CC BY
91
УДК 535.715 Ю.Ц. Батомункуев СГГ А, Новосибирск
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МНОГОКРАТНОЙ ДИФРАКЦИИ В ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ
Известны оптические схемы монохроматоров и спектрографов разработанные на основе многократной дифракции [1]. В этих схемах дифрагировавшая на дифракционной решетке волна направляется повторно на эту же решетку. Для некоторых схем спектральных приборов возможно и осуществление п-кратной дифракции, что позволяет в п раз увеличить дисперсию и разрешение [1]. Но в разработанных схемах многократную дифракцию испытывает только одна волна (выбранного порядка дифракции), поэтому можно считать, что в этих схемах использован наиболее простой вариант метода многократной дифракции. Другой более сложный вариант метода многократной дифракции заключается в следующем: дифрагировавшие волны двух выбранных порядков, в том числе и нулевого порядка, повторно (многократно) направляются на эту же решетку и затем регистрируется интерференционная картина при наложении повторно (многократно) дифрагировавших волн. Возможности практического применения второго варианта метода многократной дифракции значительно шире. Целью настоящей работы является обзорный анализ применения этого варианта метода многократной дифракции в различных оптических устройствах.
В обзорной работе [1] рассмотрены автоколлимационный и обратно -круговые (циклические) оптические схемы сисамов, разработанные на основе метода многократной дифракции. В качестве примера на рис. 1 представлена автоколлимационная схема сисама [1], представляющая собой интерферометр с отражательной дифракционной решеткой и фотоприемник 1. Решетка 2 выполняет одновременно функции амплитудного делителя и дисперсионного элемента. В этой схеме на отражательную дифракционную решетку 2 с симметричным профилем штрихов падает излучение с широким спектром. Дифрагировавшие волны положительного и отрицательного порядков отражаются от плоских зеркал 3, 4 и направляются для повторной дифракции на решетку 2. Повторно дифрагировавшие волны распространяются навстречу падающей волне и попадают на фотоприемник 1. Изменение разности хода (модуляция) двух повторно дифрагировавших волн осуществляется либо поступательным смещением одного из зеркал 3, 4 вдоль оси падающих на зеркала волн, либо смещением решетки 2 вдоль направления первоначально падающей волны (в направлении, перпендикулярном штрихам). Сканирование рабочего диапазона спектра осуществляется поворотом в противоположные стороны зеркал 3, 4 вокруг оси дифракционной решетки, проходящей через центр решетки параллельно штрихам. Если размеры зеркал достаточно большие, то сканирование спектра можно получить вращением зеркал 3, 4 в противоположных направлениях на один и тот же угол вокруг собственных осей зеркал, проходящих через их
центры параллельно оси решетки. Излучение нулевого порядка, отражающееся от решетки обратно, не модулируется и не регистрируется фотоприемником 1. В этой схеме первоначально падающая волна и повторно дифрагировавшие волны распространяются параллельно. Схема рассчитывается так, что входная диафрагма и ее изображение совпадают. Поэтому свет поступает в интерферометр через одну половину круглой диафрагмы, а через вторую ее половину (на которой получается изображение первой половины) направляется на фотоприемник 1. Преимуществом этой схемы [1] является примерно двукратное увеличение дисперсии и разрешающей способности сисама. Другим преимуществом данной схемы является отсутствие преломляющих оптических и спектральных элементов, что позволяет использовать ее в дальней инфракрасной области. К недостаткам следует отнести увеличенные потери света.
Рис. 1. Схема сисама с дифракционной решеткой
Рис. 2. Схема голографического датчика перемещений
1
4
5
Другим типом устройств, разработанных на основе метода многократной дифракции, являются устройства для измерения перемещений. На рис. 2 приведена схема датчика перемещений с одной парой отражательных элементов (зеркал) [2].
Принцип работы датчика заключается в следующем: плоская волна лазера 1 падает на дифракционную решетку 2, дифрагировавшие в выбранные порядки две волны, отражаясь от зеркал 3, 4, попадают на решетку для повторной дифракции. При этом среди волн, испытавших повторную дифракцию, выделяются и совмещаются в пространстве две волны выбранных дифракционных порядков, а полученная интерференционная картина регистрируется приемником 5 излучения. При линейном перемещении решетки 2 первоначально дифрагировавшие волны набирают разность фаз Лф, прямо пропорциональную произведению величины перемещения решетки на выбранные порядки дифракции.
При повторной дифракции этих волн и выборе в качестве интерферирующих двух волн, тех же порядков, что и при первой дифракции,
разность фаз Лф будет удвоена, следовательно, точность измерений перемещений удвоена. При п-кратной дифракции точность измерений будет увеличена соответственно в п раз [2]. Но низкая дифракционная эффективность решеток ограничивает такую возможность увеличения точности измерений.
Достоинством этой схемы датчика является то, что смещение решетки в поперечном направлении не вносит погрешности в измерения. Так как при таком смещении решетки, угол падения волны лазера на решетку не изменяется, поэтому не изменяются углы дифракции и углы схождения волн. Расстояния, пройденные волнами, изменяются на одинаковые величины и разность их фаз не изменяется. В симметричной схеме [2] дифрагировавшие волны проходят одинаковые расстояния, поэтому снижаются требования к длине когерентности лазера.
Рис. 3. Схема интерферометра для контроля формы поверхностей
Еше один интересный случай применения метода многократной дифракции - это интерферометр для контроля сферических и асферических поверхностей [3]. В отличие от рассмотренных выше случаев здесь дифрагируют сходящиеся и расходящиеся волны на зонной пластинке Френеля. Принципиальная схема устройства [3] представлена на рис. 3. Собственно интерферометр состоит из двух элементов: зонной пластинки 1 и контролируемой поверхности 2. Расстояние между этими элементами равно радиусу кривизны проверяемой поверхности. В наблюдательную часть входят диафрагма 3, объектив 4 и ПЗС-фотоматрица 5. Стандартная схема освещения, состоящая из источника, линзы и разделительного блока на рис. 3 не показана. В интерферометр из схемы освещения поступает сходящаяся волна. Нулевой порядок сходящейся волны после зонной пластинки собирается в точку в центре проверяемой поверхности. Затем, отражаясь от нее, направляется на зонную пластинку и повторно дифрагировавшая в первый порядок сходящаяся волна попадает на диафрагму 3. Эту волну авторы называют референтной (опорной). От первоначально сходящейся волны дифрагировавшая в первый порядок сходящаяся волна отражается от контролируемой поверхности и проходит повторно зонную пластину в
нулевом порядке - эту волну авторы называют измерительной. Через диафрагму проходят только эти две волны. После объектива 4 в плоскости фотоматрицы ПЗС они формируют интерференционные полосы, содержащую информацию о форме проверяемой поверхности. Отличительной особенностью этой схемы является равенство набега фаз при прохождении зонной пластинки в референтной и измерительной волнах. Поэтому различие волновых фронтов референтной и измерительной волн определяется формой поверхности 2.
Таким образом, метод многократной дифракции может с успехом применяться в различных по назначению устройствах. Отличительной особенностью этого метода является использование одного и того же дифракционного элемента. Совмещая разные порядки многократно дифрагировавших волн, можно добиться усиления или же погашения возникающих искажений в интерферирующих порядках. Также выбором волн определенных порядков дифракции можно получить стабильную интерференционную картину или же, наоборот, очень чувствительную к вибрационным и температурным изменениям элементов схемы. В работе рассмотрено применение лишь одного варианта метода многократной дифракции, причем для волн простой формы. Применение многократной дифракции сложных волновых фронтов, многократной дифракции с обращением волнового фронта дифрагировавших волн будут рассмотрены в последующих работах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов [Текст]/ И. В. Пейсахсон/Л: Машиностроение, 1975. - 312с.
2. А.с. № 1562686 СССР. Устройство для измерения линейных перемещений [Текст]/ С.А. Шойдин, Е.А. Сандер, Ю.Ц. Батомункуев и др. (Россия). - Заявл. 21.07.1988; опубл. 7.05.90. - Бюл. № 17.
3. Коронкевич В. П. Синтетическое пробное стекло [Текст]/ В. П. Коронкевич, Г. А. Ленкова, А. Е. Маточкин: Сборник трудов VI Междунар. конф. “ Прикладная оптика”, Т.3. - Санкт-Петербург, 2004. - С.225.
© Ю.Ц. Батомункуев, 2005
