Компьютерный синтез дискретных дифракционных оптических элементов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.417

КОМПЬЮТЕРНЫЙ СИНТЕЗ ДИСКРЕТНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Юрий Цыдыпович Батомункуев

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected]

Александра Алексеевна Дианова

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,

ул. Плахотного, 10, лаборант

Татьяна Валерьевна Маганакова

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,

ул. Плахотного, 10, лаборант

Валерий Андреевич Райхерт

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,

ул. Плахотного,10, доцент

Никита Анатольевич Харитошин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,

ул. Плахотного,10, лаборант

В работе рассмотрено изготовление дискретных составных и наложенных дифракционных элементов с помощью стандартных компьютерных программ и высокоразрешающего принтера. Каждая составная (наложенная) часть дифракционного элемента выполняет заданное простое преобразование падающей на нее световой волны. Приведены примеры дискретных составных и наложенных дифракционных элементов. Представлены формируемые ими дифракционные картины и графики распределения интенсивности.

Ключевые слова: дифракция, дифракционный оптический элемент.

COMPUTER SYNTHESIS OF DISCRETE DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS

Yury Z. Batomunkuev

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, associate professor, e-mail: [email protected]

Alexandra ^ Dianova

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, laboratory assistant

Tatiana V. Maganakova

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, laboratory assistant

Valery A. Reichert

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, associate professor

Nikita A. Haritoshin

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, laboratory assistant

The production of the discrete multiplex and of the imposed diffractive elements using standard computer programs and high-resolution printer is considered in this report. The each component of the diffractive element realized a simple transformation of the incident light wave. The discrete multiplex and imposed diffractive optical elements are presented as examples. The diffraction patterns of these elements are presented.

Key words: diffraction, diffractive optical element.

В последние годы разрабатываются новые 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 невозможностью использования стеклянных линз и призм в терагерцовом, дальнем инфракрасном и в дальнем ультрафиолетовом диапазонах спектра. Причем из-за имеющегося, зачастую, разрушения излучением дифракционных элементов возникает потребность в недорогих элементах одноразового использования. В настоящее время возник интерес к дискретным составным и наложенным дифракционным элементам, например, для использования в качестве оптических элементов в астрономических приборах [4]. Но для изготовления дискретных дифракционных элементов требуется дальнейшее совершенствование специализированного оборудования и технологий, а также усложнение расчетов, по сравнению с расчетами известных дифракционных элементов. Поэтому задача предварительного моделирования дискретных дифракционных элементов и связанное с этим необходимость упрощения изготовления дискретных составных и наложенных дифракционных элементов является актуальной. Такая практическая возможность появилась в последнее время с созданием относительно недорогих высокоразрешающих принтеров. Целью работы является изготовление дискретных составных и наложенных дифракционных элементов с помощью стандартных компьютерных программ и высокоразрешающего принтера.

Изготовление дискретного дифракционного оптического элемента включает в себя расчет и создание его изображения с помощью стандартных программных систем проектирования и печатание этого изображения на прозрачную пленку или пластину. Например, формирование дифракционного аксикона в программе проектирования и черчения Auto CAD состоит из нескольких действий: выбора линии и цвета зоны, указания размеров и их взаимного расположения [5]. По указанной методике было изготовлено большое количество (несколько сотен) различных дискретных составных и наложенных дифракционных элементов. В качестве примера на рис. 1а представлен составной дифракционный оптический элемент с дискретными штрихами, а на рисунке 1б - этот же дифракционный элемент с непрерывными тонкими штрихами.

б)

Рис. 1. Изображение составного дифракционного оптического элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими штрихами

На рис. 2а представлено изображение дифракционной картины, сформированной прошедшей монохроматической волной через составной дифракционный оптический элемент с дискретными штрихами. На рисунке 2б представлено изображение дифракционной картины, сформированной прошедшей монохроматической волной через такой же составной дифракционный элемент с непрерывными штрихами. Дифракционные картины существенно отличаются друг от друга. Так, на рис. 2б дифракционные порядки расположены на горизонтальной и вертикальной оси, причем наиболее интенсивными являются центральный и четыре порядка на осях, образующие квадрат. На графике распределения интенсивности в дифракционной картине вдоль выбранной горизонтальной линии проявляются максимумы, соответствующие этим дифракционным порядкам. На рис. 2а дифракционная картина имеет сетчатый характер из-за дискретной структуры дифракционного элемента. Дифракционные порядки вдоль горизонтальной и вертикальной осей выражены слабо. Это подтверждается графиком распределения интенсивности в дифракционной картине вдоль выбранной горизонтальной линии.

Наложением двух или более дифракционных элементов друг на друга можно получить наложенные дифракционные элементы. На рис. 3 представлены наложенные дифракционные элементы с дискретной и непрерывной структурой. На рис. 4 представлены изображения дифракционной картины наложенного элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими штрихами и соответствующий графики распределения интенсивности вдоль горизонтальной линии на этих дифракционных картинах. В [3] предложен другой метод компьютерного синтеза наложенных дифракционных элементов, основанный на решении обратной задачи дифракции. В представленной работе каждая составная или наложенная часть дифракционного элемента выполняет заданное простое преобразование падающей на нее световой волны. Результирующее преобразование является результатом сложения преобразований всех составных и наложенных частей.

а) б)

Рис. 2. Изображение дифракционнй картины составного дифракционного оптического элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) штрихами и графики распределения интенсивности вдоль линии на этой дифракционной

картине

а) б)

Рис. 3. Изображения наложенного дифракционного элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими квадратными штрихами

Таким образом, с целью создания каталога дифракционных элементов, в работе рассмотрено изготовление дискретных составных и наложенных дифракционных элементов с помощью широко распространенных компьютерных программ и высокоразрешающего принтера. Синтез дифракционных элементов заключается в расчете и проектировании простых дискретных составных частей и в комбинировании из них различных составных и наложенных дифракционных элементов. Причем, распространенные компьютерные программы позволяют разрабатывать и реализовывать произвольные дискретные дифракционные структуры за счет изменения длины, ширины и высоты линий, формы, размеров, цвета мельчайших деталей дифракционных элементов. Минимальные размеры дифракционной структуры элементов ограничены разрешением принтера.

Использование прозрачной принтерной краски позволяет создавать на основе прозрачной или зеркальной пленки (тонкой пластины) дискретные рельефно-фазовые составные и наложенные дифракционные оптические элементы для видимой области спектра. Эти же элементы будут дискретными рельефноамплитудными в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра из-за отличий в поглощении излучения. Использование цветных принтерных красок позволяет создавать дискретные рельефно-амплитудно-фазовые дифракционные элементы в видимой области спектра.

Работа выполнена в рамках НИР № ГР 012008.03159, поддержанной Федеральной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2012 годы)».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Киноформы: технологии, новые элементы и оптические системы / Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А.Г., и др. // Автометрия. - 1989. - № 3. - С.95-102.

2. Рентгеновская оптика и микроскопия / Под ред. Г. Шмаля, Д. Рудольфа. - М.: Мир. -1987. - 464 с.

3. Дифракционная компьютерная оптика / Под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит, -2007. -736 с.

4. Fresnel interferometric imager: ground-based prototype / D. Serre, P. Deba, L. Koechlin. -App. Opt. - 2009. - V.48. - P. 2811-2820.

5. Батомункуев Ю.Ц., Дианова А.А., Маганакова Т.В., Райхерт В.А., Харитошин Н.А. Компьютерный синтез пленочных составных и наложенных дифракционных элементов / Ползуновский вестник. - 2012. - № 3/2. - С. 139-142.

© Ю.Ц. Батомункуев, А.А. Дианова, Т.В. Маганакова, В.А. Райхерт, Н.А. Харитошин, 2013