Введение к работе
1.1. Актуальность темы
За последние два десятилетия на стыке таких научных дисциплин, как голография, вычислительная и физическая оптика, оптическая и микроэлектронная технология, сложилось новое научное направление, связанное с созданием и внедрением в оптическое приборостроение новой элементной базы - дифракционных оптических элементов (ДОЭ). ДОЭ обладают особыми дисперсионными свойствами и позволяют осуществлять более широкий класс преобразований волновых фронтов и изображений по сравнению с классическими рефракционными и отражательными оптическими элементами.
Использование ДОЭ оказывается полезным, прежде всего в тех областях оптического приборостроения, контрольно-измерительной и вычислительной техники, техники связи, бытовой техники, где возможности традиционной оптики и оптической технологии в значительной степени исчерпаны.
Успешное применение новой элементной базы невозможно без развития теории и методов расчёта, систематического изучения оптических свойств ДОЭ, создания математического и программного обеспечения для расчёта и математического моделирования оптических систем с ДОЭ, а также создания компьютеризованных технологий изготовления ДОЭ.
Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью создания эффективно работающих ДОЭ, что потребовало проведения углублённого анализа каустик световых полей, изучения их свойств в дальней и ближней зонах дифракции, а также выделения класса ДОЭ - обобщённых зонных пластинок, фокусирующих излучение в каустики специального вида.
В диссертации обобщены результаты научно-исследовательских работ, вьшолненных в 1983 - 1999 годов. В течение 1983 - 1993 годов работы вьшолнялись при личном участии автора в коллективе лаборатории Лазерных технологий ИА и Э СО РАН. Дифракционные элементы изготавливались сотрудниками лаборатории. В течение 1994 - 1999 годов работы вьшолнялись как под научным руководством, так и при личном участии автора в Новосибирском государственном университете и в лаборатории Лазерной графики ИА и Э СО РАН.
1.2. Связь с государственными программами и НИР
Работа по теме диссертации выполнялась в соответствие с планами комплексных научно-исследовательских работ Института автоматики и электрометрии СО РАН по темам: "Разработка и исследование новых функциональных систем и элементов когерентной и нелинейной оптики",
гос. per. № 810839026, гос. per. №80039444; "Разработка фундаментальных проблем создания и совершенствования элементной базы квантовой электроники и перспективной оптики", гос. per. № 01.86.0058729; "Развитие лазерных технологий и соответствующего оборудования субмикронной точности; разработка нетрадиционных элементов фотоники и высокопрецизионных оптикоэлектронных измерительных систем для научных исследований и машиностроения", гос. per. № 01.9.20 000194; "Физико-технические основы 2-D и 3-D лазерных технологий (новые материалы и элементы для лазерных технологий; сверхразрешение; технологии оптической памяти, синтеза объёмных моделей и изображений, микро- и наноструктурирование материалов). Развитие на их основе базовых лазерных технологий производства новых элементов, приборов и систем двойного применения", гос. per. № 01. 9. 60 013066. В течение 1983 - 1993 годов практическая реализация дифракционно-оптических систем и элементов выполнялись на уникальном лазерном фотопостроителе ИАиЭ СОР АН совместно с сотрудниками лаборатории Лазерных технологий ИА и Э СОР АН. Работа выполнялась также в соответствии с планами работ по докторантуте НГУ (Решение Учёного совета Новосибирского государственного университета №178 от 25 ноября 1998 г.).
1.3. Цели исследований
Цели исследований включают систематизацию и сравнительный анализ оптических свойств обобщенных зонных пластинок (ОЗП); исследование способов управления каустикой с помощью ОЗП; создание теоретических и практических предпосылок для эффективного применения ОЗП в оптическом приборостроении путём разработки методов анализа и синтеза оптических систем с ОЗП.
Для осуществления целей предусматривается решение задач, связанных с созданием и развитием методов расчета; с оптимизацией характеристик ОЗП, позволяющих видоизменять каустику как с учётом требований и особенностей оптических систем, в которых они используются, так и с учетом особенностей оборудования, на котором они изготавливаются; с математическим моделированием процесса преобразования световых полей; с развитием принципов построения новых оптических систем, включающих эти элементы, а также с экспериментальным исследованием физических особенностей распределения световых полей, дифрагированных на этих элементах.
1.4. Методы исследований
В работе использованы методы информатики, геометрической и волновой оптики, скалярной теории дифракции, проективной геометрии, применены и развиты методы математического моделирования с помощью персональных ЭВМ. Результаты теоретических расчётов и моделирования на ЭВМ проверены оптотехническими измерениями и экспериментами.
1.5. Научная новизна диссертации
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые:
1. Развиты в рамках дифракционного приближения Френеля теория
дифракционных аксиконов и методы их расчёта.
2. Развита в параболическом приближении Френеля теория ди
фракции сходящихся световых волн на плоском экране, понятие оптиче
ской силы обобщено на случай диафрагмы произвольного размера и фор
мы. Разработана методика нахождения интерполяционной формулы для
оценки сдвига изображения в случае выходного зрачка произвольной фор
мы. Предложены, разработаны и защищены авторским свидетельством
растровые апертурно-дифракционные очки для тренировки зрительного
анализатора и коррекции недостатков зрения.
3. Теоретически исследованы закономерности светового поля в ок
рестности главного фокуса фазовых ЗП, выходной зрачок которых содер
жит менее 10 зон.
-
Исследованы и обоснованы принципы построения и методика расчёта двухфокусных зонных пластинок. Защищен авторским свидетельством ряд дифракционных двухфокусных оптических систем, состоящих из объективов и специальных зонных пластинок, использование которых в микроскопах совмещения решает задачу одновременного наблюдения двух разнесённых по глубине объектов.
-
Разработана теория и методика синтеза модулированных ЗП с видоизменёнными каустиками. Синтезированы дифракционные структуры элементов, распределение энергии в каустиках которых оптимально для устройств вывода информации из ЭВМ и мезооптических Фурье-микроскопов.
6. Разработаны принципы оптимизации профиля периода для
структуры дифракционных оптических делителей пучка.
1.6. Практическая ценность и реализация результатов работы
Практическая ценность работы состоит в том, что развито направление в физической и вычислительной оптике, связанное с применением обобщённых зонных пластинок. Разработаны практические рекомендации
по расчёту дифракционной структуры обобщённых зонных пластинок с видоизменённой каустикой.
На основе полученных теоретических результатов и выводов разработаны новые зонные пластинки, устройства и приборы использующие их, в числе которых: растровые апертурно-дифракционные очки для тренировки зрительного анализатора и коррекции недостатков зрения; дифракционная двухфокусная оптическая система для микроскопов совмещения; дифракционные оптические делители пучка. Разработанными очками оснащены клиники г. Новосибирска, оптические устройства используются в технологических процессах совмещения масок (микроскоп совмещения Конструкторско-технологического института научного приборостроения (КТИ НП) Сибирского отделения РАН), в оптико-измерительных головках систем комплексного контроля основных геометрических размеров ЦДР, подготовленных к выпуску в КТИ НП, и в научных исследованиях.
1.7. На защиту выносятся
-
Разработанные модели и методы расчета дифракционных акси-конов в области лучевой и волновой оптики, которые позволяют адекватно описывать процесс формирования осевых каустик.
-
Методика нахождения дифракционной оптической силы диафрагмы и результаты анализа дифракции сферических волн на отверстиях в плоском экране.
-
Растровые апертурно-дифракционные очки, у которых размер и форма отверстий на дифракционной маске рассчитываются с учётом характеристик глаза по установленным нами формулам.
-
Закономерности светового поля в окрестности главного фокуса фазовых ЗП, выходной зрачок которых содержит менее 10 зон.
-
Расчёт базовых компонентов двухфокусных дифракционных систем для микроскопа совмещения. Двухфокусные дифракционные оптические системы с уменьшенным числом линз и пригодные для встраивания их в схему стандартного микроскопа.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование метода расчёта ДОЭ, заключающегося в представлении структуры ДОЭ в виде ЗП с модулированным периодом, что позволило оптимально синтезировать ДОЭ для фокусировки излучения в кольцо в устройствах вывода информации из ЭВМ и мезооптических системах.
-
Принципы оптимизации профиля периода дифракционной структуры для проектирования дифракционных оптических делителей пучка, которые не только позволяют точно рассчитывать делители, но и обеспечивают высокую устойчивость решения.
1.8. Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на: I Международном семинаре по оптической обработке изображений (Новосибирск, 1982 г.), IV Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1984 г.), Всесоюзном семинаре 'Топографические оптические элементы и их применение в оптических приборах" (Москва, 1985 г.), Всесоюзной конференции "Современные проблемы физики и с2 приложений" (Москва, 1987 г.), Всесоюзном семинаре "Голограммные оптические элементы и их применение в промышленности" (Москва, 1987 г.), V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 г.), III Рабочем совещании "Компьютерная оптика" (Сухуми, 1988 г.), Международной конференции Толография-89" (Варна, 1989 г.), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО 91) (Ленинград, 1991), Международной конференции "Diffractive Optics: Design, Fabrication, And Applications" (Rochester, USA, 1994), Международной конференцій! "Workshop On Diffractive Optics" (Прага, 1995), Международной конференции "Diffractive Optics" (Савонлинна, Финляндия, 1997), Международной конференции "Diffractive Optics"(HeHa, Германия, 1999), а также на различных семинарах и совещаниях.
1.9. Личный вклад
В разработке двухфокусных оптических систем автором лично выполнены анализ, расчёты и оптимизация оптических схем. Оптотехниче-ские измерения выполнялись совместно с А.Г.Полещуком и В.Н.Нагорным. Предложение о применении ЗП в качестве двухфокусных элементов принадлежит А.Г.Полещуку. Постановка и обоснование задачи о разработке дифракционных оптических элементов с кольцевым импульсным откликом выполнена А.Г.Полещуком. В остальных работах постановка, обоснование задач, способы решения и полученные при этом основные научные результаты принадлежат автору. В течение 1983 - 1993 годов практическая реализация дифракционных оптических элементов выполнялась на уникальном лазерном фотопостроителе ИА и Э СО РАН сотрудниками лаборатории Лазерных технолопгії ИА и Э СО РАН на основании расчётов автора. В течение 1994 - 1999 годов практическая реализация дифракционных оптических элементов выполнялась под руководством автора на заводском оборудовании и на оборудовании других лабораторий.
1.10, Публикации
По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 56 печатных работ, в том числе: 28 статей в журналах Российской Академии наук, 2 - в трудах SPIE, 5 - в трудах международных конференций, два авторских свидетельства.
Учебные курсы. Автором разработаны два учебных специальных курса "Современные оптические элементы" и "Необыкновенные картины обыкновенной оптики", которые прочитаны в 1995-1999 годах в Специализированном учебно-научном центре Новосибирского государственного университета.
Диссертация состоит из 6 глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы из 273 наименований. Содержит 293 страницы, 19 таблиц, 135 рисунков.
