close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Оптическая малогабаритная мера плоского угла на основе мультиплексных голографических брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле для систем углового позиционирования

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Доан Ван Бак
ОПТИЧЕСКАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ МЕРА ПЛОСКОГО УГЛА НА
ОСНОВЕ МУЛЬТИПЛЕКСНЫХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ
РЕШЕТОК В ФОТО-ТЕРМО-РЕФРАКТИВНОМ СТЕКЛЕ ДЛЯ СИСТЕМ
УГЛОВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Специальность 05.11.07 -
Оптические и оптико-электронные приборы и
комплексы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2018 г.
2
Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском
университете информационных технологий, механики и оптики
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
профессор
Никоноров Николай Валентинович
Официальные оппоненты: Одинокое Сергей Борисович,
доктор физико-математических наук,
доцент, профессор кафедры
лазерных и оптико-электронных систем
ФГБОУ ВО «МГТУ им. Н. Э. Баумана»
Венедиктов Владимир Юрьевич,
доктор физико-математических наук, доцент,
главный научный сотрудник кафедры
лазерных,
измерительных и навигационных систем
ФГАОУ ВО «ЛЭТИ им. В. И. Ульянова Ленина»
Ведущая организация:
Акционерное общество «Государственный
оптический институт им. С. И. Вавилова»,
г. Санкт-Петербург
Защита состоится «18» сентября 2018 года в 17 час. 00 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные
приборы
и
комплексы»
при
Санкт-Петербургском
национальном
исследовательском университете информационных технологий, механики и
оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49
и на сайте http://fppo.ifmo.ru/?pagel=16&page2=52&page_d=l&page_d2=146520
Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) просим
высылать по адресу: 197101, СПб, Кронверкский пр., д.49, Университет ИТМО.
Автореферат разослан « ____» ___________
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.227.01,
кандидат технических наук, доцент
2018 года.
А.В. Бахолдин
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
При решении ряда задач углового позиционирования приборов, комплексов и
платформ нередко требуется проведение угломерных/углозадающих работ в
условиях ограниченного пространства или осуществление поверки (калибровки)
угломерных/углозадающих приборов на месте их базирования. Поэтому весьма
актуальными становятся задачи по миниатюризации угломерных/углозадающих
устройств, а также внедрению в состав приборов встроенных средств поверки
или калибровки (рабочих эталонов угла). Благодаря развитию в последние
десятилетия микроэлектроники и технологии создания новых функциональных
материалов, многие угломерные/углозадающие устройства стали весьма
компактными (с характерным размером несколько сантиметров). В то же время
обзор характеристик таких устройств показывает, что принцип их работы и
конструкция обеспечивают их применимость лишь для ограниченного круга
задач, а в ряде случаев их применение невозможно в силу условий окружающей
среды или наличия помех (например, электрических или магнитных).
Таким образом, остается актуальной разработка новых подходов, принципов
и технологий создания малогабаритных высокоточных оптических
угломерных/углозадающих устройств, которые могут использоваться, вопервых, как важнейший элемент широкого спектра угломерных/углозадающих
приборов и комплексов, а во-вторых, в качестве рабочего экспресс-эталона угла
(после соответствующей калибровки по одному из первичных эталонов).
Использование методов оптической голографии является одним из путей
создания новых угломерных/углозадающих устройств с высокими точностными
характеристиками, что определяется высокими значениями угловой и
спектральной селективности объемных брэгговских решеток, на основе которых
создаются дифракционные оптические элементы.
В работах [1–3] был предложен новый оптический элемент – мера плоского
угла (голографическая призма - ГП), созданная на основе аддитивно окрашенных
кристаллов фторида кальция. При падении на ГП референтного лазерного луча
индуцируется отклик в виде нескольких дифрагированных лучей. В зависимости
от способа записи они могут возникать поочередно при повороте образца или
одновременно [1], охватывая ограниченный диапазон углов («веер» лучей). На
основе ГП могут быть созданы углоизмерительные/углозадающие приборы,
удовлетворяющие трем противоречивым требованиям – компактность, высокая
дискретность и точность угловых измерений. Однако, применение аддитивно
окрашенного кристалла фторида кальция в качестве голографической среды
выявило ряд существенных недостатков: необходимость в большой энергии
экспозиции (до 20 кДж/см2) и повышенной температуры (~200оС) при записи
голограмм, наличие поглощения в видимом диапазоне спектра (коэффициент
поглощения до 30 см-1), малый динамический диапазон изменения показателя
преломления (∆n менее 10-4), который обуславливает малую дифракционную
4
эффективность (единицы %), малое число мультиплексных голограмм (не более
6), а также большую толщину ГП (~ 10 мм).
Актуальность диссертационной работы состоит в том, что она посвящена
разработке малогабаритной оптической меры плоского угла для систем углового
позиционирования на основе мультиплексных объемных брэгговских решеток,
записанных в голографическом материале – фото-термо-рефрактивном (ФТР)
стекле. ФТР стекло – это новый фоточувствительный материал, в котором под
действием света и последующей термической обработки изменяется показатель
преломления (∆n ~10-3). Изменение показателя преломления в ФТР стеклах
происходит за счет различия показателей преломления нанокристаллов фторида
натрия, которые выделяются в результате фото-термо-индуцированной
кристаллизации стекла, и показателя преломления матрицы стекла. Это
позволяет реализовать запись информации в виде объемных фазовых голограмм
для создания оптических элементов и устройств фотоники (спектральных и
пространственных
фильтров,
спектральных
мультиплексоров
и
демультиплексоров, комбайнеров лазерных пучков и т.д.), которые сегодня
крайне востребованы в телекоммуникационных и лазерных системах. Таким
образом, применение ФТР стекла в качестве голографической среды для
создания малогабаритной меры плоского угла позволяет избавиться от
недостатков аддитивно окрашенного кристалла фторида кальция, а именно
упростить процесс создания ГП и улучшить ее параметры: увеличить число
дифрагированных лучей-каналов и дифракционную эффективность голограмм,
уменьшить толщину ГП [4, 5].
Цель работы
Разработка, создание и тестирование оптической малогабаритной меры
плоского угла на основе мультиплексных объемных брэгговских решеток,
записанных в фото-термо-рефрактивном стекле, для систем углового
позиционирования
Задачи исследования
1. Расчет параметров записи мультиплексных брэгговских решеток в фототермо-рефрактивном стекле.
2. Создание схем записи и считывания мультиплексных брэгговских
решеток в фото-термо-рефрактивном стекле.
3. Разработка методики расчета положения точки пересечения
дифрагированных лучей меры плоского угла.
4. Анализ влияния отклонений условий записи и считывания от расчетных
на параметры меры плоского угла.
5. Создание макетных образцов меры плоского угла в фото-терморефрактивном стекле и их тестирование.
Методы исследования: для решения поставленных задач были использованы
аналитические методы научных положений теории измерения плоского угла,
голографические методы записи и измерения характеристик мультиплексных
5
брэгговских решеток, а также математические методы расчета записи и анализа
параметров угловой меры плоского угла.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
1. Предложено использовать фото-термо-рефрактивное стекло в качестве
голографического материала для создания малогабаритной меры плоского угла
на основе мультиплексных объемных брэгговских решеток.
2. Проведен расчет положения точки пересечения дифрагированных лучей
меры плоского угла.
3. Предложена методика расчета и проведен анализ влияния погрешности
записи и считывания мультиплексных брэгговских решеток, записанных в фототермо-рефрактивном стекле, на параметры меры плоского угла.
4. Разработана методика, которая позволяет записывать мультиплексные
голограммы с заданной дифракционной эффективностью, что дает возможность
идентифицировать дифракционные каналы.
5. Создан макетный образец меры плоского угла на основе мультиплексных
брэгговских решеток, записанных в фото-термо-рефрактивном стекле.
Количество брэгговских решеток достигает 21, угол между крайними лучами
веера составляет 50° с угловым расстоянием между соседними лучами 2,5°. Это
позволяет увеличить число лучей (отсчетов) с возможностью обеспечения
высокой дискретности по сравнению с голографической призмой на флюорите.
Основные положения, вносимые на защиту:
1. При записи в фото-термо-рефрактивном стекле большого числа
мультиплексных голограмм с одинаковой дифракционной эффективностью
экспозиция отдельной голограммы определяется следующим соотношением:
J/N, где N – количество голограмм, J – экспозиция в случае записи одиночной
голограммы, которая позволяет достичь максимальной амплитуды первой
гармоники показателя преломления.
2. Предложенная конструкция меры плоского угла с использованием фототермо-рефрактивного стекла позволяет увеличить число лучей (отсчетов) с
возможностью обеспечения высокой дискретности за счет возможности записи
в локальном объеме стекла десятков мультиплексных брэгговских решеток.
3. Предложенная методика расчета погрешности записи и считывания
мультиплексных брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле
определяет связь погрешности при установке образца в момент записи и
считывании (углы наклона) с параметрами веера (плоскостность, угловое
расстояние между соседними и крайними лучами).
4. Веер с одинаковыми угловыми расстояниями между лучами,
образованный несколькими (более 2) мультиплексными голограммами, не имеет
единого истока лучей, что приводит к тому, что каждая пара дифрагированных
лучей имеет свою точку пересечения. Предложенный расчет положения точки
пересечения дифрагированных лучей меры плоского угла позволяет построить
карту истоков лучей веера относительно центра считывающего луча и, таким
образом, осуществлять калибровку угловой меры.
6
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Показано, что на основе фото-термо-рефрактивного стекла возможно
создание малогабаритных голографических мер плоского угла, которые можно
использовать для аттестации углозадающий/углоизмерительных систем.
2. Предложена конструкция меры плоского угла с использованием фототермо-рефрактивного стекла, позволяющая увеличить число лучей (отсчетов) с
возможностью обеспечения высокой дискретности, за счет возможности записи
в локальном объеме стекла десятков мультиплексных брэгговских решеток.
3. Предложена методика расчета погрешности записи и считывания
мультиплексных брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле,
которая позволяет определять связь погрешности при установке образца в
момент записи и считывании с параметрами веера (плоскостность, угловое
расстояние между соседними и крайними лучами).
4. Предложен
метод
расчета
положения
точки
пересечения
дифрагированных лучей меры плоского угла, позволяющий построить карту
истоков лучей веера относительно центра считывающего луча и, таким образом,
осуществлять калибровку угловой меры.
5. Показано, что при записи в фото-термо-рефрактивном стекле большого
числа
мультиплексных
голограмм
с
одинаковой
дифракционной
эффективностью экспозиция отдельной голограммы определяется следующим
соотношением: J/N, где N – количество голограмм, J – оптимальная экспозиция
в случае записи одиночной голограммы, которая позволяет достичь
максимальной амплитуды модуляции показателя преломления.
6. Создан макетный образец малогабаритной меры плоского угла в фототермо-рефрактивном стекле, который по своим техническим характеристикам
превосходит известные аналоги.
Достоверность результатов работы подтверждается использованием
обоснованных голографических методов и численных методов расчета,
согласованием полученных теоретических результатов с собственными
экспериментальными результатами и экспериментальными результатами других
авторов.
Личный вклад автора. В работе изложены результаты исследований,
выполненные лично автором или в соавторстве. Все результаты, составляющие
научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены при
непосредственном участии автора.
Апробация
результатов
исследования.
Основные
результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 конференциях:
• IX и X Международная конференция молодых ученых и специалистов
«Оптика-2015» и «Оптика-2017», 2015, 2017 г., Санкт-Петербург, Россия;
• Всероссийский конгресс молодых ученых СПб НИУ ИТМО, 2016, 2017,
2018 г., Санкт-Петербург, Россия;
7
• XLV, XLVI, XLVII научная и учебно-методическая конференция
Университета ИТМО, 2016, 2017, 2018 г. Санкт-Петербург, Россия;
• 10th International Conference on Optics-photonic Design & Fabrication
ODF’16”, 2016, Weingarten, Germany;
• SPIE Optical Metrology, 2017, Munich, Germany;
• SPIE Optical Systems Design - ODF18, 2018, Frankfurt, Germany;
• 5th International School and Conference “Saint Petersburg OPEN 2018”, 2018,
Saint Petersburg, Russia.
Публикации
Результаты работы опубликованы в 12 научных трудах: 3 статьи в изданиях из
перечня ВАК и 2 статьи в изданиях, включённых в международную базу
цитирования Scopus и Web of Science, 7 – в материалах конференций и сборниках
тезисов докладов.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4–
х глав, заключения, списка использованной литературы. Диссертация содержит
109 страниц, 55 рисунок и 9 таблиц.
Работа была выполнена на кафедре Оптоинформационных технологий и
материалов
Санкт-Петербургского
национального
исследовательского
университета информационных технологий, механики и оптики (Университет
ИТМО).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель,
задачи, научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации проведен аналитический обзор существенных
методов измерения плоских углов (ПУ) и мер ПУ. Методы измерения ПУ делятся
на 3 вида: метод сравнения с жестким эталонными (контрольными)
инструментами, гониометрический метод и тригонометрический метод. Для
измерения ПУ используются разные меры ПУ. При уровне точности в единицы
угловых секунд и менее, основными недостатками мер ПУ являются: большие
габариты и масса устройств, ограничение точности измерений из-за влияния
люфтов и вибраций, высокая стоимость. Традиционной мерой ПУ является
многогранная призма, изготовленная из плавленого кварца, углы которой заданы
нормалями к ее граням. В работах [1-3] был предложен новый оптический
элемент – мера плоского угла (голографическая призма - ГП), созданная на
основе аддитивно окрашенного кристалла фторида кальция. При падении
референтного лазерного луча на ГП индуцируется отклик в виде нескольких
дифрагированных лучей. В зависимости от способа записи они могут возникать
поочередно при повороте образца или одновременно, охватывая ограниченный
диапазон углов («веер» лучей). Угловые расстояния между этими лучами
являются функциональными аналогами углов между нормалями многогранной
кварцевой оптической призмы. В обзоре проведен сравнительный анализ
8
свойств аддитивно окрашенного флюорита и фото-термо-рефрактивного (ФТР)
стекла в качестве голографической среды. Показано, что применение ФТР стекла
в качестве голографической среды для создания малогабаритной меры плоского
угла позволяет не только избавиться от недостатков аддитивно окрашенного
кристалла фторида кальция, но и улучшить параметры ГП (увеличить число
дифрагированных лучей-каналов и дифракционную эффективность голограмм,
уменьшить толщину ГП). Результаты анализа литературных данных позволили
сформулировать цель и задачи исследования настоящей работы, а также
определить пути их решения.
Во второй главе диссертации выполнен расчет параметров записи
мультиплексных брэгговских решеток в ФТР стекле. Система голограмм
включает в себя N решеток таким образом, что при воздействии на образец
лазерный пучок, состоящий из N лучей с разной длиной волны λ1, λ2, ..., λ(i), …,
λN и соответствующими углами падения α1, α2, ... , αi, …, αN, будет индуцировать
систему из N дифрагированных лучей с разными углами выхода из образца β 1,
β2, ..., βi, …, βN. Все решетки записываются лазерным лучом с длиной волны λz
(рисунок 1). При падении на ГП лазерного луча формируется веер
дифрагированных лучей с одинаковой угловой разницей межу соседними
лучами.
Рисунок 1. Мультиплексные голограммы в ФТР стекле
Каждая i-ая решетка, записанная в ФТР стекле, характеризуется периодом d(i)
и углом ϕr(i) поворота плоскости пучностей внутри образца (рисунок 2). Период
d(i) и угол ϕr(i) определяются следующими выражениями:
 sin ( i ) 
  
arcsin  i  − i arcsin 

n 
 n  i

r ( i ) =
2
(1)
9
d (i ) =
i
 sin ( i ) 

 arcsin 


2.n.sin 



n
i
  
arcsin  i  
+
 n 
 i

2



(2)
Рисунок 2. Возможные ориентации плоскости пучностей i-ой решетки внутри
образца
Расчет показал, что помимо разного периода решеток, все решетки должны
быть повернуты друг относительно друга на разные углы. Осуществление такого
поворота составляет основную сложность расчета схемы записи
голографических призм. Для реализации поворота голографических плоскостей
внутри образца необходимо обеспечить различные углы падения предметного и
опорного записывающих лучей на образец. Для этого перед записью i-ой
решетки записывающие лучи должны направляться на регистрирующую среду
под равным углом θz(i). Затем необходимо поворачивать образец вокруг своей
оси на угол ρ(i). Угол сведения записывающих пучков на образец и угол поворота
образца определяются следующими уравнениями:






z
z
arsin n sin arsin
+  (i )   + arsin n sin arsin
−  (i )  
2n  d (i )
2n  d (i )






 z (i ) =
2






z
z
arsin n sin arsin
+  (i )   − arsin n sin arsin
−  (i )  
2n  d (i)
2n  d (i)






 (i ) =
2
(3)
(4)
Данные, полученные в результате расчета углов сведения пучков θz(i) и
поворота образца ρ(i), использованы для создания схемы записи
мультиплексных брэгговских решеток в ФТР стекле (рисунок 3). Лазерное
записывающее излучение (1) коллимировалось и расширялось системой,
состоящей из зеркала (2) и линз (3) и (4), что позволяло создавать равномерное
распределение интенсивности излучения в центральной части пучка. Затем
лазерный луч направлялся на не поляризующий светоделительный кубик 1:1 (5),
10
образующий предметный и опорный канал. Оба пучка сводились на
регистрирующую среду – ФТР стекло (10) с помощью зеркал (8) и (9),
установленных на прецизионных поворотных столиках SR-7012 SmarAct (6) и
(7), которые обеспечивали высокоточный контроль угла сведения
записывающих пучков – 0,36″. Поворот образца ФТР стекла (10) с необходимой
точностью осуществлялся на прецизионном поворотном столике (11). Диаметр
пучка составлял 15 мм, плотность мощности излучения на поверхности образца
составляла 2,2 мВт/см2. Т.к. процесс записи мультиплексных голограмм очень
чувствителен к турбулентностям воздуха и колебаниям данной схемы,
экспериментальная установка находилась в отдельной комнате, в которой
поддерживался стабильный температурный режим.
Рисунок 3. Схема записи мультиплексных голограмм в ФТР стекле:
1 – He-Cd лазер (λ=325 нм); 2, 8, 9 – зеркала; 3, 4 – линзы; 5 – неполяризующий
светоделительный кубик; 6, 7, 11 – поворотные столики, 10 – образец
В третьей главе диссертации проведено исследование характеристик
мультиплексных голограмм, записанных в ФТР стекле. Схема считывания
мультиплексных голограмм показана на рисунке 4. Считывающий луч Не-Ne
лазера (1) направлялся на образец с записанными мультиплексными
голограммами (4). Образец устанавливался на поворотном столике (3) с
возможностью настройки положения образца по пяти координатам. Данный
образец устанавливался перпендикулярно считывающему лучу. Затем с
помощью поворотного столика, управляемого с компьютера, производился
поворот образца на расчетный угол Брэгга на длине волны источника для
исследуемых решеток в воздухе. Фотоприемник (5) устанавливался в
прошедшем пучке для измерения мощности излучения. Также в
дифрагированном пучке устанавливался фотоприемник (7). Вся схема в процессе
работы управлялась программой, написанной в среде LabView. При этом
происходил поворот столика (3) в заданном исследуемом диапазоне углов с
11
шагом (0,005°) в отрицательном и положительном направлении от центрального
расчетного угла Брэгга.
Рисунок 4. Схема считывания мультиплексных голограмм ГП на ФТР стекле:
1 – Не-Ne лазер (632,8 нм); 2 – зеркало; 3 – поворотный столик; 4 – образец; 5, 7
– фотоприемники (Newport 918-IG); 6 – контролер поворотного стола, 8 –
контролеры фотоприемников, 9 – компьютер
В работе исследовалась зависимость амплитуды модуляции первой гармоники
показателя преломления (n1) для случая записи одиночных голограмм от
экспозиционной дозы. Из рисунка 5 видно, что для достижения максимального
значения амплитуды модуляции показателя преломления n1 оптимальная
экспозиция должна лежать в районе 0,5 – 1 Дж/см2, при этом максимальное
значение величины n1 достигало (9 – 10)×10-4.
Рисунок 5. Зависимость амплитуды модуляции первой гармоники показателя
преломления от экспозиции
12
Для мультиплексирования брэгговских решеток в единичном объеме ФТР
стекла необходима информация о динамическом диапазоне изменения
показателя преломления между решетками в стекле. Для исследования данного
распределения были записаны некоторые образцы с одинаковой и различной
экспозицией для каждой брэгговской решетки. Было записаны два образца с 14
мультиплексными решетками. Для записи первого образца суммарная
экспозиция была выбрана равной оптимальной (1 Дж/см2), а для второго образца
оптимальной выбрана частная экспозиция. Величина n1 для одиночной
голограммы-эталона в образце 1 составила 14×10-4. Все голографические
решетки в этом образце имеют примерно равные значения n1, причем суммарная
величина составила 9,45×10-4. В этом образце суммарные значения n1
получились близкими к значениям n1 одиночных голограмм-эталонов,
записанных при оптимальной экспозиции. Дифракционная эффективность (ДЭ)
решеток была практически идентичной друг другу с учетом различия в
оптических путях внутри элемента. Величина n1 для одиночной голограммыэталона в образце 2 составила 8×10-4. Все голографические решетки в образце 2
имеют примерно равные амплитуды модуляции первой гармоники показателя
преломления, причем суммарная величина n1 составила 3,75×10-4. Значения
суммарных n1 мультиплексных голограмм в втором образце гораздо ниже
значений n1 одиночных голограмм, записанных при оптимальной экспозиции.
ДЭ решеток была практически идентичной друг другу с учетом различия в
оптических путях внутри элемента (рисунок 6). Таким образом, можно сделать
вывод, что суммарная экспозиция при записи мультиплексных голограмм
должна равняться оптимальной для данного материала. Причем значение
амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления будет
распределяться равномерно между голограммами при равных экспозициях
записи.
Рисунок 6. Дифракционная эффективность и n1 записанных образцов 1 и 2
13
Далее в работе была проведена запись шести решеток с попарно равными
дозами. Максимальная доза составила 0,25 Дж/см2, минимальная 0,083 Дж/см2, а
промежуточная 0,167 Дж/см2. Таким образом, суммарная доза для данного
образца составила 1 Дж/см2. В случае записи одиночных решеток при данной
экспозиции величина n1 составила 9,6×10-4. В таблице 1 приведены
характеристики мультиплексных голограмм, записанных в ФТР стекле с попарно
равными дозами. Из таблицы видно, что для голограмм, записанных с дозами,
отличающимися в 1 – 3 раза, отношение величин n1 пропорционально
соотношению между дозами, а суммарное значение такой величины составляет
9,3×10-4. Зависимость интенсивности света в 1-ом порядке дифракции от угла
поворота образца, в котором записаны голограммы с попарно равными дозами,
представлена на рисунке 7.
Рисунок 7. Зависимость интенсивности света в 1-ом порядке дифракции от угла
поворота образца, в котором записаны голограммы с попарно равными дозами
Таблица 1 – Характеристики мультиплексных голограмм, записанных в ФТР
стекле с попарно равными дозами
Решетка №
1
2
3
4
5
6
0,495
0,435
0,21
0,19
0,45
0,45
n1·10-4
2,4
2,3
1,5
1,6
0,8
0,7
Доза, Дж/см2
0,25
0,25
0,167
0,167
0,083
0,083
Интенсивность,
от. ед.
Исходя из характеристик выше представленных образцов, можно сделать
вывод, что при записи в единичном объеме ФТР стекла большого числа
мультиплексных голограмм с одинаковой дифракционной эффективностью
14
экспозиция отдельной голограммы определяется следующим соотношением:
J/N, где N – количество голограмм, J – экспозиция в случае записи одиночной
голограммы, которая позволяет достичь максимальной амплитуды модуляции
показателя преломления. Кроме этого, разные дозы записи позволяют управлять
изменением показателя преломления и, таким образом, задавать дифракционную
эффективность в каждом канале, т.е. осуществлять его идентификацию.
Рисунок 8. Принципиальная схема меры плоского угла на ФТР стекле:
a – для качающих платформ, б – для поворотных платформ
1 – референтный лазер, закрепленный на поворотном столике, 2 – лазерный
луч, 3 – ГП, 4 – веер дифрагированных лучей, 5 –поворотный столик
(калибруемая платформа)
На основании исследований характеристик мультиплексных брэгговских
решеток, записанных в единичном объеме ФТР стекла, в настоящей работе была
предложена новая схема меры ПУ для качающих (рисунок 8, a) и поворотных
(рисунок 8, б) платформ. Мера ПУ состоит из лазера (1), ГП (3), линейки
фотоприемников и калибруемой платформы (5). Лазерный считывающий луч (2)
от референтного лазера (1) падает на образец ФТР стекла с мультиплексными
брэгговскими решетками (3), устанавливающийся на поворотном столике (6). В
такой схеме одновременно индуцируется система откликов в виде «веера»
дифрагированных лучей (4), падающих на линейку фотоприемников.
Считывающий и дифрагированные лучи лежат в одной плоскости (рисунки 9 и
10).
Рисунок 9. Общий вид веера с 21-м лучом
15
Рисунок 10. Пятна веера дифрагированных лучей в образце ФТР-стекла,
содержащего 21 луч
Рисунок 11. Конструкция мера плоского угла с голографической призмой на
основе ФТР стекла
На рисунке 11 представлен макет меры плоского угла на ФТР стекле. В состав
меры ПУ входит 21-канальная ГП размером 10×10×1 см3. Раскрытие веера в
призме на ФТР-стекле в последней модификации составило 50°, а угловое
расстояние между соседними лучами (дискретность) – 2,5° (рисунки 9 и 10).
Оценка плоскостности веера показала, что на расстоянии 3 м от образца
отклонения лучей от плоскости не превышают 50 мкм. Таким образом, создан
16
макетный образец меры ПУ с использованием ГП на основе ФТР стекла, который
может быть использован для аттестации качающихся платформ.
Таблица 2 – Сравнение характеристик ГП на флюорите и ФТР стекле
ГП на
флюорите
ГП на ФТР
стекле
Число откликов
6
21
Дискретность, градус
Отклонение от плоскостности
каждого из лучей на расстоянии L,
мм
Температурная стабильность, ″/°C
10
2,5
1
(L = 1м)
 0,05
(L = 3м)
~6
~3
5
48
10-4
10-3
до 20×103
0,5 – 1
200
комнатная
~ 30
0,01
20x10x8
 20x10x1
5,01
 0,63
Характеристики
Суммарная ДЭ голограмм, %
Изменение показателя
преломления
Энергия экспозиции, Дж/см2
Температура записи голограмм, °С
Поглощение в видимом диапазоне
спектре, см-1
Размер, мм3
Масса, г
В таблице 2 приведено сравнение характеристик ГП на флюорите и ФТР
стекле. Из таблицы видно, что все приведенные характеристики ГП, созданной
на основе ФТР стекла превосходят характеристики ГП на флюорите.
В четвертой главе диссертации проведено исследование влияния
погрешности при установке исходного образца ФТР стекла при записи и
последующем считывании мультиплексных голограмм на характеристики меры
ПУ на ФТР стекле. В идеальном случае процесс записи и считывания решеток
происходит в плоскости (P1), показанной на рисунке 12, a, б. Однако, в реальном
случае присутствуют погрешности в установке образца при записи и считывании
(углы наклона). Такие погрешности ведут к изменению положения плоскости
(P1) относительно координатой плоскости (Ozy), связанной с рабочей
плоскостью образца (рисунки 12, в, г) и, соответственно, к изменению в
ориентации записывающих S0 , R0 и считывающего  0 лучей.
Погрешности при установке образца в момент записи и считывании
мультиплексных решеток меры ПУ рассматривались в виде поворотов плоскости
(Р1) вокруг оси Ox (рисунок 12, г) и оси Oy (рисунок 12, в). Поворот образца
17
вокруг оси Oy был определен в интервале значений ±18″, который задан
погрешностью измерений данных поворотов в используемой схеме записи и
считывания. Поворот образца вокруг Ox был рассмотрен в более широком
диапазоне (±2°), т.к. он контролируется значительно хуже. Поворот образца
вокруг Оz не рассматривался, поскольку данный поворот мы контролировали с
высокой точностью (0,36″).
Рисунок 12. Положение плоскости записи (P1) относительно
координатной плоскости (Oyz), связанной с рабочей поверхностью ГП меры
плоского угла (a, б – идеальный случай; в – поворот образца вокруг оси Oy; г –
поворот образца вокруг оси Ox)
Результаты расчета показали, что повороты образца на углы σ и τ вокруг Оу и
Ох в исследуемых интервалах углов не оказывают существенного влияния на
угол ϕr(i) и период решетки d(i). Отклонение значения периода решетки при
поворотах образца в исследуемом диапазоне углов не превышает Δd(i) ≈ 3,7 пм
(для типичного периода решетки 500 нм ошибка периода решетки на этапе
записи не превышает 0,001%). При этом погрешность угла поворота плоскости
пучностей голограммы не превышает Δϕr(i) ≈ 2×10-5 градус. Надо отметить, что
текущие оценки предполагают, что векторы всех решеток находятся в одной
плоскости, но такая плоскость может поворачиваться внутри образца, что
приводит к изменениям угла считывания α0 и углов преломления
дифрагированных лучей βi в воздухе.
18
Первым из важных параметров меры ПУ является угловое расстояние между
двумя соседними дифрагированными лучами (дискретность) χ(i). Погрешности
в установке образца при записи/считывании в исследуемом диапазоне углов
могут приводить к отличию реального значения данного параметра от
идеального значения, которое было задано при расчете меры ПУ. Выше было
показано, что погрешности в установке образца при записи не влияют на
периоды и углы поворота плоскостей голограмм, а значит отклонение реального
значения χ(i) от расчетного будет определяться погрешностями при считывании.
Результаты расчета показали, что при отклонении считывающего луча от
плоскости, образованной векторами решеток на 0,5 градус, угловая разница
между двумя соседними лучами нелинейно изменяется. При этом погрешность в
угловом расстоянии увеличивается с номером луча. Для 1-ой пары
дифрагированных лучей она составляет 3,32×10-6 градус, а для последней пары
дифрагированных лучей она не превышает 2,1×10-5 градус.
Вторым важным параметром, определяющим работоспособность меры ПУ,
является плоскостность веера дифрагированных лучей. Для ее оценки удобно
использовать угол ξ(i) между нормалями к плоскостям, образованным двумя
соседними дифрагированными лучами. Если углы ξ(i) равны нулю, то все такие
нормали параллельны друг другу и веер дифрагированных лучей будет идеально
плоский (рисунок 13, a).
Рисунок 13. Пятна веера дифрагированных лучей меры ПУ на экране: a –
идеальный случай; б – при повороте вокруг Ox; в – при повороте вокруг Oy; г –
при одновременном повороте вокруг Ox и Oy
Было установлено, что повороты образца на угол τ вокруг Ох и/или на угол σ
вокруг Oy приводят к тому, что считывающий луч перестает лежать в плоскости
«веера» дифрагированных лучей. Это ведет к тому, что пятна дифрагированных
лучей на экране либо образуют прямую наклонную линию (рисунок 13, б), либо
19
изогнутую (рисунок 13, в) в случае, когда углы ξ(i) внутри образца становятся
неравными и ненулевыми. При одновременном повороте вокруг Ох и Oy такие
эффекты накладываются (рисунок 13, г). Расчет показал, что при поворотах
образца вокруг Оy и Оx на 18″ и 2°, соответственно, максимальное значение ξ(i)
будет 4,875°.
Также в данной главе был проведен расчет положения точки пересечения
дифрагированных лучей меры плоского угла на ФТР стекле, так как отсутствие
информации о ней делает невозможным процесс калибровки меры. Для этого
были рассчитаны координаты x, y пересечения Oi,j дифрагированных пучков от
мультиплексных голограмм номер i и j относительно точки O – пересечения
центра падающего пучка и поверхности образца (рисунок 14). Его координаты
определяются следующими формулами:
x = T − Oi, j D
(5)
sin i 
T 
T 
sin  
y = tg  arcsin

 − Oi , j D.tg ( i ) − tg  arcsin
2 
n 
2 
n 
(6)
где:
Oi , j D =
sin  j
T 
tg  arcsin
2 
n

sin i   cos ( i ) cos (  j )

−
tg
arcsin



n   sin (  j − i )


(7)
α – падающий угол
i = 1 + (i − 1)  – угол преломления дифрагированного луча с номером i
 j = 1 + ( j − 1)  – угол преломления дифрагированного луча с номером j
β1 – угол преломления дифрагированного луча номер 1
χ – угловая разница между соседними дифрагированными лучами
T – толщина голографической меры
Рисунок 14. Определение координат пересечения дифрагированных лучей
№ i и j внутри образца
Для ГП меры ПУ с параметрами: α = 25°, β1=3°, β0=2,5°, толщиной Т, n=1,498
и 21 каналом, пересечения дифрагированных лучей показаны на рисунках 15 и
16.
20
Из рисунка 15 видно, что дифрагированные лучи не пересекаются в одной
точке. У каждой пары дифрагированных лучей своя отдельная точка
пересечения. Такие точки находятся в определенной области, которая зависит от
толщины образца. Как видно из рисунка 17, центры веера находятся в области от
0,6665T до 0,8556T по оси x, от -0,147T до -0,0218T по оси y.
Рисунок 15. Координаты пересечений дифрагированных лучей внутри
образца
Рисунок 16. Область пересечения дифрагированных лучей внутри образца
относительно центру считывающего пучка O
Исходя из этого, можно сделать вывод, что веер с одинаковыми угловыми
расстояниями между лучами, образованный несколькими (более 2)
мультиплексными голограммами, не имеет единого истока лучей, что приводит
к тому, что каждая пара дифрагированных лучей имеет свою точку пересечения.
21
Предложенный расчет положения точки пересечения дифрагированных лучей
меры плоского угла позволяет построить карту лучей веера относительно центра
считывающего луча и, таким образом, осуществлять калибровку угловой меры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие
основные результаты:
- Показано, что при записи в фото-термо-рефрактивном стекле большого
числа
мультиплексных
голограмм
с
одинаковой
дифракционной
эффективностью экспозиция отдельной голограммы определяется следующим
соотношением: J/N, где N – количество голограмм, J – экспозиция в случае
записи одиночной голограммы, которая позволяет достичь максимальной
амплитуды модуляции показателя преломления.
- Создан макетный образец меры плоского угла на основе мультиплексных
брэгговских решеток, записанных в фото-термо-рефрактивном стекле.
Количество брэгговских решеток достигает 21, при этом угол между крайними
лучами веера составляет 50° с угловым расстоянием между соседними лучами
2,5°. Это позволило увеличить число лучей (отсчетов) с возможностью
обеспечения высокой дискретности.
- Показано, что веер с одинаковыми угловыми расстояниями между лучами,
образованный несколькими (более 2) мультиплексными голограммами, не имеет
единого истока лучей, что приводит к тому, что каждая пара дифрагированных
лучей имеет свою точку пересечения.
- Предложен расчет положения точки пересечения дифрагированных лучей
меры плоского угла, который позволяет построить карту истоков лучей веера
относительно центра считывающего луча и, таким образом, осуществлять
калибровку угловой меры.
- Предложена методика расчета и проведен анализ влияния погрешности
записи и считывания мультиплексных брэгговских решеток, записанных в фототермо-рефрактивном стекле, на параметры меры плоского угла.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации из перечня ВАК и в изданиях, включённых в базы
цитирования Scopus и Web of Science
1. Иванов С.А., Доан В., Игнатьев А.И., Никоноров Н.В. Особенности записи
наложенных голограмм в фото-термо-рефрактивном стекле // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2016. Т. 16. - № 3(103). - С. 428-435
2. Ivanov S.A., Angervaks A.E., Doan V., Nikonorov N.V., Okun' R.A.
Holographic prism based on photo-thermo-refractive glass // Proceedings of SPIE 2017, Vol. 10329, pp. 103292Z
3. Ангервакс А.Е., Гороховский К.С., Грановский В.А., Доан В., Иванов С.А.,
Окунь Р.А., Никоноров Н.В., Рыскин А.И. Голографическая призма на фото-
22
термо-рефрактивном стекле: требования и возможности // Оптика и
спектроскопия - 2017. - Т. 123. - № 6. - С. 963-969
Angervaks A.E., Гороховский К.С., Грановский В.А., Doan V.B., Ivanov S.A.,
Okun' R.A., Nikonorov N.V., Ryskin A.I. A Holographic Prism Made from PhotoThermo-Refractive Glass: Requirements and Possibilities // Optics and spectroscopy 2017, Vol. 123, No. 6, pp. 970-976
4. Doan Van Bac, Иванов С.А., Окунь Р.А., Ангервакс А.Е., Никоноров Н.В.
Анализ ошибок записи и считывания голографической призмы на фото-терморефрактивном стекле // Оптика и спектроскопия - 2018. - Т. 124. - № 6. - С. 850855
Doan Van Bac, S.A. Ivanov, R.A. Okun’, A.E. Angervaks, N.V. Nikonorov
Analysis of Errors in Recording and Reading of a Holographic Prism on
Photothermorefractive Glass // Optics and spectroscopy. - 2018. - Vol. 124. - № 6. pp. 895-900
5. A. E. Angervaks, K. S. Gorokhovsky, V. A. Granovskii, Van Bak Doan, S. A.
Ivanov, R. A. Okun, N. V. Nikonorov, A. I. Ryskin. Holographic prism based on photothermo-refractive glass: new facilities for metrological application // Proc. SPIE 10692,
Optical Fabrication, Testing, and Metrology VI, 1069208 (15 June 2018)
Публикации в других изданиях
6. Доан В., Иванов С.А. Расчет комбайнера оптического излучения на фототермо-рефрактивном стекле // Сборник трудов IX Международной конференции
молодых ученых и специалистов «Оптика-2015» - 2015. - С. 231-234
7. Доан В., Иванов С.А. Особенности записи наложенных голограмм в фототермо-рефрактивном стекле // Сборник тезисов докладов V Всероссийского
конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО,
2016
8. Ivanov S.A., Angervaks A.E., Doan V., Nikonorov N.V. Holographic prism
based on photo-thermo-refractive glass // Technical summaries of SPIE Optical
Metrology-2017 Conference, IET - 2017, pp. 25
9. Доан В., Иванов С.А., Никоноров Н.В., Окунь Р.А. Исследование
голографических свойств фото-термо-рефрактивного стекла при записи
наложенных голограмм // Сборник тезисов докладов VI Конгресса молодых
ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, 2017
10. Окунь Р.А., Доан В., Иванов С.А., Никоноров Н.В. Создание
перспективного оптического элемента – голографической призмы на фототермо-рефрактивном стекле // Сборник трудов X Международной конференции
молодых ученых и специалистов «Оптика - 2017», 2017. -C. 344-345
11. Доан Ван Бак. Малогабаритная высокоточная мера плоского угла на основе
мультиплексных голографических объемных брэгговских решеток в фототермо-рефрактивном стекле для аттестации качающих платформ // Сборник
тезисов докладов VII Конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб:
Университет ИТМО, 2018
23
12. Окунь Р.А., Доан В., Иванов С.А., Ангервакс А.Е. Влияние ошибок записи
и считывания голографической призмы на ФТР-стекле на ее характеристики //
Сборник тезисов докладов VII Конгресса молодых ученых. Электронное
издание. – СПб: Университет ИТМО, 2018
Список цитируемой литературы
1. Грановский В.А., Кудрявцев М.Д., Рыскин А.И., Щеулин А.С. Новый
оптический элемент – “Голографическая призма”. I. Принцип действия и
экспериментальная реализация // Оптика и спектроскопия - 2009. - Т. 106. - № 5.
- С. 855-863
2. Ангервакс А.Е.,
Грановский В.А.,
Кудрявцев М.Д.,
Рыскин А.И.,
Щеулин А.С. Новый оптический элемент – “Голографическая призма”. II.
Методика измерений воспроизводимых углов // Оптика и спектроскопия - 2010.
-Т. 108. № 5. С. 871-877
3. Ангервакс А.Е.,
Грановский В.А.,
Кудрявцев М.Д.,
Рыскин А.И.,
Щеулин А.С. Новый оптический элемент – “Голографическая призма”. III.
Экспериментальная реализация голографической призмы модификации II.
Сравнительная характеристика двух модификаций голографической призмы с
точки зрения ее применений // Оптика и спектроскопия 2012. -Т. 112. № 2. С.
343-438;
4. Ангервакс А.Е., Гороховский К.С., Грановский В.А., Doan Van Bac, Иванов
С.А., Окунь Р.А., Никоноров Н.В., Рыскин А.И. Голографическая призма на
фото-термо-рефрактивном стекле: Требования и возможности // Оптика и
спектроскопия - 2017. -Т. 123. № 6. С. 963-969
5. Ivanov S.A., Angervaks A.E., Doan Van Bac, Nikonorov N.V., Okun' R.A.
Holographic prism based on photo-thermo-refractive glass // Proc. SPIE. 2017. V.
10329. P. 103292Z.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа