Введение к работе
Актуальность темы. Анализ существующих спектральных приборов и опубликованных научных работ, посвященных их разработке и применению, показывает, что требования к их функциональным и эксплуатационным характеристикам неуклонно возрастают. Эти характеристики определяются, в основном, оптической схемой прибора и не могут быть обеспечены при использовании известных схемных решений. Следовательно, возникает необходимость в разработке новых оптических схем.
Абсолютное большинство современных спектральных приборов базируется на отражательных дифракционных решетках. При этом наиболее совершенным оптическим элементом, используемым в современных спектральных приборах, следует считать отражательную вогнутую голограммную дифракционную решетку (ВГДР). Такая решетка имеет диспергирующие и фокусирующие свойства, может быть единственным элементом в оптической схеме прибора, обладает широкими возможностями коррекции аберраций и рядом функциональных и технологических преимуществ. Расчет и реализация оптических схем на основе ВГДР отражены, например, в работах таких авторов, как Т. Namioka, М. Seya, М. Hutley, С. Palmer, Е. Loewen, И.В. Пейсахсон, Н.К. Павльиева, Ю.В. Бажанов, Е.А. Соколова, А.И. Любимов и др.
Большая часть перечисленных преимуществ сохраняется и в том случае, если решетка работает на пропускание. Более того, использование пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки (ПВГДР) открывает новые возможности проектирования оптических схем, недоступные в схемах с отражательными решетками, в частности, позволяет реализовать схему прямого видения, сократить габариты спектрального прибора, ввести дополнительную коррекцию аберраций и, в ряде случаев, повысить дифракционную эффективность. Указанные преимущества могут быть использованы при создании приборов для решения широкого круга задач спектрального анализа (в научных исследованиях, производстве, сельском хозяйстве, здравоохранении и т.п.)
Однако до настоящего времени использование пропускающих голограммных решеток ограничивалось оптическими системами для решения узкоспециальных задач. Не были развиты теория формирования изображения пропускающей вогнутой голо-граммной решеткой и методики расчета оптических схем на ее основе.
Объектом исследования являются спектральные приборы с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками.
Предмет исследования - оптические схемы спектральных приборов на базе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток и методики их расчета.
Целью работы является расширение функциональных возможностей спектральных приборов за счет использования оптических схем на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций.
Научной задачей диссертации является разработка методик расчета оптических схем спектральных приборов на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций.
Решение поставленной задачи проводилось по следующим основным направлениям:
1. Теоретическое исследование аберрационных и фокусирующих свойств
ПВГДР; определение отличительных особенностей данного оптического элемента и
возможности его использования в оптических схемах спектральных приборов.
-
Разработка методик расчета различных вариантов оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР с коррекцией аберраций.
-
Расчет и компьютерное моделирование конкретных оптических схем спектральных приборов на основе ПВГДР.
4. Разработка спектральных приборов на основе рассчитанных оптических
схем с ПВГДР и экспериментальное подтверждение их основных характеристик.
Методы исследования. Для описания аберрационных и фокусирующих свойств ПВГДР используется ее аберрационная (характеристическая) функция. Методики расчета оптических схем основаны на минимизации отдельных членов аберрационной функции. Для проведения расчетов по разработанным методикам используются математический пакет MathCad и прикладные программы, написанные на языке Delphi7. При проведении поверочного компьютерного моделирования оптических схем используются программные пакеты Zemax, Code V, MatLab, KvantSP.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны методики расчета различных вариантов оптических схем
спектральных приборов на основе ПВГДР:
схемы спектрографа с плоским полем,
схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,
схемы двухканального спектрографа,
схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,
схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,
схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.
2. Разработаны оптические схемы спектральных приборов на основе ПВГДР:
компактного спектрографа с плоским полем для видимой области спектра;
малогабаритного спектрографа в монолитном конструктивном исполнении для видимой и ближней инфракрасной областей спектра;
компактного двухканального спектрографа для ближней ультрафиолетовой и коротковолновой видимой областей спектра;
спектрографа для видимой области спектра, встроенного в проекционный объектив;
спектрографа с коррекцией астигматизма на основе ПВГДР и сферического клина-компенсатора для видимой области спектра;
компактного спектрографа с плоским полем на основе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью для видимой области спектра.
3. Разработана методика расчета схемы записи голограммной решетки 3-го
поколения с помощью вспомогательных ПВГДР.
Достоверность результатов подтверждается согласованием теоретических расчетов с результатами компьютерного моделирования, проводившегося с помощью различных программ, и с экспериментальными данными, а также получением патента РФ на изобретение на вариант разработанной методики расчета схемы спектрографа с ПВГДР.
Практическая ценность работы.
-
Разработан макетный образец спектрографа с плоским полем для диапазона 400-800 нм, обеспечивающий спектральное разрешение до 0,73 нм и отличающийся небольшими габаритами и простотой конструкции.
-
Разработан опытный образец двухканального спектрографа для диапазона 278-560 нм, обеспечивающий спектральное разрешение до 0,14 нм в ультрафиолетовом диапазоне и 0,37 нм в видимом диапазоне и отличающийся высокой компактностью и простотой конструкции.
-
Предложенные методики расчета оптических схем могут быть использо-
валы при разработке новых спектральных приборов, отличающихся малыми габаритами, простотой конструкции и расширенными функциональными возможностями.
4. Разработан пакет прикладных программ TCHDG Design, реализующий предложенные методики расчета.
Реализация результатов работы:
Предложенные методики расчета оптических схем использованы в ОАО «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (ОАО «НПО ГИПО», Казань) при вьшолнении заказов отечественных и зарубежных фирм.
Спектрограф с плоским полем на основе ПВГДР включен в состав учебно-методического лабораторного комплекса «Основы дифракционной оптики и голографии», разработанного в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ в рамках выполнения государственного контракта от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0557. Спектрограф успешно используется на кафедре Оптико-электронных систем КНИТУ-КАИ при проведении лабораторных работ.
Оптическая схема двухканального спектрографа с ПВГДР использована при вьшолнении работ по созданию малогабаритного двухканального спектроанализатора в ООО «Научно-производственный экологический центр «Экоцентр».
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Методики расчета различных вариантов оптических схем спектральных при
боров на базе ПВГДР:
схемы спектрографа с плоским полем,
схемы спектрографа в монолитном конструктивном исполнении,
схемы двухканального спектрографа,
схемы спектрографа, встраиваемого в изображающую оптическую систему,
схемы спектрографа с исправленным астигматизмом,
схемы спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР с повышенной дифракционной эффективностью.
2. Оптические схемы спектральных приборов на основе ПВГДР:
спектрографа с плоским полем для диапазона 400-800 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,59 нм и отличающегося конструктивной простотой и компактностью;
малогабаритного спектрографа в монолитном конструктивном исполнении для диапазона 450-900 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0,68 нм и пространственное разрешение до 29 мкм при повышенной устойчивости к воздействи-
ям внешней среды;
компактного двухканального спектрографа, позволяющего одновременно регистрировать спектры в ультрафиолетовом диапазоне 278-400 нм со спектральным разрешением до 0,13 нм и видимом диапазоне 400-560 нм со спектральным разрешением 0,34 нм;
спектрографа, встроенного в проекционный объектив, позволяющего одновременно регистрировать изображение объекта с пространственным разрешением до 58,8 мкм и спектр его излучения в диапазоне 434-656 нм со спектральным разрешением до 0Д5 нм;
спектрографа с исправленным астигматизмом на базе ПВГДР и сферического клина-компенсатора для диапазона 400-700 нм, обеспечивающего спектральное разрешение до 0 Д 3 нм и пространственное разрешение до 19 мкм;
спектрографа с плоским полем на базе ПВГДР для диапазона 400-800 нм с повышенной дифракционной эффективностью.
3. Методика расчета схемы записи вогнутой голограммной решетки с помощью вспомогательных ПВГДР и схема записи решетки 2800 штр/мм, работающей в области 200-285 нм, отличающаяся малыми аберрациями формируемых записывающих пучков, относительной компактностью и конструктивной простотой.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих Международных и Всероссийских конференциях: Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2010, 2011 и 2012 гг.; Международная конференция «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2010 и 2012 гг.; Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в России, Регионы России - 2010», Муром, 2010 г.; VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, Санкт-Петербург, 2010 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Научная сессия ТУСУР», Томск, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения», Казань, 2012 г.; X Международная конференция «Оптические технологии в телекоммуникациях», Уфа, 2012 г.; II Всероссийская конференция «Будущее оптики» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин», Санкт-Петербург, 2013г.; 3rd EOS Conference on Manufacturing of Optical Components, Munich, 2013 г.; CIOMP-OSA Summer session on Optical engineering, Design and manufacturingjChangchun, 2013 г.; X Международная Конференция «ГолоЭкспо-2013», Москва, 2013 г.
Личный вклад автора. Автором получены основные аналитические соотношения, описывающие аберрационные и фокусирующие свойства пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки, разработаны методики расчета оптических схем спектральных приборов, проведен расчет и компьютерное моделирование оптических схем, разработана конструкция макетного образца спектрографа с плоским полем и опытного образца двухканального спектрографа, проведена их сборка и настройка, а также выполнены основные экспериментальные исследования.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 3 статьи в изданиях из списка ВАК, 2 статьи в иностранных рецензируемых изданиях, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 14 публикаций материалов докладов, из которых 10 на Международных конференциях и 4 на Всероссийских конференциях, 2 публикации в сборниках материалов конкурсов научных работ и 1 учебно-методическое пособие.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет: 165 страниц машинописного текста, 22 таблицы, 63 рисунка.
