Дифракционные решетки нового поколения: Их теория, изготовление и применение в спектральных приборах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, доктор технических наук Соколова, Елена Алексеевна

• Соколова, Елена Алексеевна
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Соколова, Елена Алексеевна

Введение.

Глава 1. Дифракционная решетка как основной элемент спектрального прибора.

1.1 .Электромагнитная теория решетки.

1.2. Голограммные решетки.

1.3. Вогнутые решетки.

Глава 2. Геометрическая теория голограммной дифракционной решетки, записанной в двухступенчатой схеме.

Глава 3. Изготовление голограммных дифракционных решеток при помощи двухступенчатой записи во встречных пучках.

3.1. Изготовление решетки, имеющей 600 штрихов на миллиметр.

3.2. Изготовление решетки, имеющей 3600 штрихов на мм.

Глава 4. Новые оптические схемы спектральных приборов, и использование голограммных дифракционных решеток нового поколения в новых и ранее известных спектральных инструментах.

4.1. Спектрографы с плоским полем.

4.2. Высокоразрешающий спектрометр.

4.3. Использование высокоапертурного монохроматора в качестве устройства для предварительной монохроматизации для спектрометра, измеряющего скорость плазмы.

4.4. Сканирующий монохроматический осветитель с голограммной дифракционной решеткой и оригинальной сканирующей системой.

4.5. Запись решеток для демультиплексоров.

4.6. Особенности расчета оптической схемы двойного монохроматора и его геометрическая теория.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дифракционные решетки нового поколения: Их теория, изготовление и применение в спектральных приборах»

Всякий раз, когда электромагнитная волна сталкивается с преградой , соразмерной ее длине волны, часть энергии на волне рассеяна. Если преграда является периодической, или если имеется периодическое изменение любого параметра, который воздействует на распространение волны, энергия рассеяна в различные дискретные направления, или " порядки дифракции", и структура, которая действует таким образом , может быть названа "дифракционной решеткой". Изменение направления распространения и амплитуда волны в дифрагированном на решетке порядке зависит от отношений между длиной волны и периодом. Таким образом, решетка может диспергировать множество длин волн и формировать спектр. Она исполняет ту же самую функцию, что и призма, но во многих отношениях делает это лучше и более удобна в использовании. В принципе любая периодическая структура , взаимодействуя с подходящим волновым возмущением, может давать дифрагированные порядки . Также любое волновое возмущение может быть разложено в спектр при условии взаимодействия с подходящей решеткой . Таким образом радиоволны могут взаимодействовать с волнами на поверхности океана и имеются случаи, когда это должно быть принято к рассмотрению в навигационных инструментах. Кристаллы - это периодические структуры атомов, и дифракция на них рентгеновских лучей и электронов - основа кристаллографии. Явление дифракции может быть замечено в природе и в доме: оно ответственно за блеск некоторых перьев птицы, за цвета, которые наблюдаются на граммофонных пластинках и за цветные фигуры, которые замечены, когда уличный свет рассматривается через ткань зонтика. Есть также история о профессоре, который убедил судью, что дифракция гофрированным железным забором была причиной для ошибочного чтения радиолокационного сигнала определения скорости на дороге1 . Однако, реальное значение решеток заключается в их способности разложения в спектр преимущественно электромагнитного излучения , и в том, что детальным анализом этого спектра можно изучать или источник излучения или среду, через которую это излучение проходило. Термин "спектр" относится или к распределению излучения среди различных длин волны или к изображению этого распределения. Базис спектроскопии - разделение различных длин волн и представление их как спектр. В случаях эмиссии света от атомов в разряде имеются сравнительно немного дискретных длин волн, в то время как в других типах эмиссии (" черное тело ") - присутствуют все длины волн , и мы имеем непрерывный спектр или " белый свет ". Имеются две категории спектральных приборов, спектрометр, который служит, чтобы изображать и измерять весь спектр и монохроматор, который выбирает и передает единственную длину волны или узкую полосу (диапазон) длин волн от спектра. Инструменты, которые используют решетки, разделяют различные составляющие спектра, перераспределяя излучение в зависимости от длины волны. Чтобы избежать ошибок, излучение должно падать на диспергирующий элемент, который может быть решеткой или призмой, в хорошо определенном направлении, что достигается его прохождением через щель и коллиматор. После того, как излучение было диспергировано, оно фокусируется так, чтобы спектр был показан как ряд изображений щели , расположенных в соответствии с длинами волн. В случае спектра испускания, где имеются дискретные длины волн , они выглядят как ряд изображений щели или «спектральные линии». В сплошном спектре имеется бесконечное число линий, которые сливаются друг с другом.

Каждый атом и каждая молекула имеют свой собственный характеристический спектр, которым они могут быть идентифицированы , и спектроскопия имеет очень широкие области применения. Она используется, например, в больницах в анализе крови, и в промышленности , и в управлении процессами и контроле качества. Она проверяет составные части расплава в производстве стали, и обнаруживает малые количества примесей во всех видах продуктов. В научных исследованиях функции спектроскопии удивительно разнообразны. С одной стороны она позволяет нам изучать элементы структуры атома, в то время как с другой это - наш единственный способ выяснить, из чего состоят звезды . В сердце большинства подобных работ находится дифракционная решетка. В многих спектральных инструментах решетка составляет только малую часть их стоимости, но качество решетки определяет качество спектра, который может быть получен. Это и делает дифракционную решетку столь важной.

Хотя любая периодическая структура будет действовать как дифракционная решетка, мы ограничимся в основном рассмотрением одномерного массива, который является фактически рядом параллельных равноотстоящих линий той или иной формы, расположенных в одной плоскости. Любая форма волнового возмущения может быть дифрагирована подходящей решеткой , но именно в оптическом диапазоне решетки наиболее важны и их изготовление наиболее развито. Многое из последующего рассмотрения применимо в равной степени и к дифракции звуковых или иных волн , но решетки для электромагнитного излучения представляют для нас основной интерес , особенно для спектра между инфракрасной областью и рентгеновскими лучами. Практически большинство решеток состоит из твердой подложки с оптической поверхностью, на которую нанесены параллельные равноотстоящие штрихи. Такая решетка показана схематично на рис. 1. Изобретение дифракционной решетки приписано американскому астроному Дэвиду Риттенхаузу, который в 1786г." был заинтригован результатами, полученными при рассмотрении отдаленного источника света через шелковый носовой платок. Чтобы повторить эксперимент при контролируемых условиях, он составил квадрат из параллельных волос, которые положил между двух точных винтов , сделанных часовщиком. Когда он посмотрел через эту структуру на небольшую освещенную щель в оконном ставне затемненной комнаты, он увидел три изображения приблизительно равной яркости и несколько других с обеих сторон. Он отметил, что красный свет был отклонен больше чем синий свет и приписал этот результат дифракции. Он не пошел так далеко, чтобы измерить длину волны света, но он правильно предсказывал, что, продолжая подобные эксперименты," новые и интересные открытия могут быть сделаны относительно этой интересной материи, света ".

Явление спектральных цветов, произведенных решеткой, трактовалось несколько фривольно в 1822 Сэром Джоном Бартоном, который был заместителем контролера Монетного двора в Лондоне. Он получил патент" " Процесс для приложения призматических цветов к поверхности сталей и других металлов и использование его в изготовлении различных украшений ". В этом патенте он предложил получать спектральное разложение света нарезанием пересеченных решеток на стали, используя алмаз. Целью этого изобретения было изготовление модных пуговиц.

Однако, именно Джозеф Фраунгофер заслуживает право на изобретение дифракционной решетки, которую мы знаем сегодня. Весьма независимо в 1821 г.4 он повторил эксперименты Риттенхауза с точными проволочными решетками и изготовил отражающие решетки нарезанием штрихов алмазом на зеркальной поверхности. Его самая лучшая решетка была только 12mm шириной и содержала 9600 штрихов, но это позволило ему провести полное изучение ее характеристик и измерить длину волны света. Он объяснил явление порядков дифракции, вывел и проверил уравнение решетки и рассмотрел зависимость спектра от формы штрихов и погрешностей в их положении. Он положил основы изучения, которое продолжается в течение уже более чем 150 лет .

Фраунгофер умер в 1826 г. и в течение следующей половины столетия интерес к решеткам был невелик. Задача состояла в том, как сделать решетку, которая будет не только производить цветной спектр, но которая давала бы такое же качество спектра, как и призма. Скоро стало очевидным, что решетка, состоящая из линейных штрихов на зеркальной поверхности более практична, чем состоящая из параллельных проводов.

Первоначально изготовление решеток осуществлялось часовщиками, потому что они были единственные , кто имел опыт работы с деталями высокой точности. Делительная машина для изготовления пуговиц была сделана В. Гаррисоном, сыном Дж. Гаррисона, который изобрел морской хронометр. Однако, к концу девятнадцатого столетия Рэлей показал теоретически, что способность решетки, разрешать спектральные линии выше, чем у призмы 5 . В 1882 Н. А. Роуланд в Университете Джона Гопкинса в Балтиморе построил то, что он назвал " делительная машина" и изготовил решетки , которые подтвердили эту теорию6. Роуланд вообще считается первостроителем (если не техническим изобретателем ) делительной машины. Делительная машина - это устройство для осуществления двух ортогональных движений, сравнительно быстрого движения алмазного инструмента , наносящего штрих и намного более медленного движения перпендикулярно штриху, когда инструмент перемещается от одного штриха до другого. Допуски, требуемые для оптической решетки, имеют порядок малой доли длины волны видимого света, и делительная машина может рассматриваться как наиболее точная форма станка, уже существующего. Мало того, что Роуланд построил первую действительно успешно работающую делительную машину, но он также изобрел вогнутую решетку , в которой штрихи находятся на поверхности вогнутого сферического зеркала. Такая решетка не только разлагает свет в спектр, но также и фокусирует его в резкое изображение. Это сделало возможным разработку многих новых приборов и расширило диапазон изучаемых длин волн. Работа в Балтиморе продолжалась с большим успехом Дж. А. Андерсоном, Р.В. Вудом и Дж. Стронгом, и вплоть до Второй Мировой Войны университет Джона Гопкинса был всемирным главным поставщиком дифракционных решеток. Р.В. Вуд разработал метод для управления распределением света между дифрагированными порядками при помощи изменения формы штрихов решетки7. В этом методе, известном как "блеск", штрихи имеют пилообразный профиль, и грани штрихов могут рассматриваться как ряд малых зеркал, которые имеют тенденцию отражать свет в направление выбранного порядка дифракции, вследствие этого увеличивая процент энергии в этом порядке (Рисунок 2). Стронг (1935) ввел вакуумное осаждение тонких металлических пленок, и решетки стали наносить на тонком слое металла (алюминия) на поверхности стеклянной подложки, а не непосредственно на подложку из металла 8. Мало того, что с новыми подложками было легче работать и легче их изготавливать, но это повысило отражательную способность, и решетки стали более эффективными.

Тем временем, в Англии, Отто Хилгер построил машину для лорда Блитсвуда, позже переданную в Национальную Физическую Лабораторию. Там она нарезала решетки, пока не была передана Научному Музею в 1958г. А. А. Майкельсон в Университете Чикаго внес значительный вклад в искусство нарезания решеток, включая предложение контроля над положением штрихов посредством интерферометра9. Однако, он не был вполне удовлетворен этим усовершенствованием и фактически изготовил очень немного решеток. Решетку , которая, казалось, удовлетворяла его, он уронил и разбил на званом обеде. Но его работа ни в коем случае не была потрачена впустую. Его первая машина была позже принята компанией Бауш и Ломб. В значительной степени в результате этого они достигли успехов в изготовлении дифракционных решеток. Эта машина, измененная и модифицированная, все еще используется для коммерческого производства решеток. Вторая машина Майкельсона была построена в Институте Технологии Массачусетта и стала известной как машина "А" МИТ.

Во всех ранних делительных машинах, и во многих из более поздних, положение штрихов было определено посредством направляющего винта, и качество решетки зависело от точности винта и биений. Дефекты в винте типа эллиптичности, эксцентриситета или колебания вызвыали периодические ошибки в положении штрихов, и это вело к появлению ложных линий, известных как духи. Много усилий было положено на уменьшение духов и конструирование специальных кулачков, которые давали компенсацию ошибок винта. Однако, предел точности делительной машины определялся жесткостью и стабильностью материала, из которого она была сделана. Когда мы обеспокоены смещениями порядка нескольких атомных диаметров, машина, сделанная из самого жесткого материала ведет себя, как если бы она была сделана из каучука. Этот барьер был преодолен Гаррисоном и Строуком (1955), когда они внедрили предложеную Майкельсоном сервосистему, управляемую интерферометром10. Положения штрихов были тогда определены относительно длины волны света; винт, который был настолько критическим в более ранних машинах, служил только, чтобы перевести подложку перпендикулярно направлению штрихов.

Изготовление дифракционных решеток на делительных машинах также широко развивалось в Государственном Оптическом Институте им. С. И. Вавилова. Позже эта технология была передана на Ленинградское Оптико-Механическое Объединение и в Государственный Институт Прикладной Оптики. В делительных машинах ГОИ контроль за положением штрихов осуществляется при помоши муарового интерферометра". В муаровом интерферометре полосы наблюдаются в некотором интервале длин волн сплошного спектра. Цена интерференционной полосы не связана прямо с длиной волны, а определяется величинами постоянных применяемой пары решеток. Это дает возможность использовать в качестве источника излучения лампу накаливания и тем самым облегчает создание измерительных устройств. Вместе с тем, поскольку интерферирующие пучки проходят в пространстве между решетками по очень близким путям, их оптическая разность хода во много раз меньше, чем в интерферометре Майкельсона, и не зависит от перемещения решеток. По указанным причинам муаровый интерферометр совершенно нечувствителен к изменению давления и менее чувствителен к температурным изменениям и механическим колебаниям. Высокая точность измерения с помощью муарового интерферометра достигается за счет усреднения местных и периодических ошибок деления измерительных решеток.

Другое решение задачи компенсации ошибки винта было предложено

12 в 1950 Томасом Мертоном и было осуществлено в Национальной Физической Лаборатории группой во главе с Л. А. Сейсом (1953). Решетка была произведена на токарном станке в форме точной спирали в двухступенчатом процессе. Первая ступень состояла в нарезании спирали на латунном цилиндре , используя точный станок. Эта спираль содержала ошибки винта станка. Она использовалась на второй машине, чтобы произвести следующую спираль, которая была свободна от этих ошибок. Второй машиной был гравировальный станок с упругой гайкой, которая проворачивалась на много штрихов первой спирали и усредняла их ошибки. Преимущество этого метода в том, что он позволял избежать прерывистого движения инструмента и подложки , но решетка нарезалась на цилиндрической, а не на плоской поверхности. Чтобы перенести решетку на плоскость спираль заливалась пластмассой и снималась реплика на оптической плоскости. Оптическое качество таких решеток было ограничено искажением пластмассы, однако было возможно произвести решетки хорошего качества для использования в инфракрасной области. Их доступность и низкая цена ускорили развитие инфракрасной спектроскопии в 1950-ых годах.

Другая важная проблема в нарезании решеток - износ алмазного резца. Общая длина штриха в решетке может превышать 30 км ,и , чтобы сохранить однородность эффективности, необходимо, чтобы не имелось никакого заметного изменения формы резца. Эта задача особенно важна для больших решеток, требуемых для спектроскопии с высоким разрешением. Однако, в 1949 Гаррисон указал, что разрешение решетки зависит не от числа штрихов, а от ширины решетки. Его решение проблемы было в нарезке сравнительно грубых решеток (например 79 штрихов на мм ) и использовании их в высоких порядках дифракции при больших углах падения. В следующей четверти столетия его группа в M.JI.T. построила три делительные машины и изготовила решетки самого высокого возможного разрешения. Использование этого типа решетки, известной как "эшелле" ведет к появлению большого количества дифракционных порядков, и спектры в различных порядках накладываются. Чтобы разделить спектр, необходимо ввести дисперсию в ортогональном направлении , использовав вторую решетку или призму, но это - цена, которую многие спектроскописты были готовы заплатить.

Одним из наиболее важных событий в технологии изготовления решеток , вторым после изобретения самой делительной машины, была разработка Уайтом и Фразером в конце 1940-ых годов технологии высококачественного копирования. В этом методе неклейкое покрытие напыляется в вакууме на поверхность решетки и сопровождается зеркальным покрытием, обычно алюминием. На него наносится смола ,и на смолу накладывается стеклянная подложка с поверхностью, которая обычно обрабатывалась, чтобы улучшить ее адгезию к смоле. Когда смола вулканизировалась, сэндвич разделялся, чтобы получить точную копию решетки в смоле на стеклянной подложке. Метод теперь настолько широко используется, что спектроскописты считают это само собой разумеющимся . Однако, это довольно грубое обращение с очень тонкой оптической деталью, произведенной с огромными затратами. Значение метода не в том, что он является способом улучшения характеристик решетки (хотя при некоторых обстоятельствах это возможно ), но в том, что он делает решетки гораздо более широко доступными. Несмотря на большие успехи и в понимании и в производстве решеток, которые были достигнуты с начала столетия, только в 1950-ых годах решетки начали замещать призмы в коммерческих спектральных инструментах. Задержка была не из-за несоответствия решеток, но потому что до развития копирования они не были доступны в больших количествах. Доступность точных копий привела к уточнениям в спектроскопии и повороту спектроскопистов к решеткам более высокого качества. Раньше спектроскопист был бы удачлив, если он мог вообще получить драгоценную решетку , и если она имела дефект, он должен был делать все возможное с этой решеткой. В настоящее время пользователь ожидает усовершенствований, и будет часто отклонять решетку из-за некоторых незначительных дефектов, даже если для его целей качество решетки не так важно.

Как и на многие области оптики, на спектроскопию сильно повлияло изобретение лазера в начале 1960-ых годов. Свойства лазерного света, такие как монохроматичность и направленность, очень упростили спектроскопию Рамана. Это вело к возобновлению интереса и более широкому использованию этого аналитического метода. Существенный элемент спектроскопии Рамана - то, что малое количество света, рассеянного от образца , вызывает сдвиг в длине волны, обусловленный внутренними движениями в образце. Спектры состоят из очень слабых спектральных линий в присутствии более сильной линии. Их изучение требует решеток с чрезвычайно низкими уровнями рассеянного света, и отсутствием духов, требование же к спектральной чистоте настолько высокое, что общепринято использовать инструменты с двумя или даже тремя последовательными решетками.

Если появление лазера обусловило новые требования к качеству решеток, требуемых для спектроскопии, оно также предложило, по крайней мере, частично, решение задач их изготовления. Оно сделало возможным их изготовление совершенно новым методом, использующим явление оптической интерференции. Когда два когерентных пучка света пересекаются, они производят ряд интерференционных полос. Эти полосы могут быть зарегистрированы в фоточувствительном материале, и могут использоваться, чтобы формировать штрихи решетки. Размещение интерференционных полос определено углом пересечения пучков и длиной волны света, и, так как положение штрихов определено законом интерференции, решетка, сделанная таким образом, будет свободна от случайных и периодических ошибок.

Автор идеи создания решеток таким образом неизвестен, но она была рассмотрена еще Майкельсоном в 1915г. Решетки были сделаны таким способом Бурхом (1960), но только когда мощные лазеры стали доступны, появилась возможность делать решетки, подходящие для использования в спектроскопии. Это было достигнуто более или менее одновременно Рудольфом и Шмаллем (1967)13 в Германии и Лабером и Фламаном (1967, 1969)lJ'Ir> во Франции. Их работа совпала с практической реализацией голографии, к которой это имеет некоторое отношение, поскольку также производится запись интерференционных полос , полученных с использованием лазера. Голография в то время была очень модной, и решетки, сделанные таким образом были названы "голографическими" или "голограммными" решетками. В производстве интерференционных решеток подходящая стеклянная подложка сначала покрывается тонким слоем из фоторезиста, который затем экспонируется картиной интерференционных полос, произведенной лазером в соответствующем интерферометре. Важное свойство фоторезиста - то, что его растворимость (в соответствующем проявителе) изменяется с экспонированием так, что синусоидальное изменение интенсивности в интерференционной картине регистрируется как синусоидальное изменение растворимости, и при проявлении это вызывает синусоидальную гофрировку в поверхности резиста. Этот процесс дает прозрачную решетку в фоторезисте , которую, если требуется, можно использовать на пропускание, но обычно она покрывается отражающим металлом типа алюминия или золота и используется на отражение. Этот метод представляется более быстрым и легким, чем использование делительной машины, но что является более важным с точки зрения спектроскописта - то, что произведенные решетки во многом отличаются от нарезанных механически. Уровень паразитного света может быть намного ниже, духи отсутствуют, и спектр обычно более чист, чем таковой даже у лучших нарезных решеток. Изготовитель не ограничен плоским или сферическим подложками; и при этом не ограничен изготовлением прямых равноотстоящих штрихов, поскольку другие формы интерференционной полосы могут быть произведены изменением формы волновых фронтов в интерферометре. Это разрешает нам, например, исправлять аберрации оптической системы спектрометра и разрабатывать полностью новые инструменты, включающие решетки оригинальной формы и с новыми фокусирующими свойствами. Однако, интерференционная техника имеет различные недостатки, наиболее серьезный из которых - то, что она позволяет сравнительно немного управлять профилем штриха. В своей самой простой форме она производит решетки с синусоидальным или квазисинусоидальным профилем штриха.

Хотя при некоторых обстоятельствах интерференционная техника может быть очень эффективной, это не всегда так, и существуют некоторые решетки, которые данным методом просто нельзя изготовить. Попытки делать интерференционные решетки с блеском, имели некоторый успех, особенно для ультрафиолетового и рентгеновского излучения , но для многих приложений до сих пор используются нарезные решетки. Интерференционные решетки , поэтому, не заменили нарезные решетки, но дополнили их и очень расширили доступный ассортимент. Имеются области перекрытия, спектроскопия Рамана и УВИ спектрофотометрия, например, где нарезные решетки замещаются интерференционными решетками, и ведется работа по дальнейшему расширению этой области . В нашей стране так же успешно шло изготовление неклассических решеток с помощью делительных машин 1б'17. Были предприняты широкомасштабные исследования коррекционных возможностей как неклассических нарезных, так и голограммных вогнутых решеток. Систематически изучены способы устранения присущего вогнутым решеткам астигматизма 1-го порядка при одновременной коррекции других аберраций применительно к спектрографам и

18 19 полихроматорам ' ; установлены соотношения между параметрами нарезных решеток и условиями записи эквивалентных им по трем аберрациям голограммных решеток. Большая работа по исследованию возможностей применения неклассических вогнутых решеток в спектральных приборах проводилась учениками и сотрудниками Г.П.

90

Старцева " , к числу которых также принадлежит автор настоящей работы. Ими создан ряд оригинальных оптических схем спектрографов, монохроматоров, полихроматоров.

Данная работа посвящена дальнейшему расширению возможностей построения дифракционных спектральных приборов. В ней разработана теория двухступенчатой записи дифракционной решетки во встречных пучках24. Двухступенчатая запись позволяет вдвое увеличить число параметров оптимизации оптической схемы, что дает возможность проектировать спектральные приборы со значительно улучшенными характеристиками. Некоторые из рассмотренных в настоящей работе дифракционных решеток невозможно получить другими существующими методами. Использование записи во встречных пучках, наряду с более полной компенсацией сагиттальной комы, позволяет получать решетки с блеском, энергетические характеристики которых эквивалентны энергетическим характеристикам нарезных решеток, а в случае высокоапертурных вогнутых решеток с малым углом блеска, даже лучше, чем у нарезных решеток. Двухступенчатая запись дифракционных решеток в попутных пучках ь"26, а также одноступенчатая запись во встречных пучках 1,27 были также рассмотрены другими авторами. Объединение этих двух методов в одном, которое, собственно, не было объединением существующих методов, а развивалось параллельно им, осуществлено впервые.

На основе разработанной теории автором были построены в

Университете Бейра Интериор установки для записи ряда

28 дифракционных решеток . Эти решетки были изготовлены и исследованы. Результаты измерений спектральных характеристик полученных решеток подтвердили разработанную теорию. В процессе изготовления решеток были выработаны технологические рекомендации и сделаны выводы о целесообразности изготовления различных решеток в оптических схемах того или иного типа. Автором с учениками также был разработан целый ряд оптических схем спектральных приборов, как с рассматриваемыми решетками нового типа, так и с более традиционными решетками, используемыми

99 39 г» в оригинальных оптических схемах " . Рассмотрена возможность и целесообразность замены нарезных дифракционных решеток на решетки, изготовленные предлагаемым методом в ряде существующих спектральных приборов 40-41.

В первой главе на основе литературных данных показана история развития знаний о дифракционной решетке как элементе спектрального прибора. В разделе 1.1. рассмотрено развитие электромагнитной теории решетки, позволяющей нам описывать ее энергетическую эффективность. В разделе 1.2 рассмотрены голограммные решетки, их свойства и технология изготовления. В разделе 1.3 вогнутые решетки рассмотрены как с точки зрения аберрационной теории, так и с точки зрения энергетической эффективности. Отмечены преимущества вогнутых решеток, записанных во встречных пучках, которые наряду с фокусирующими свойствами обладают постоянным по поверхности углом блеска. Отмечено, однако, что возможности исправления аберраций у таких решеток, записанных в наиболее технологически приемлемых схемах, весьма ограничены. Следовательно, расширение этих возможностей, рассмотренное в настоящей работе, является логическим продолжением развития дифракционной решетки как части спектрального прибора. В настоящее время уже существует ряд разработок спектральных приборов, оптимальную решетку для которых невозможно изготовить ни одним из ранее известных методов.

Актуальность настоящей работы в том, что она открывает возможность изготовления таких решеток, и, в дальнейшем, возможность разработки нового класса спектральных приборов с улучшенными характеристиками.

Во второй главе рассмотрена геометрическая теория голограммной дифракционной решетки, записанной во встречных пучках в двуступенчатой схеме записи. Приведены полученные при помощи этой теории аберрационные коэффициенты и примеры расчета параметров записи таких решеток для различных приложений.

20

В третьей главе рассмотрены практические схемы записи дифракционных решеток, построенные на основе рассмотренной в главе 2 теории. Данная теория расширена для случая записи решетки при помощи падающего и отраженного пучков. Показаны возможности более полной компенсации аберраций решеток, записанных таким образом. Рассмотрены преимущества записи в пространственно некогерентном свете. Даны рекомендации по использованию различных схем записи для изготовления различных типов решеток. Приведены экспериментальные спектры, полученные при помощи решеток, изготовленных по предложенным методикам.

Четвертая глава посвящена применению дифракционных решеток в спектральных приборах. Рассмотрена возможность и целесообразность замены нарезных решеток на рассмотренные голограммные в ряде схем существующих спектральных приборов, а также разработаны схемы новых приборов с использованием различных типов решеток. На примере двойного монохроматора показано, как можно расширитьгеометрическую теорию, рассмотренную в главе 2, на расчет оптических схем спектральных приборов. p fia

Роз. n0j сЪе

Pa

Рис.2 Концентрация энергии дифракционной решеткой с блеском в выбранный порядок спектра.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Соколова, Елена Алексеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработана геометрическая теория двухступенчатой записи голограммной дифракционной решетки во встречных пучках. Построена функция оптического пути, учитывающая запись дифракционной решетки -объектива с последующим ее использованием для формирования сходящегося пучка, освещающего заготовку конечной решетки с задней стороны в установке ее регистрации. Выведены формулы расчета членов разложения в степенной ряд построенной функции оптического пути, отвечающих за аберрации дефокусировки, меридиональной и сагиттальной комы, астигматизма первого порядка и сферической аберрации. Выведенные формулы проверены на примере расчета этих членов разложения для монохроматора и полихроматора, параметры записи решеток для которых были ранее получены автором численными методами. Показано, что при помощи выведенных формул можно улучшить результаты, полученные ранее численными методами. Показано, что разработанная теория позволяет скомпенсировать все пять упомянутых аберраций без применения дорогой асферической оптики.

2. Рассмотрено практическое применение разработанной теории для изготовления дифракционных решеток. Построены лабораторные установки для записи голограммных дифракционных решеток во встречных пучках , параметры которых рассчитаны с использованием выведенных формул. Проблема компенсации преломления записывающего пучка на задней поверхности заготовки решетки решена при помощи записи решетки -объектива через заготовку конечной решетки. На построенных установках изготовлены первые дифракционные решетки. Аберрационные характеристики полученных решеток проверены при помощи записи линейчатых спектров газовых ламп, а также измерением их фокусного расстояния в автоколлимации с последующим расчетом коэффициента неравномерности шага. Результаты этих исследований подтвердили разработанную теорию.

3. Разработанная теория расширена для метода записи дифракционных решеток при помощи падающего и отраженного пучков, позволяющего использовать пространственно некогерентное освещение. Выведены формулы расчета членов разложения в ряд функции оптического пути, отвечающих за основные аберрации решеток, записанных этим методом. Проанализированы аберрационные характеристики решеток, записанных этим методом в его классическом варианте, а также показаны возможности модификации метода для расширения возможностей компенсации аберраций решеток, записанных таким образом. Проанализирована целесообразность использования этого метода для записи решеток для различных спектральных приборов. Показаны его ограничения, а также намечена перспектива дальнейшего развития метода - трехступенчатая регистрация.

4. Построена лабораторная установка для двухступенчатой записи голограммных дифракционных решеток в пространственно некогерентном свете при помощи падающего и отраженного пучков. На этой установке изготовлены дифракционные решетки, имеющие 3600 штрихов на миллиметр с аберрационными характеристиками, которые невозможно реализовать ни одним из ранее существующих методов.

5. Разработаны оптические схемы спектральных приборов различного назначения, в которых используются как дифракционные решетки, изготавливаемые известными ранее методами, так и дифракционные решетки нового поколения, записанные во встречных пучках в двухступенчатой регистрации. Показано, в каких случаях применение новых дифракционных решеток может улучшить спектральные или энергетические характеристики прибора.

- Пятидиапазонный спектрограф с плоским полем, оригинальная оптическая схема которого обеспечивает более полную компенсацию аберраций, чем это возможно для существующих схем двух и трехдиапазонных спектрографов.

- Спектрограф с плоским полем для анализа рассеяния Томпсона в плазме ТОКАМАКа, обеспечивающий пространственное разрешение в вертикальном направлении.

- Спектрограф с матричным фотоприемником и тремя дифракционными решетками, расположенными друг над другом.

- Спектрограф с фотоприемником в виде двух линеек и двумя наклонными дифракционными решетками.

- Предварительный монохроматор для спектрометра для измерения скорости плазмы, основанный на оптической схеме, в которой дифракционная решетка освещена сходящимся пучком лучей.

- Высокоразрешающий спектрометр для диагностики плазмы ТОКАМАКа, содержащий две дифракционные решетки 2700 мм"1, вторая из которых компенсирует аберрации первой.

- Двухканальный монохроматический осветитель с вогнутой дифракционной решеткой и оригинальной системой сканирования спектра.

- Вариант демультиплексора с улучшенными аберрационными характеристиками.

6. Аналогично разработанной теории двухступенчатой записи дифракционных решеток построена геометрическая теория двойного монохроматора. Построена функция оптического пути для двойного монохроматора, и выведена формула расчета члена ее разложения в степенной ряд, отвечающего за дефокусировку. На основе результатов минимизации полученного выражения проанализирована возможность построения двойного монохроматора таким образом, чтобы второй монохроматор частично компенсировал аберрации первого. Автором также было замечено, что в схеме двойного монохроматора при определенных условиях автоматически осуществляется компенсация астигматизма второго порядка. Это позволяет использовать угол отклонения схемы для более полной компенсации других аберраций и разрабатывать двойные монохроматоры с улучшенными характеристиками.

Таким образом, совокупность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, определяет новое направление в развитии дифракционных спектральных приборов — использование голограммных решеток нового поколения. Разработанные автором дифракционные решетки действительно соответствуют термину "голограммные" в отличие от известных ранее интерференционных решеток. Во-первых, решетка, записанная во встречных пучках, является результатом взаимодействия света с фоточувствительным слоем по всей его толщине, а не только поверхностной фотографией интерференционной картины. Во - вторых, решетка - объектив, записанная через заготовку конечной решетки, является, по сути, голограммой этой заготовки, или отражающим голограммным оптическим элементом. Решетки, записанные предложенным методом, являются наиболее общим случаем голограммных дифракционных решеток. Решетки, зарегистрированные в негомоцентрических пучках при помощи сферических и асферических зеркал, можно считать их частным случаем, так как зеркало можно считать частным случаем решетки с бесконечно большим периодом. Поскольку метод двухступенчатой регистрации обладает шестью свободными параметрами, что позволяет с запасом компенсировать пять основных аберраций, введение асферической оптики представляется на настоящий момент излишним. Механически нарезанная дифракционная решетка в этом контексте может рассматриваться как синтезированная голограмма. Хотя теоретически механически нарезанная решетка обладает большими возможностями для компенсации аберраций, практически они ограничены конструкцией делительной машины, и, в настоящее время, наибольшими практическими возможностями обладает двухступенчатая регистрация. Эта ситуация может измениться, если дальнейшее совершенствование метода прямой записи сканирующим лазерным или электронным пучком, применяемого в настоящее время в микроэлектронике, позволит изготавливать более тонкие структуры, позволяющие воспроизвести с достаточной точностью необходимый закон распределения штрихов и их кривизну. Поставленные и

278 решенные в работе научные и технические задачи охватывают полный комплекс вопросов, связанных с разработкой приборов, использующих дифракционные решетки. Рассмотрены как вопросы расчета оптических схем, так и особенности изготовления используемых в них дифракционных решеток. Изготовление автором опытных образцов предлагаемых решеток нового поколения является гарантией практической реализуемости метода и его перспективности для широкого использования в промышленности.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Соколова, Елена Алексеевна, 2000 год

1. М.С. Hutley, Diffraction Gratings, Academic Press, second edition, 1990.

2. D. Rittenhouse, Trans. Am. Phil. Soc. 2, 201., 1786.

3. J.N. Barton, UK Patent N 4678,1822.

4. J.N. Fraunhofer, Denkschr. Kg. Akad. Wiss. Munchen 8, 1., 1821.

5. Rayleigh, Phil. Mag, XLVII, 81, 193.,1874.

6. H.A. Rowland, Phil. Mag. 13, 467, 1882.

7. R.W. Wood, Phil. Mag., 20, 770,1910.

8. J. Strong, Phys. Rev., 48,480,1935.

9. A.A. Michelson, Proc. Am. Phil. Soc. 54,137., 1915.

10. G.R. Harrison and G.W. Stroke, JOSA, 41, 495, 1955.

11. Г.Н. Рассудова , Ф.М. Герасимов,, Оптика и Спектроскопия, т. 14, с. 215219,1963.

12. Т. Merton, Proc. R. Soc. London, Ser. A 201,187, 1950.

13. D. Rudolph and G. Schmahl, Umschau Wiss. 67, 225, 1967.

14. A.Labeyrie, Proc. Conf. Optics, Marseille Centre Nat. d'Etudes Spatiales, Report N00015/PR/ED, 1967.

15. A. Labeyrie and J. Flamand, Opt. Commun. 1,5, 1969.

16. Ф.М. Герасимов и др., Оптика и Спектроскопия, т.28, с. 790-797, 1970.

17. Ф.М. Герасимов и др., Оптика и Спектроскопия, т.46, 1177, 1979.

18. И.В. Пейсахсон и др., ОМП, N4, с. 46-51, 1978.

19. И.В. Пейсахсон, Современные тенденции в технике спектроскопии, сборник статей, Новосибирск, Наука, с.94-125, 1982.

20. Г.П. Старцев, А.В. Савушкин, Оптика и Спектроскопия, т.46, с. 1189-1194, 1979.

21. А.В. Савушкин, Е.А. Соколова, Г.П. Старцев, ОМП, №6, с. 51-53,1987.

22. Е.А. Соколова, Г.П. Старцев, ОМП, №7, с. 1-2, 1988.

23. Е.А. Соколова, Г.П. Старцев, ОМП, №8, с. 1 -2,1988.

24. Elena Sokolova, SPIE volume 3450, Theory and Practice of Surface Relief Diffraction Gratings: Synchrotron and Other Applications, p. 113-124, San Diego, USA, 1998.

25. B. Deville et all, SPIE volume 3450, Theory and Practice of Surface Relief Diffraction Gratings: Synchrotron and Other Applications, p. 24-35, San Diego, USA, 1998.

26. M.Duban, Applied Optics, v. 30, N 28,1991, p.p. 4019 4025.

27. И.В. Пейсахсон, Л.Е. Левандовская, ОМП, N8,1991, c.54 56.

28. Elena Sokolova, Sandra Mogo, Mike Hutley, Diffraction Optics and Micro-Optics, June 18-22, 2000, Quebec City, Canada, Conference Edition, p.p. 118119.

29. Elena Sokolova and Santiago D.A.Reyes Cortes. ,SP1E Volume 2774, Design and Engineering of Optical Systems, 13-16 May 1996, Glasgow, U.K., p.p. 573 -580.

30. Elena Sokolova and Santiago D.A. Reyes Cortes. ,SPIE Volume 2863, Current Development in Optical Design and Engineering VI, 5-7 August 1996, Denver USA, p.p. 197 -205.

31. Elena Sokolova and Santiago D.A. Reyes Cortes, SPIE Volume 2968, Optical Organic and Semiconductor Inorganic Materials, 26 29 August 1996, Riga, Latvia, p.p. 311 -316.

32. Elena Sokolova, Santiago D. Reyes Cortes, Nelson Mineiro, SPIE Volume 3130, Lens Design, Illumination and Optomechanical Modelling, 29-30 July 1997, San Diego, USA, p.p. 160 167.

33. Manuel Alonso, Pedro Coelho, C.A.F. Varandas, Santiago Reyes, Nelson Mineiro, Elena Sokolova, 10a Conferencia National de Fisica FISICA 96, 13/17 de Setembro, Faro, PORTUGAL, p.p. 542 543.

34. Santiago D.A. Reyes Cortes, Nelson I: Mineiro e Elena Sokolova., 10a Conferencia National de Fisica FISICA 96, 13/17 de Setembro, Faro, PORTUGAL, p. 653 654.

35. Santiago D.A. Reyes Cortes, Nelson I. Mineiro e Elena Sokolova, 10a Conferencia Netional de Fisica FISICA 96, 13/17 de Setembro, Faro, PORTUGAL, p.p. 655 656.

36. Elena Sokolova, Santiago Reyes Cortes,. I Simposio Internacional, ХП Congresso da UPOOP, IV Congresso da NEFAO, Optica, Optometria e Contactologia, Lisboa, 11 -12 de Abril 1997, p.p. 13 -14

37. E. Sokolova, J. Silvy, S. D. Reyes Cortes, F. Santiago, Proceedings of Baltic Electronic Conference, BEC'98, Tallinn, Estonia, p.p.41-44.

38. Elena Sokolova, Vladimir Sokolov, Amelia Nunes,, August 2000, v.39, N22, pp 3854-3863.

39. Elena Sokolova, European Optical Society, Topical Meetings Digest Series , 1999, v. 22, p. 82 .

40. Elena Sokolova, in Design and Engineering of Optical Systems П, Fritz Merkle, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 3737,pp. 432 -440, 1999.

41. G.W. Stroke, Handbuch der Physik XXIX, Springer, Berlin, p.729, 1967.

42. R. Deleuil, Optica Acta, 16, 23, 1969.

43. R.P. Madden, J. Strong, Concepts in Classical Optics, Freeman, San Francisco, 1958.

44. R.L. McPhedran et all, Opt. Laser Technol.,5, 166,1973.

45. G. Cerutti-Maori and R. Petit, Nouv. Rev. d'Opt.Appl.,1, 321, 1970.

46. C.Janot, A.Hadni, J. Phys. Rad., 23,152,1962.

47. C.H. Palmer, H. Lebrun, Appl. Opt., 11, 907, 1972.

48. Rayleigh, Proc. R. Soc. London, Ser. A 79, 399, 1907.

49. W.C. Meeham, J. Appl., Phys., 27, 361, 1956.

50. G.W. Stroke, Rev. d'Opt., 39, 291,1960.

51. R. Petit, Rev. d'Opt., 42, 263, 1963.

52. R. Petit, Appl. Opt., 4, 1551, 1965.

53. R. Petit, M. Cadilhac, Acad. Sci. Paris, 262, 468, 1966.

54. R.F. Millar, Proc. Camb.Phil. Soc., 65, 773, 1969.

55. R.F. Millar, Proc. Camb.Phil. Soc., 69, 217, 1971.

56. A. Wirgin, Optica Acta, 12, 1671, 1980.

57. J. Pavageau, J. Bousquet,, Optica Acta, 17, 469, 1970.

58. A. Hessel, A.A. Oliner, Appl. Opt., 4,1275,1965.

59. J. Hagglund, F. Sellberg, J. Opt. Soc. Am., 56, 1031, 1966.

60. R.L. McPhedran, M.D. Waterworth,, Optica Acta, 19, 877,1972.

61. M.C. Hutley, Optica Acta, 20, 607,1973.

62. D.Maystre, Opt. Commun, 8, 216, 1973.

63. M.C. Hutley, V.M. Bird, Optica Acta, 20, 771, 1973.

64. R.L. McPhedran, D.Maystre, Optica Acta, 21,413, 1974.

65. E.G. Loewen, M. Neviere,, D.Maystre, Apll. Opt., 16,2711, 1977.

66. R.H. Ritchie, Phys. Rev.,166, 874,1957.

67. C.E. Wheeler, E.T. Arakawa, R.H. Ritchie, Oak Ridge Natl. Lab. Report TM-5185,1976.

68. R. Petit, The Elektromagnetic Theory of Grating, Springer, Berlin, 1980.

69. Selected Papers on Diffraction Gratings, D.Maystre, Editor, SPIE Milestone Series, Volume MS 83., 1992.

70. L. Li, JOSA, A 13, 1024-1035, 1996.

71. L. Li, JOSA, A 13,1870-1876, 1996.

72. Ph. Lallane, G.M. Morris, JOSA, A 13, 779-784, 1996.

73. G. Ganet, B. Guizal, JOSA, A 13,1019-1023, 1996.

74. M. Aislender, S. Hava, Opt. Lett, 21,1765-1767, 1996.

75. L. Li, J. Mod. Opt., 45, 1313-1334, 1998.

76. L. Li, JOSA, A 14, 2758-2767, 1997.

77. Ph. Lallane, Phys. Rev. B58, 9801-9807, 1998.

78. J. Chanderzon, D.Maystre, G. Raoult, J.Opt. (Paris), 11, 235-241, 1980.

79. L. Li, J. Chanderzon,, JOSA, A 13, 2247-2255, 1996.

80. L. Li, JOSA, A 16, 2521-2531, 1999.

81. J-P. Plumey, B. Guizal, J. Chanderzon, JOSA, A 16, 610-617, 1999.

82. T.W. Preist, J.B. Harris, N.P. Wanstall, J.R. Sambles,, J. Mod. Opt., 44, 10731080, 1997.

83. G. Ganet, J. Chanderzon, Pure Appl. Opt., 6, 727-740, 1997.

84. J-P. Plumey, G. Ganet, JOSA, A 16, 508-516, 1999.

85. G. Ganet, JOSA, A 16, 2510-2516, 1999.

86. Rayleigh, Proc. R. Soc. London, 20, 414, 1872.

87. A.A. Michelson, Studies in Optics, Chicago U.P., 1927.

88. J.M. Burch, D.A. Palmer, Optica Acta, 8, 73, 1961.

89. A. Labeyrie, Proc. Conf. Optics, Marseille Centre Nat. d'Etudes Spatiales, Report N 00015/PR7ED, 1967.

90. D. Rudolf, G. Schmall, Umschau Wiss., 67, 225, 1967.

91. D. Rudolf, G. Schmall, UK Patent N 1261213, 1968.

92. O. Bryngdachl, JOSA, 60, 140,1970.

93. M.Breidne, S. Johansson, S. Nilsen, H.Ahlen, Optica Acta 26, 1427, 1979.

94. N.K. Sheridon, Appl. Phys. Lett., 12, 316, 1968.

95. M.C. Hutley, Optica Acta, 22, 1, 1975.

96. Y. Aoagi, S. Namba, Optica Acta, 23, 701, 1976.

97. W.T. Tsang, S. Wang, Appl. Phys. Lett.,28, 44, 1976.

98. A.R. Neureuther, P.I. Hagouel, Electron and ion beam science and techniques: 6th International Conference, 1974.

99. P.R. Stuart, M.C. Hutley, M. Stedman, Appl. Opt., 15, 2618,1976.

100. H. Haber, JOSA, 56,124, 1966.

101. B. Gale, Optica Acta, 13, 41,1966.

102. Y. Sakayanagai, Sci. Light, 16, 129, 1967.

103. A. Cornu, C.R. Acad. Sci. Paris, 116,1215, 1893.

104. J. Cordelle at all., Optical Instrumentation and Techniques (Ed. J. Home-Dickson), Oriel Press, London, 1969.

105. H.G. Beutler, JOSA, 35, 311-350, 1945.

106. T. Namioka, JOSA, 49, 446-460,1959.

107. И.В. Пейсахсон, Оптика Спектральных Приборов, Ленинград, Машиностроение, 1975.

108. Ю.В. Бажанов, Аберрационные свойства вогнутых дифракционных решеток с компенсированным астигматизмом, Автореф. Дис. Канд. Техн. Наук, Ленинград, ГОИ, 1978.

109. Ю.В. Бажанов, ОМП, 10, 1-3, 1979.

110. T. Harada, Т. Kita, V Int. Conf. On VUV Rad. Phys., 13, 58,1973.

111. T. Namioka, H. Noda, M. Seya, Sci. Light, 22, 1, 77-79, 1973.

112. T. Namioka, H. Noda, M. Seya, Jap. J. Appl. Phys., 15,7,1181-1197,1976.

113. И.В. Пейсахсон, Н.Ю. Черняк, Оптика и Спектроскопия, 55, 4, 737-741, 1983.

114. Т. Namioka, Т. Harada, К. Yasuura, Optica Acta, 26, 8, 1021-1034, 1979. 116.S. Morozumi, Optik, 53, 2, 75-88,1979.

115. M. Singh, Optik, 74, 142, 1981/

116. K. Goto, Y. Kato, K. Togawa, Optica Acta, 26, 7, 841-842,1979.

117. A. Takahashi, T. Katayama, JOSA, 68, 9,1254,1978.

118. И.В. Пейсахсон, Н.Г. Романова, Н.Ю. Черняк, Оптика и Спектроскопия, 53,2, 369-373, 1982.

119. Т. Oshio, JOSA, 69, 11, 1530-1538, 1979.

120. Т. Namioka, М. Koike, Appl. Opt., 30, 28, 4019-4025,1991.

121. Ф.М. Герасимов, Э.А. Яковлев, Дифракционные решетки, в книге "Современные тенденции в технике спектроскопии, Новосибирск, наука, 1982.

122. W.T. Welford, Opt. Conrnmn., 14, 322,1975.

123. Т. Namioka, Н. Noda, М. Seya, JOSA, 64, 8, 1040, 1974.

124. И.В. Пейсахсон, Л.А. Нестеренко, ЖПС, 27, 2, 354,1976.

125. Е.А. Соколова, М.Н. Малешин, ОМП, 58, 36-38, 1991.

126. М.С. Hutley, W.R. Hunter, Appl., Opt., 20, 247, 1981.

127. Т. Namioka, H. Noda, M. Seya, JOSA, 64, 8, 1040, 1974.

128. Stephen Wolfram, "Mathematical second edition, QA76.95.W65 1991.

129. M.C. Hutley. U.K. Patent N 1384281, Improvements in or relating to the formation of photographic records, 1975.

130. Commercial classification by Jobin Yvon.

131. N. Hawkes and N.Peacock, Rev.Sci.Instrum. 63 (10), October 1992.

132. G.P. Startsevand A.V. Savushkin, Sov. Pat. No. 853418, Byull. Izobret. Tov. Znakov No. 29(1981).

133. A.B. Савушкин, Е.А. Соколова, Г.П. Старцев, ОМП, 1989,N1, р.32-33.

134. А. V. Luizov, Light and Colour Energoatomizdat, Leningrad,