ДИФРАКЦИОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2023 года по МПК G02B27/42 G02B5/18 G01J3/18 

Изобретение относится к области оптической элементной базы оптико-электронного приборостроения и может быть использовано как основной диспергирующий элемент спектральных приборов со скрещенной дисперсией.

Известен гибридный дифракционный оптический элемент, содержащий подложку, на которую нанесена многослойная система из диэлектрических слоев, со сформированной на них основной штриховой структурой, причем над верхним диэлектрическим слоем расположен слой из диоксида кремния, на поверхности которого воспроизведена основная штриховая структура и сформирована дополнительная штриховая структура, перпендикулярная основной штриховой структуре [US 9417366 В2. МПК G02B5/18, G02B 27/10. Дата публикации - 16.08.2016 г.].

Основным недостатком данного дифракционного оптического элемента является то, что штрихи основной штриховой структуры и дополнительной штриховой структуры взаимно деформируют друг друга, что приводит к ухудшению разрешения, снижению дифракционной эффективности и увеличению светорассеяния. Кроме того, многослойная система из диэлектрических слоев изменяет профиль основной дифракционной решетки, что недопустимо для решеток-эшелле, которые должны быть выполнены с углом «блеска» более 60° и углом между гранями 90° с погрешностью 0,3°, при этом указанные углы должны сохраняться по всей рабочей поверхности, обеспечивая этим широкий спектральный диапазон.

Известна дифракционная решетка со скрещенной дисперсией, полученная лазерным методом, на которой выполнены основная и дополнительная штриховые структуры, ориентированные в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, причем основная штриховая структура представляет собой решетку-эшелле, а дополнительная - классическую решетку типа эшелетт [Compact echelle spectrometer employing a cross-grating, Appl. Opt. Vol. 57, No. 25, 7109-7116 (2018), Realization of a compact cross-grating spectrometer and validating experimental tests, Appl. Opt. Vol. 59, No. 5, 1338-1346 (2020)].

Основным недостатком аналога является то, что дополнительные штрихи решетки сформированы непосредственно на поверхности основных штрихов, что нарушает геометрию структуры основных штрихов и ведет к ухудшению основных спектральных характеристик дифракционного оптического элемента (разрешение, дифракционная эффективность и светорассеяние). Так, например, разрешение решетки на длине волны 800 нм составляет 0,98 нм (при теоретическом разрешении 0,95 нм), а на длине волны 350 нм составляет 0,59 нм, что в 2,19 раза ниже теоретического разрешения решетки, равного 0,27 нм.

Прототипом является диспергирующий элемент спектрографа со скрещенной дисперсией, представляющий собой дифракционный оптический элемент - дифракционную решетку с основной и дополнительной системами профилированных штрихов, ориентированных в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, содержащую подложку с непрозрачным рабочим слоем, в котором выполнена система основных профилированных штрихов, при этом дополнительные штрихи сформированы на поверхности основных штрихов [SU 1744513 А1. МПК G01J3/18. Дата публикации - 30.06.1992 г.].

Основным недостатком прототипа является то, что дополнительные штрихи решетки сформированы непосредственно на поверхности основных штрихов, что нарушает геометрию структуры основных штрихов и ведет к ухудшению основных спектральных характеристик дифракционного оптического элемента.

Прототип имеет следующие спектральные характеристики: дифракционная эффективность на длине волны 350 нм равна 35% и светорассеяние 5×10^-4 относительно интенсивности основной линии. Разрешение решетки-прототипа в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 350 нм составляет 0,48 нм что в 1,78 раза ниже теоретического разрешения решетки.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение основных спектральных характеристик дифракционного оптического элемента за счет исключения нарушения структуры основных штрихов.

Техническая задача решается тем, что в дифракционном оптическом элементе для спектральных приборов со скрещенной дисперсией, содержащем подложку с непрозрачным рабочим слоем, на котором выполнена основная отражательная штриховая структура, и дополнительную штриховую структуру, сформированную перпендикулярно основной отражательной штриховой структуре, согласно настоящему изобретению, дополнительная штриховая структура представляет собой пропускающую дифракционную решетку со штрихами треугольной формы, выполненную на дополнительно введенном прозрачном слое, толщиной 20-70 мкм, расположенном над основной отражательной штриховой структурой.

На фиг. 1 изображен предлагаемый дифракционный оптический элемент для спектральных приборов со скрещенной дисперсией в разрезе плоскостью, перпендикулярной штрихам основной отражательной штриховой структуры.

На фиг. 2 изображен предлагаемый дифракционный оптический элемент со штрихами дополнительной штриховой структуры треугольного профиля в разрезе плоскостью, перпендикулярной штрихам дополнительной штриховой структуры.

Дифракционный оптический элемент содержит подложку 1 с непрозрачным рабочим слоем 2, на котором выполнена основная отражательная штриховая структура 3, представляющая собой штриховую структуру дифракционной решетки-эшелле, и дополнительную штриховую структуру 5, сформированную перпендикулярно основной отражательной штриховой структуре 3 (фиг. 1).

Отличием изобретения является то, что дополнительная штриховая структура 5 представляет собой пропускающую дифракционную решетку со штрихами треугольной формы, которая выполнена на дополнительно введенном прозрачном слое 4 из отвержденной полимерной композиции, например, полиэфирной смолы ТГМ-3, толщиной 20-70 мкм, расположенном над основной отражательной штриховой структурой 3 (фиг. 2).

Пример конкретного выполнения.

Подложка 1 предлагаемой конструкции дифракционного оптического элемента со штрихами дополнительной штриховой структуры треугольного профиля представляет собой плоскую полированную оптическую деталь с размерами 60×50×10 мм, выполненную из оптического кварцевого стекла марки КВ.

На поверхности подложки 1 содержится непрозрачный рабочий слой 2 из алюминия толщиной 5 мкм.

На металлическом слое 2 сформирована основная отражательная штриховая структура 3 (размер рабочей области 55×40 мм), представляющая собой штриховую структуру дифракционной решетки-эшелле с углом между гранями α, равным 90°, углом блеска γ, равным 64°, и пространственной частотой 75 штр/мм.

Над основной отражательной штриховой структурой 3 размещен дополнительный слой 4 толщиной 50 мкм из материала, прозрачного в рабочей области спектра (от 250 до 750 нм), а именно из полиэфирной смолы ТГМ-3, на котором сформирована дополнительная штриховая структура 5 из штрихов треугольного профиля с углом между гранями α, равным 90°, углом блеска γ, равным 25°, и пространственной частотой 600 штр/мм, при этом дополнительная штриховая структура 5 ориентирована перпендикулярно направлению основной отражательной штриховой структуры 3.

Рабочая область данного дифракционного оптического элемента находится в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.

Данный дифракционный оптический элемент имеет следующие спектральные характеристики: дифракционная эффективность на длине волны 350 нм равна 40% и светорассеяние менее 1×10^-4 относительно интенсивности основной линии. Разрешение на длине волны 350 нм составляет 0,4 нм, что в 1,48 раза ниже теоретического разрешения решетки.

Дифракционный оптический элемент для спектральных приборов со скрещенной дисперсией работает следующим образом.

Основная штриховая структура 3, которая представляет собой дифракционную решетку-эшелле с большим углом блеска, работающую в высоких порядках дифракции для получения спектра с высокой дисперсией, отражает и диспергирует падающее на нее излучение. Диспергированное излучение проходит через дополнительную штриховую структуру 5, которая представляет собой пропускающую дифракционную решетку, в результате чего образуются строки дифракционных спектров различных порядков. Дополнительная штриховая структура 5 имеет меньшую дисперсию, но которой должно быть достаточно для того, чтобы отдельные строки дифракционных спектров не налагались друг на друга.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения, благодаря тому, что введен прозрачный слой толщиной 20-70 мкм, расположенный над основной отражательной штриховой структурой, а дополнительная штриховая структура треугольной формы выполнена на прозрачном слое, позволяет получить дифракционный оптический элемент для спектральных приборов со скрещенной дисперсией с двумя штриховыми структурами, ориентированными, также как и в прототипе, в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, но при этом дополнительная штриховая структура, представляющая собой пропускающую в рабочей области спектра (от 250 до 750 нм) дифракционную решетку, не нарушает профиль штрихов основной отражательной штриховой структуры, за счет чего повышаются спектральные характеристики: дифракционная эффективность в высоких порядках спектра на длине волны 350 нм увеличивается приблизительно на 14,3% (с 35% до 40%), светорассеяние изменяется с 5×10^-4 до 1×10^-4 относительно интенсивности основной линии, а разрешение увеличивается на 20%.

Изобретение относится к области оптической элементной базы оптико-электронного приборостроения и может быть использовано как основной диспергирующий элемент спектральных приборов со скрещенной дисперсией. Заявленный дифракционный оптический элемент содержит подложку с непрозрачным рабочим слоем, на котором выполнена основная отражательная штриховая структура, представляющая собой штриховую структуру дифракционной решетки-эшелле, и дополнительную штриховую структуру, сформированную перпендикулярно основной отражательной штриховой структуре. Дополнительная штриховая структура представляет собой пропускающую дифракционную решетку со штрихами треугольной формы, выполненную на дополнительно введенном прозрачном слое толщиной 20-70 мкм, расположенном над основной отражательной штриховой структурой. Технический результат - повышение спектральных характеристик дифракционного оптического элемента спектральных приборов со скрещенной дисперсией, а именно дифракционная эффективность в высоких порядках дифракции на длине волны 350 нм увеличивается приблизительно на 14,3% (с 35% до 40%), светорассеяние изменяется с 5×10^-4 до 1×10^-4 относительно интенсивности основной линии, а разрешение увеличивается на 20%. 2 ил.

Дифракционный оптический элемент для спектральных приборов со скрещенной дисперсией, содержащий подложку с непрозрачным рабочим слоем, на котором выполнена основная отражательная штриховая структура, и дополнительную штриховую структуру, сформированную перпендикулярно основной отражательной штриховой структуре, отличающийся тем, что дополнительная штриховая структура представляет собой пропускающую дифракционную решетку со штрихами треугольной формы, выполненную на дополнительно введенном прозрачном слое толщиной 20-70 мкм, расположенном над основной отражательной штриховой структурой.