CC BY
34
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: opttechnic@mail.ru
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 Алексеевич 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, зонная пластина.
COMPUTER SYNTHESIS
OF DISCRETE DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS
Yury Z. Batomunkuev
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, associate professor, е-mail: opttechnic@mail.ru
Alexandra А. 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 realize a simple transformation of the incident light wave. The multiplex and imposed diffractive optical elements are presented as examples. The diffraction patterns of these elements and graphics intensity distribution are presented.
Key words: diffraction, diffractive optical element, zone plate.
В последние годы разрабатываются новые дифракционные оптические элементы, преобразующие заданным образом волновой фронт, амплитуду и фазу световой волны [1-5]. 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 разрушения излучением дифракционных элементов возникает потребность в недорогих элементах, одноразового использования. В настоящее время возник интерес к дискретным составным и наложенным дифракционным элементам, выполняющим одновременно два и более различных преобразований световой волны [6]. Но для их изготовления требуется дальнейшее совершенствование специализированного оборудования и технологий, а также усложнение расчетов, по сравнению с расчетами известных дифракционных элементов. Поэтому задача упрощения изготовления составных и наложенных дифракционных элементов, в частности с дискретной структурой, 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. При этом минимальные размеры дифракционной структуры элементов ограничены разрешением принтера.
Изготовление дискретного дифракционного оптического элемента включает в себя 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 [7]. По указанной методике было изготовлено большое количество (сотни штук) различных дискретных составных и наложенных дифракционных элементов. В качестве примера на рисунке 1а представлен пленочный составной дифракционный аксикон с дискретными круговыми тонкими кольцами, а на рисунке 1б -этот же составной аксикон с непрерывными тонкими кольцами.
а) б)
Рис. 1. Изображение составного дифракционного аксикона с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими кольцами (круговыми штрихами).
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
а)
150 200
б)
Рис. 2. Изображение дифракционнй картины составного аксикона с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими круговыми штрихами и графики распределения интенсивности вдоль линии на этой
дифракционной картине
При падении на составной аксикон с дискретными круговыми штрихами плоской монохроматической волны имеет место явление фокусировки. На рисунке 2а представлено изображение фокуса прошедшей составной аксикон монохроматической волны, указывающее на отсутствие боковых дифракционных
порядков. Это подтверждается графиком распределения интенсивности в фокальной плоскости вдоль выбранной горизонтальной линии, проходящей через фокальное пятно.
На рисунке 2б представлено изображение дифракционной картины, создаваемой монохроматической волной, прошедшей составной аксикон с непрерывными тонкими круговыми штрихами и график распределения интенсивности вдоль выбранной горизонтальной линии. На дифракционной картине видны кольца порядков дифракции, соответствующие частям составного аксикона. На графике распределения интенсивности проявляются максимумы, соответствующие соответствующие этим дифракционным порядкам.
Наложением двух или более дифракционных элементов друг на друга можно получить наложенные дифракционные элементы. На рисунке 3 представлены наложенные дифракционные элементы с дискретной и непрерывной структурой. На рисунке 4 представлены изображения дифракционной картины наложенного элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими прямоугольными штрихами и графики распределения интенсивности вдоль линии на этой дифракционной картине. 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. 3. Изображения наложенного дифракционного элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими квадратными штрихами
а) б)
Рис. 4. Изображения дифракционнй картины наложенного элемента с дискретными (а) и с непрерывными (б) тонкими прямоугольными штрихами и соответствующие графики распределения интенсивности вдоль линии на этой
дифракционной картине
Таким образом, 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 рельефно-амплитудными 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. Использование разрабатываемых высокоразрешающих принтеров для трехмерной печати позволит создавать объемные ГОЭ, для формирования заданных сферических, цилиндрических, и других более сложных волновых фронтов [8 -10]. В настоящее время объемные ГОЭ изготавливаются интерференционным способом с применением лазеров [11-13].
Работа выполнена в рамках НИР № ГР 012008.03159, поддержанной Федеральной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2012 годы)».
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. 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.
5. Батомункуев Ю.Ц. Разработка и расчет объемных голографических оптических элементов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, 2003.
6. Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Внеосевые объемные голограммные элементы для ближнего инфракрасного диапазона спектра // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. -Т. 52. - №6. - С. 43-47.
7. Fresnel interferometric imager: ground-based prototype / D. Serre, P. Deba, L. Koechlin. -App. Opt. - 2009. V.48. P. 2811-2820.
8. Батомункуев Ю.Ц. Зеркально-линзовая модель объемных голограммных оптических элементов // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - № 7. - С. 48-52.
9. Батомункуев Ю.Ц. Зеркально-линзовая модель объемного осевого цилиндрического ГОЭ // Вестник СГГА. - 2004. - Вып. 9. - С. 124-128.
10. Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Формирование сопряженных плоскостей объемного внеосевого цилиндрического голографического оптического элемента // Автометрия. -2003. - Т. 39. - №2. - С. 23-29.
11. Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Стабилизация положений интерференционных полос при записи объемной голограммы в реальном времени // Автометрия. - 2000. -№ 1. - С. 50-56.
12. Батомункуев Ю.Ц., Мещеряков Н.А. Расчет схемы записи цилиндрическими волнами объемного внеосевого голографического оптического элемента // Автометрия. -1999. - № 4. - С. 33-38.
13. Батомункуев Ю.Ц., Вениаминов А.В., Попов А.П. Послеэкспозиционное изменение характеристик объемной решетки в полимерной голограммной среде с фенантренхиноном // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. - Т. 5, ч 2. - С. 36-42.
© Ю.Ц. Батомункуев, А.А. Дианова, Т.В. Маганакова, В.А. Райхерт, Н.А. Харитошин, 2013
