УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 1998 года по МПК G03H1/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к голографической оптике, и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных оптических элементов с голографической структурой (ГС) на их поверхности. Голографическая структура используется, в частности, для оперативного контроля формы поверхности главного зеркала адаптивных телескопов.

Известные технические решения не позволяют регистрировать ГС с высокой точностью.

Известна установка (K.Snow, R.Vanderwarker, Applied Optics, 1970, v. 9, N 4, p. 822) для регистрации ГС, включающая когерентный источник излучения, коллиматор, светоделитель, оптические системы формирования интерферирующих волновых фронтов.

Недостаток этой установки высокий процент брака получаемых ГС из-за высокой чувствительности установки к внешним механическим и температурным воздействиям. Это связано с тем, что регистрация ГС с помощью данной установки сопряжена с освещением всей площади оптического элемента. При записи ГС на крупногабаритных элементах это требует длительных экспозиций из-за ограниченной мощности непрерывных лазеров. Применение импульсных лазеров в установке нецелесообразно, т.к. их использование влечет за собой усложнение оптической схемы и требует применения трудоемких операций по ее юстировке.

В качестве прототипа выбрана установка для регистрации ГС (D.M.Shemwell, D. C. Jordan, P. B. Mumola, Proc. SPIE, 1983, v. 383, p. 57) с последовательной записью фрагментов ГС. Эта установка включает лазер, последовательно установленные по ходу излучения коллиматор и оптические системы формирования интерферирующих волновых фронтов. Голографическая структура на поверхности оптического элемента формируется путем последовательной записи ее фрагментов с помощью сравнительно узких световых пучков, что позволяет уменьшить время экспонирования и снизить тем самым влияние внешних механических и температурных воздействий на качество записи ГС. Однако в ходе последовательной записи фрагментов ГС при перемещениях оптических систем формирования интерферирующих волновых фронтов возникают неизбежные погрешности их взаимной юстировки. Эти погрешности приводят к невысокой точности записи ГС: ее фрагменты обладают разными центрами кривизны и являются элементами разных зонных структур.

Авторами создана установка для регистрации голографической структуры на крупногабаритных оптических элементах, позволяющая регистрировать ГС с высокой точностью. Это достигнуто за счет исключения ошибок, связанных со взаимной юстировкой оптических систем формирования интерферирующих волновых фронтов при последовательной записи фрагментов ГС.

Это достигается тем, что в установке для регистрации ГС, преимущественно на поверхностях крупногабаритных оптических элементов, состоящей из источника когерентного излучения, последовательно установленных по ходу излучения коллиматора и узла формирования интерферирующих волновых фронтов, узел формирования интерферирующих волновых фронтов выполнен из последовательно размещенных по ходу излучения плоского зеркала, голографической бифокальной линзы, второго плоского зеркала, при этом первое зеркало установлено с возможностью перемещения вдоль оптической оси коллиматора, голографическая бифокальная линза записана с плоским опорным пучком и имеет мнимый и действительный фокус, второе зеркало установлено по ходу излучения, проходящего через действительный фокус билинзы, а мнимое f_м и действительное f_д фокусные расстояния билинзы равны соответственно: где R_м и R_д расстояния до плоскости регистрации голографической структуры от мнимого и действительного фокусов билинзы соответственно.

Абсолютные значения R_м и R_д рассчитываются с учетом оптической системы, в которой будет использоваться ГС, и схемы восстановления ГС (С.Н. Корешев. Оптика и спектроскопия, 1994, т. 76, N 1, 109-115; В.В. Анищенко, С.Н. Корешев, В. А. Парфенов и др. Оптика атмосферы и океана, 1993, т. 6, N 12, 38-46).

Суть изобретения заключается в использовании в установке для регистрации ГС в узле формирования интерферирующих волновых фронтов голографической бифокальной линзы, обеспечивающей одновременное синфазное формирование интерферирующих пучков при освещении ее плоским сканирующим пучком.

Под голографической бифокальной линзой авторы понимают голографический оптический элемент, формирующий при его освещении два точечных источника излучения.

Одним из вариантов изготовления голографической билинзы может быть последовательная запись на одном регистрирующем слое двух сферических волновых фронтов (Nakahara Sumio, Fujita Takeyoshi, Sugihara Kiyoshi, Technol. Repts. Kansai Univ. 1977, N 18, 1-7).

Принципиальная схема предлагаемой установки приведена на чертеже. Установка состоит из источника 1 когерентного излучения, коллиматора 2, первого зеркала 3, голографической бифокальной линзы 4, второго зеркала 5, держателя 6 с изделием 7, f_м, f_д соответственно мнимое и действительное фокусные расстояния билинзы, R_м, R_д - соответственно расстояние от мнимого и действительного фокусов билинзы до плоскости регистрации голографической структуры, O₁, O₂, - соответственно мнимый и действительный фокусы билинзы.

Принцип работы установки поясняется примером регистрации ГС на изделии, представляющем собой составное зеркало из одного центрального и нескольких периферийных элементов.

Установка работает следующим образом. Коллиматор 2 формирует плоский волновой фронт от когерентного источника 1. Диаметр плоского волнового фронта выбирают исходя из мощности когерентного источника 1 и требуемой для регистрации ГС плотности мощности излучения. Первое зеркало 3 отражает световой пучок от коллиматора 2 в направлении голографической билинзы 4. Благодаря наличию двух фокусов: мнимого и действительного голографическая билинза 4 формирует одновременно два сферических волновых фронта с разными направлениями распространения. Зеркало 5, размещенное по ходу излучения через действительный фокус билинзы, обеспечивает их совмещение в плоскости изделия 7. Для записи фрагментов ГС плоское зеркало последовательно перемещают в положения, при которых интерферирующие световые пучки попадают на заданные участки изделия. Равенство размеров интерферирующих пучков и их полное перекрытие в процессе последовательного перемещения зеркала 3 обеспечивается автоматически тем, что фокусные расстояния билинзы выбраны равными: т.к. выборочное восстановление фрагментов голографической билинзы 4 плоским пучком не приводит к изменению координат мнимого O₁ и действительного O₂ фокусов билинзы (голографическая билинза записана с плоским опорным пучком), то все фрагменты ГС имеют один и тот же центр кривизны, чего не удавалось достичь в установке-прототипе. Благодаря тому что голографическая билинза записана с плоским опорным пучком, восстановление ее фрагментов сканирующим плоским пучком происходит без дополнительного изменения разности фаз между волнами, формирующими мнимое и действительное изображение точечного источника. В результате этого в отличие от прототипа записываемые фрагменты ГС являются элементами единой зонной структуры.

При этом также уменьшено влияние вибраций на качество записи ГС благодаря тому, что: формирование интерферирующих пучков происходит с помощью одного и того же оптического элемента голографической билинзы 4; использование одного элемента голографической билинзы, для одновременного формирования интерферирующих волновых фронтов позволяет уменьшить размеры установки на величину примерно равную расстоянию от билинзы до ее мнимого фокуса.

Запись фрагментов ГС на изделии осуществляют поочередно на каждый элемент составного зеркала. В держатель 6 устанавливают центральный элемент, используемый как базовый, и поочередно по одному периферийному. Держатель устанавливают на требуемом расстоянии от билинзы с помощью известных юстировочных приемов, например с помощью интерферометрического датчика расстояния, используя поверхность билинзы как базовую. Перед записью производят взаимное фазирование устанавливаемого периферийного элемента с центральным. Фазирование осуществляется известными методами, например с помощью интерферометров белого света (R.F.Horton, Optical engineering, 1988, v. 27, N 12, p. 1063-1066; Патент США 5113064).

Пример конкретного выполнения.

В качестве источника когерентного излучения 1 использовался мощный одночастотный аргоновый лазер ЛГН-512 (λ 514 мм). Голографическая билинза была выполнена в виде двухэкспозиционной фазовой голограммы. При первом экспонировании регистрировался расходящийся волновой фронт, при втором - сходящийся. Мнимое фокусное расстояние было равно 4 м, действительное 2 м. Расстояния R_м и R_д рассчитывались согласно работе (Корешев С.Н. Оптика и спектроскопия, 1994, т. 76, N 1, 109-115). В качестве регистрирующей среды использовалась бихромированная желатина. Диаметр первого зеркала был равен 7,5 см, диаметр второго 2 см. Составное зеркало состояло из 7 одинаковых шестиугольных элементов. Размер диагонали элемента был равен 60 см. Размеры голографической билинзы составляли 25х30 см². Диаметр коллимированного пучка, используемого при сканирующем восстановлении голографической билинзы, составлял 5 см, диаметр отдельных фрагментов ГС при этом был равен 15 см. Длительность экспонирования слоев бихромированной желатины при регистрации фрагментов ГС не превышала 10 с.

Расфазировка фрагментов ГС составила l/4 при восстановлении ГС излучением с λ 1,06 мкм, тогда как в прототипе она составляла более десятков l
В настоящее время для заказчика изготавливается зеркало диаметром 1 м с голографической структурой для оперативного контроля его деформаций в адаптивной оптической системе.

Использование: изготовление крупногабаритных оптических элементов с голографической структурой на их поверхности. Сущность: установка для записи голографической структуры включает источник когерентного излучения, последовательно установленные по ходу излучения коллиматор и узел формирования интерферирующих волновых фронтов. Узел формирования интерферирующих волновых фронтов выполнен из последовательно размещенных по ходу излучения плоского зеркала, голографической бифокальной линзы, второго плоского зеркала. Первое зеркало установлено с возможностью перемещения вдоль оптической оси коллиматора, голографическая бифокальная линза записана с плоским опорным пучком и имеет мнимый и действительный фокусы, второе зеркало установлено по ходу излучения, проходящего через действительный фокус билинзы. 1 ил.

Установка для записи голографической структуры, преимущественно, на поверхности крупногабаритных оптических элементов, включающая источник когерентного излучения, последовательно установленные по ходу излучения коллиматор и узел формирования интерферирующих волновых фронтов, отличающаяся тем, что узел формирования интерферирующих волновых фронтов выполнен из последовательно размещенных по ходу излучения плоского зеркала, голографической бифокальной линзы, второго плоского зеркала, при этом первое зеркало установлено с возможностью перемещения вдоль оптической оси коллиматора, голографическая бифокальная линза записана с плоским опорным пучком и имеет мнимый и действительный фокусы, второе зеркало установлено по ходу излучения, проходящего через действительный фокус билинзы, а мнимое f_м и действительное f_д фокусные расстояния голографической бифокальной линзы равны соответственно


где R_м и R_д расстояния до плоскости регистрации голографической структуры от мнимого и действительного фокусов голографической бифокальной линзы.