CC BY
9
УДК 535.417
ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПЛЕНОЧНЫМИ ДИФРАКЦИОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Юрий Цыдыпович Батомункуев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected]
Александра Алексеевна Дианова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, e-mail: [email protected]
Павел Сергеевич Орлов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, e-mail: [email protected]
В работе представлены экспериментально полученные распределения интенсивности световой волны, сформированные пленочными дифракционными элементами.
Ключевые слова: дифракционный оптический элемент.
FORMATION OF THE SPECIFIED DISTRIBUTION OF INTENSITY OF THE LIGHT WAVE BY FILM DIFFRACTION ELEMENTS
Yury Ts. Batomunkuev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor, е-mail: [email protected]
Alexandra A. Dianova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student, е-mail: [email protected]
Pavel S. Orlov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, е-mail: [email protected]
The paper presents the experimentally obtained light-wave intensity distributions formed by film diffraction elements.
Key words: diffractive optical element.
В последние годы разрабатываются новые и совершенствуются известные дифракционные оптические элементы, преобразующие заданным образом волновой фронт, амплитуду и фазу световой волны [1-3]. Практическая необходимость в таких дифракционных элементах возникает в связи с появлением потребностей в новых преобразованиях монохроматических световых волн и разработкой для их реализаций новых оптических элементов и устройств с лазерными источниками излучения. Известно, что использование рефракционных
оптических элементов для разработки таких устройств не всегда оптимально, например по спектральным или массогабаритным характеристикам [1, 4]. В настоящее время разработчиков оптических устройств продолжают привлекать внимание дифракционные элементы, выполняющие одновременно два и более различных преобразований монохроматической световой волны. Но для изготовления дифракционного оптического элемента с требуемыми характеристиками необходимо специализированное прецизионное оборудование и отработанный (для этого элемента) технологический процесс [4], включая и соответствующее компьютерное программное управление. Кроме этого требуется предварительное выполнение достаточно сложных многовариантных численных расчетов дифракционной структуры элементов [1]. Особенно это касается комбинированных (составных и наложенных) дифракционных элементов. Поэтому задача упрощения изготовления комбинированных дифракционных элементов, в частности, для экспериментальной проверки результатов их расчетов и выбора наилучшего варианта является актуальной. Такая практическая возможность появилась в последнее время с созданием относительно недорогих высокоразрешающих 2D и 3D принтеров.
Целью работы является экспериментальное измерение заданного пространственного распределения интенсивности в дифракционной картине, сформированной пленочными дифракционными элементами. Пленочные дифракционные элементы рассчитываются и изготавливаются с помощью стандартных компьютерных программ и высокоразрешающего принтера. При этом минимальные размеры дифракционной структуры элементов ограничены разрешением принтера. Хотя в настоящее время разрешение 2D и 3D принтеров все еще не позволяет изготавливать дифракционные элементы со структурой микронных и субмикронных размеров, несомненно, что разрешение принтеров будет постоянно возрастать. Так как относительные отверстия изготавливаемых дифракционных элементов много меньше единицы, то расчет элементов может быть выполнен по формулам скалярной теории дифракции в параксиальном приближении.
Процесс изготовления дифракционного оптического элемента, например радиальной решетки (рисунок), включает в себя создание изображения этого элемента в программе для черчения и проектирования AutoCAD и печать изображения на прозрачную пленку при помощи высокоразрешающего лазерного или струйного принтера. Дифракционная структура (темные штрихи) радиальной решетки формируются нанесением принтером черной или любой цветной краски на поверхность прозрачной пленки. Светлые штрихи образуют прозрачные кольцевые участки между темными штрихами пленки. Изготавливаемые дифракционные элементы на принтере, по сути, представляют собой амплитудно-фазовые дифракционные элементы. Отличительной особенностью этих элементов является формируемый краской поверхностный рельеф. Пологая форма рельефа не позволяет изготавливать элементы, имеющие много дифракционных порядков. Используемые компьютерные программы позволяют реализовать и изучить зависимости пространственного распределения
интенсивности, формируемого дифракционным элементом, от изменения формы, размеров, прозрачности цвета мельчайших деталей составных частей этих элементов.
Рис. Изображения радиальной решетки (а), комбинированного дифракционного
элемента (б) из радиальных решеток и распределение интенсивности (в)
в дифракционной картине
Компьютерный синтез комбинированных дифракционных элементов заключается в расчете относительно простых составных частей элементов и в формировании из них требуемых комбинационных дифракционных элементов. В процессе изготовления элементов имеют место отклонения от расчетной дифракционной структуры из-за вносимых ошибок и дефектов используемого оборудования, поэтому требуемые дифракционные элементы должны быть рассчитаны при на основе модельных представлений с определенной погрешностью, согласованной с точностью изготовления дифракционной структуры этих элементов. Даже стандартного разрешения 2400 dpi принтера достаточно для изготовления пленочных дифракционных элементов, позволяющих использовать их в некоторых областях применения. Использование полупрозрачных и прозрачных принтерных красок позволяет создавать рельефно-амплитудно-фазовые дифракционные элементы в видимой области спектра. При этом ярко выраженным становится первый порядок дифракции. Эти же элементы будут рельефно-амплитудными в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра из-за отличий в поглощении излучения темными и светлыми зонами.
В работе были рассчитаны и изготовлены комбинированные пленочные дифракционные элементы, такие как: составные радиальные решетки, состоящие из фрагментов круговых штрихов с единым центром; составные комбинации зонных пластин с линейными и радиальными решетками. Собраны установки и проведены измерения интенсивности дифракционной картины, формируемой пленочными дифракционными элементами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дифракционная компьютерная оптика / под ред. В. А. Сойфера. - М. : Физматлит, -2007. - 736 с.
2. Компьютерный синтез пленочных составных и наложенных дифракционных элементов / Ю. Ц. Батомункуев, А. А. Дианова, Т. В. Маганакова, В. А. Райхерт, Н.А. Харитошин // Ползуновский вестник. - 2012. - № 3/2. - С. 139-142.
3. Компьютерный синтез дискретных дифракционных оптических элементов / Ю. Ц. Батомункуев, А. А. Дианова, Т. В. Маганакова, В. А. Райхерт, Н. А. Харитошин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОпти-ка-2013». Дифракционные и интерференционные системы и приборы : сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 81-86.
4. Киноформы: технологии, новые элементы и оптические системы / В. П. Коронкевич, В. П. Корольков, А. Г. Полещук и др. // Автометрия. - 1989. - № 3. - С. 95-102.
© Ю. Ц. Батомункуев, А. А. Дианова, П. С. Орлов, 2017
