И. - Квантовая электроника, Т.10, N 2, 1983, С.354.

iv. Мурзин А.Г., Солдакова H.A., Фромзель В.А., Цветков А.Д. 0 лиянии оптической неоднородности границы спекания стекол на харак-эристики излучения лазеров." Оптика и спектроскопия, 55, вып.5, Э83, с.940.

18. Цветков А.Д., Седов Б.М., Щавелев О.С. "Способ изготовле-ия оптических деталей". A.c. n 1006399, БИ n II, 1983.

19. Лунтер С.Г., Мак A.A., Мурзин А.Г., Прилежаев Д.С., Сере-ряков В.А., Федоров Ю.К., Фромзель В.А., Цветков А.Д. Лазерный зилитель. A.c. n Ю56835, 1983.

го. Цветков А.Д., Потапова Н.И., Седов Б.М., Щавелев О.С. Спо-эб измерения разницы показателей преломления спеченных стекол. " атент РФ N. II574I4, БИ м.19, 1985, с. 160

ai. Цветков А.Д., Потапова Н.И., Седов Б.М., Щавелев О.С., <обсон H.A., Плуталова Н.Ю. Стеклянные аподизирующие диафрагмы с /пергауссовой функцией пропускания.- тс, т.45, ыб, 1986,1022.

гг. Цветков А.Д., Седов Б.М., Потапова Н.И., Щавелев О.С. Из-эрение разницы показателей преломления спеченных стекол. - тс, . 45, N 4, 1986, с.652.

гз. Потапова Н. И-. Цветков А- Д., Седов Б- М- Исследование ^фракции лазерного излучения на стеклянных аподизирующих «фрагмах с супергауссовой функцией пропускания." В сб. Тезисы п

»СОЮЗНОЙ КОНфервНЦИИ "Теоретическая и прикладная оптика". - Л.: )И, 1986. С. 123.

24. Цветков А. Д.. Потапова Н. И., Седов Б. М- . Щавелев 0. С.. юбеон Н. А. Аподизирующие диафрагмы на основе явления неоднородна деформации граничной поверхности при прессовании слоистых стек-¡нных заготовок. - от, n 12, 1987, с.24-ге.

25. Цветков А. Д. , Потапова Н. И.. Седов Б. М- . Щавелев 0. С. (фракция на аподизирующем крае стеклянного поглощающего экрана со 1абым оптическим КЛИНОМ. - Оптика и спектроскопия, Т.62. ВЫП. 4, 18?. 86O-803.

га. Цветков А. Д.. Потапова Н. И. . Седов Б. М. Влияние параметре супергауссовых аподизирующих диафрагм на распределение интенсивно сти в дальней зоне. - Квантовая электроника, Т.15, N6,1888, С Ю41- 1045.

гг. Потапова Н. И., Цветков А. Д. Дифракция Френеля на стеклян ных аподизирующих диафрагмах с супергауссовой функцией пропуска

НИЯ- - Квантовая электроника, Т-13, N10, 1988, С. 2059-2064.

28. Цветков А.Д. Разработка и исследование комбинированнь лазерных оптических • элементов на основе метода спекания формообразования стекол.^ Автореферат диссертации на соискани ученой степени к.т.н.'' Л., ЖГМО, 1988, 20 е..

29. Боргман В.А., Глебов Л.Б., Никоноров Н.В., Петровски Г.Т., Саввин В.В., Цветков А.Д. Фоторефрактивный эффект силикатных стеклах. ДАН, т.309, N2, 1989, с.336-339.

30. Потапова Н. И. , Цветков А. Д. Сравнение аподизирующу свойств стеклянных диафрагм с различными функциями пропускания

- Квантовая электроника, 7.17, N 7, 1990, С. 928-930.

31. Потапова Н.И-. Цветков А. Д. Фазовые аподизирующие диафрат мы для лазерной техники В сб. -. Тезисы докладов VI Всесоюзной конфе ренции "Оптика лазеров", Д.: ГОИ, 1990. 0.239.

за. Потапова Н. И., Цветков А. Д. Методы и устройства для изме рения величин угловой и ступенчатой разъюстировок субапертур состг вного зеркала. В сб.: Тезисы докладов VIи Всесоюзной научно-те>

НИЧеСКОЙ КОНфереНЦИИ "Фотометрия и ее петрологическое обеспечь

ни©.", М.: НПО ВНИИ оптико-физических измерений. 1090. с. зэ.

33. Цветков А. Д., Потапова Н. И. . Плуталова Н. Ю.. Щавелев 0. Линзовые оптические элементы на основе метода спекания скваз} граданьо. В сб..- Тезисы докладов н Всесоюзной конференции "олти*

лазеров", Л.: ГОИ. 1990, С. 240.

34. Потапова Н. М., Цветков А. Д. Алодизация лазерного излучи НИЯ фазовыми диафрагмами. - Квантовая электроника, Т.19, N 3, 1992 С. 460-463.

35. Цветков А. Д. , Потапова Н. И. Светосильный объектив для фс

КУСИРОВКИ ЛазерНОГО ИЗЛУЧеНИЯ. - Квантовая электроника, Т.13, N и 1992, С. 1215.

36. Потапова Н. И.. Цветков А. Д. Устройство для измерения ог носительного перемещения двух объектов. Патент РФ N 1798619, би ж

1993 г.

37. Потапова Н. И. . Цветков А. Д. "Фазовые пластины для форми-ания волновых фронтов заданной конфигурации" / в сб. тезисы докл.

ЭНф-"Оптика лазеров'93", С.-Петербург, 1Э9Э, С.233.

38. Цветков А. Д., Потапова Н. И. "Светосильный объектив для фо-усировки мощного лазерного излучения". /Там же. с. £42.

39. Цветков А. Д., Потапова Н. И. "Фокусаторы для формирования энтурных рисунков в фокусе объектива" /Там же. с. 243.

40. Иванова И.В., Цветков А.Д., Сиразетдинов B.C. Интерферо-зтр для контроля волнового фронта лазерного излучения. /В сб. Те-лсы докл. международной конф. "Оптика лазеров'93", С.-Пб, 1993, .517.

41. Цветков А. Д. . Потапова Н. И- "Спекформы - формирователи БОКОВОГО фронта лазерного излучения". Квантовая электроника, т. 21,

L, 1994 г. С.81.

4г. Цветков А.Д., Потапова Н.И. "Спекформы - коррекционные яементы для компенсации сферической аберрации", оптический »рнал, N II, 1994 С.54-58.

43. Цветков А.Д., Потапова Н.И. "Коррекция аберраций макета элескопической системы с главным составным зеркалом"./ В сб. 53ИСЫ докладов cum."Прикладная олтика'94". С.-П., 1994, с. 29.

44. Иванова И.В., Цветков А.Д. Изготовление микрооптических лементов методом спекания и локального прессования. В сб. Тезисы экл. симпозиума "Прикладная оптика - 94".С.Пб. -1994, с.64.

45. Цветков А.Д., Потапова Н.И., Щавелев О.С. "Фильтры с лавным изменением по апертуре для систем свет©регулирования те-звизионных объективов". /В сб. Тезисы докладов сипм.-прикладная шика-94м. С.-П., 1994, 72.

46. Иванова И.В., Цветков А.Д. Интерферометр с рассеивающей 4нзой для исследования волнового фронта лазерного излучения, кван-■>вая электроника, т.21, N 4, 1994, с.389.

47. Цветков А.Д. Спекформы - новый класс оптических и лазерных ПемеНТОВ. Оптический вестник, N 9 (45), 1994, с.7.

48. Потапова Н. И. , Цветков А. Д. Способ изготовления оптических эталей с плавным изменением оптических характеристик по апертуре, зтент РФ N 2037851, БИ N17, 1995.

49. Потапова Н.И., Цветков А.Д. "Двухлинзовый конденсор с ас-эрическим компенсатором". Оптический журнал, N 3. 1995, с.71.

so. Иванова И.В., Цветков А.Д. Новые отражательные элементы

для планарной оптики.^ В сб. тез. докл. Международной научно-пра! тической конференции "Оптика, Стекло. Лазер -95".С,Пб.~ 1995.

5i . Потапова H.H., Цветков А.Д. Свойства асферическ! граничных поверхностей спекформов. Б сб. тез. докл. Международна научно-практической конференции "Оптика, Стекло. Лазер -95".С.Пб 1995.

5г. Потапова Н.И., Цветков А.Д. Миниобъектив для телевизионн камер. В сб. тез. докл. Международной научно-практической конф ренции "Оптика, Спекло, Лазер -95".С.Пб.- 1995.

S3. Цветков А.Д. Выбор пар стекол для спекформов. В сб. те докл. Международной научно-практической конференции -оптика, сте ло. Лазер -95".С.Пб.- 1995.