Концентратор светового излучения и способ изготовления голограммы для него

Концентратор светового излучения и способ изготовления голограммы для него

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Концентратор светового излучения в виде призмы, содержащий грани входа, отражения и выхода излучения , Отличаю1чийся тем, что, с целью повышения степени концентрации, грань входа излучения имеет светочувствительный слой с объемной голограммой. (Л с± со СП О 00

(19) (10

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(59 0 02 В 5 32 с л

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 2990650/24-06 (22) 21.10. 80 (46) 15.06.84. Бюл. Р 22 (72) В.B.Àôÿí, A.B.Âàðòàíÿí, P.Ã.Ìàðтиросян, С,В,Рябиков, Д.С.Стребков и Э.В.Твертьянович (71) Армянское отделение Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института источников тока (53) 535.8:662.997(088.8) (56) 1. Mills D.R. Пiutronich I. Е.

Ideal prism bolar сoncentrato»s

"Solar,nerp,y", 1978,21 Р 5,423-430.

2. Кольерр и др. Оптическая голография. M., "Мир", 1973, с.";23. (54) КОНЦЕНТРАТОР СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАМNh> ДЛЯ НЕГО ° (57) 1, Концентратор светового излучения в виде призмы, содержащий грани входа, отражения и выхода излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения степени концентрации, грань входа излучения имеет светочувствительный слой с объемной голограммой.

1097563

2. Способ изготовления голограммы для концентратора по п.1 путем записи интерференционной картины на светочувствительном слое от плоскопараллельного опорного и плоскопарал-, лельного предметного пучков лазерного излучения, причем последний вводят через оптический элемент и слой иммерсионной жидкости, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения, оптический элемент устанавливают со стороны светочувствительного слоя и предметный пучок вводят в призму параллельно грани отражения излучения, 3. Способ по п.2, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона изготавливаемого концентратора, со стороны грани отражения через слой иммерсионной жидкости устанавливают второй оптический элемент, предметньгй пучок вводят в светочувствительный

Изобретение относится к гелиотех нике, в частности к концентраторам светового излучения в виде призо-.. н способам изготовления голограМглы для концентраторов.

Известен концентратор светового излучения в виде призмы, содер>кащей грани входа, отражения и выхода излучения j1) .

В данном способе концентрация осуществляется за счет многократных полных внутренних отражений излучения. При этом коэФФициент концентрации определяется величиной угла полного внутреннего отражения, связанного с оптической плотностью материала, из которого изготовлена призма, увеличения коэФФициента концентрации можно добиться нанесением зеркального покрытия на грань отражения.Однако в этом случае коэфФициент концентрации ограничен оптической плотностью материала призмы.

Известен способ изготовления голограммы путем записи интерФеренционной картины на светочувствительном слое от плоскопараллельного опорного и плоскопараллельного предметного пучков лазерного излучения, причем последний вводят через оптический элемент и слой иммерсиоыной жидкосЗО Кроме того, предметный пучок не может концентрироваться, так как ввести его в пластину под углом полного внутреннего отражения без призмы с иммерсионной жидкостью невоз35 можно. Даже с призмой он, диФрагироти )2) .

При этом опорный пучок направляют со стороны светочувствительного слоя, а на противогголояную сторону слой под углом, большим угла полного внутреннего стра>кения, на границе1 светочувствительного слоя и воздуха, а опорный пучок — нормально к грани входа излучения последовательно через каждый оптический элеменE.

4. Способ по п.3, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения степени коннентрапии, предметный пучок вводят в призму, имеюяую в сечении Форму трапеции, под углог к грани отра>кения, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела призгг-г и воздуха, который определяют по гг>орглуле >Яг.2и п. где Ц вЂ” угол полного внутреннего отражения на гранигге раздела призгльг и воздуха, угол между гранями входа и отражения призмы; максимальное число отражений пучка концентрируемого излучения внутри призмьг. пластины наносят слой иммерсионной жидкости, устанавливают на него призму и через нее направляют предметный пучок излучения.

Когда предметный пучок достигает границы светочувствительный слой воздух, происходит полное внутреннее отражение. При интерФеренции опорног0 ro пучка с падающим предметным пучком образуется отражательная голограмма, а при интергг>еренции опорного пучка с отраженным предметным пучком одновременно образуется пропус15 кающая голограмма.

Однако пластина с такими голограммами не может концентрировать излучение, так как при направлении на нее пучка света, идентичного опорному пучку, часть пучка не проходит внутрь пластины, отражаясь на отражательной голограмме, а часть пучка, дифрагировавшая на пропускающей голограмме, претерпевает полное внутреннее отражение на противоположной стороне пластины, становится идентичной предметному пучку и выходит из пластины.

1097563 вав, реконструирует опорный пучок излучения и выходит из пластины, а недифрагировавшая его часть полностью отражается на границе светочувствительный слой — воздух и выходит из пластины через иммерсионный слой и призму.

Цель изобретения — повышение степени концентрации призменного концентратора и расширение области применения способа изготовления голограммы для использования в призменном концентраторе, расширение рабочего диапазона изготавливаемого концентратора и дальнейшее повышение его степени концентрации. 15

Поставленная цель достигается тем, что грань входа излучения имеет светочувствительный слой с объемной голограмглой, оптический элемент устанавливают со стороны светочувствительного слоя, и предметный пучок вводят в призму параллельно грани отражения излучения.

Кроме того, со стороны грани отражения через слой иммерсионной жидкости устанавливают второй оптический элемент, предметный пучок вводят в светочувствительный слой под углогл, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела светочувствительного слоя и воздуха, а опорный пучок — нормально к грани входа излучения последовательно через каждый оптический элеглент, а предметный пучок вводят в призму, имеющую в сечении форму трапеции, под углог g к грани отражения, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела призмы и воздуха, который определяют по формуле 40

II -Q 2«,п, 0 - угол полного внутреннего отражения на границе раздела призмы и воздуха, 45 угол между гранями входа и отражения призмы, максимальное число отражений луча пучка концентрируемого излучения внутри приз-50

Mbl где

На фиг.1 показан концентратор в виде призмы и способ изготовления голограммы для него, при котором обес- 55 печивается высокая степень концентрации излучения в узкой области спектра; на фиг.2 — концентратор в виде призмы, имеющей в сечении форму трапеции, к способ изготовления 60 ,голограммы для него, при котором обеспечивается либо широкий спектр концентрируемого излучения, либо повышение концентрации в более узком спектре. 65

Концентратор светового излучения в виде приэглы 1 (фиг.1} содержит грань 2 входа излучения, грань 3 от. ражения излучения и грань 4 выхода излучения. Грань 2 входа излучения имеет светочувствительный гп и 5 с объемной голограммой.

Способ изготовления голограммгл для концентратора осуяествляется путем записи интерференционной картины на светочувствительном слое 5 (фиг.1) от плоскопараллельного опорного пучка б и плоскопараллельного предметного пучка 7 лазерного излучения, который вводят через оптический элемент 8 и 9 иммерсионной жидкости. Оптический элемент 8 устанавливают со стороны светочувствительного слоя 5, а предметный пучок 7 вводят в призму 1 параллельно грани

3 отражения излучения.

Для расширения области спектра концентрируемого излучения, со стороны грани 3 (фиг.2). отражения через слой 10 иммерсионной жидкости устанавливают второй оптический элемент 11, предметный пучок 12 вводят в светочувствительный слой 5 под углом, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха, а опорный пучок 13 вводят нормально к грани 2 входа излучения последовательно через каждый оптический элемент 8 и 11.

Для дальнейшего повышения степени концентрации в достаточно широкой области спектра (по сравнению с предыдущим вариантом спектр концентрируемого излучения сужается), предметный пучок 14 вводят в призму 15 (фиг.2), имеющую в сечении форму тра. пеции, под углом к грани 3 отражения, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела призмы 15 и воздуха, который определяют по формуле у - Q 2 п.

Способ изготовления голограммы для концентратора и его работы осуществляется следующим образом.

В случае изготовления голограммы для высокой концентрации излучения приэменным в узкой области спектра, предметный пучок 7 (фиг.1)вводят в призму 1 через оптический элемент 8, выполненный в виде прямой призмы, и слой 9 иммерсионной жидкости, нанесенный на .светочувствительный слой

5, в свою очередь, размещенный на грани 2 входа излучения. Призма 1 имеет в сечении вид прямоугольного треугольника, а пучок 7 параллелен грани 3 отражения. Опорный пучок 6 вводится в призму 1 через оптический элемент 8 и слой 9 иммерсионной жидкости>но перпендикулярно грани 2

1097563 нхода излучения и поверхности светочувствительного слоя 5. Объемная голограмма может быть как пропускающего, так и отражательного типа.

Концентрируемое световое излучение, после однократной диАракции на объемной голограмме, без каких-либо переотражений выходит из грани 4 призмы, Поэтому угол между двумя боковыми гранями 2 и 3 призон 1 не зависит от свойств объемной голограммы.

Этим углом определяется угол между опорным пучком 6 и предметным пучком 7 во время образования голограммы и, следовательно, спектраль ная чувствительность объемной голограммы.

При изготовлении голограммы для концентрации излучения призменным концентратором в широкой области спектра, на обе грани 2 и 3 призмы

15 (фиг.2) наносят слои 9 и 10 иммерсионной жидкости и устанавливают оптические элементы 8 и 11, выполненные в виде прямых призм. Предметный пучок 12 направляют через оптический элемент 8 и слой 9 иммерсионной жидкости так, чтобы внутри светочувствительного слоя 5 угол между направлением распространения пучка

12 и нормалью к границе раздела 30 светочувствительного слоя 5 и слоя 9 иммерсионной жидкости был больше угла полного внутреннего отражения на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха. При образона- 35 нии пропускающей объемной голограммы опорный пучок 13 направляют через оптический элемент 8 и слой 9 иммерсионной жидкости предпочтительно перпендикулярно поверхности слоя 5 4р и грани 2 входа излучения. При обраэовании отражательной объемной голограммы опорный пучок 13 направляют через оптический элемент 11 и слой

10 иммерсионной жидкости перпендикулярно грани 2 входа излучения. По сравнению с пропускающей объемной голограммой, отражательная объемная голограмма обладает более высокой селективностью к длине волны и меньшей селективностью к углу падения восстанавливающего пучка.

Ввод предметного пучка 12 в ризму 15 под углом полного внутреннего отражения осуществляется за счет тоrO,÷òî на обе поверхности ее боковых 55 граней 2 и 3 наносят слои 9 и 10 иммерсионной жидкости и устанавливают вспомогательные призмы (оптические элементы 8 и 11) . Опорный пучок

13 и предметный пучок 12 образуют 60 при этом только пропускающую объемную голограмму, когда интерферирующие волны падают с одной стороны светочувствительного слоя 5, и отражательную — с противоположных 65 сторон. Объемная голограмма представляет собой объемную дифракционную решетку, содержащую периодически расположенные рассеивающие плоскости, которые делят пополам угол между направлениями распространения опорного и предметного пучка в снеточун— стнительной среде. При этом угол между напрайлением распространения пучка и рассеивающей плоскостью является углом Брэгга. Если опорный пучок падает на такую голограмму под углом Брэгга, то он дийрагирует на рассеивающих плоскостях в направлении предметного пучка, так как именно в этом направлении происходит синфазное сложение рассеиваемых плоскостя tH световых волн и интенсивность дифрагированной волны имеет максимальную величину. Аналогично предметный пучок, падаю ий на голограмму под углом Брэгга, восстанавливает опорный пучок. При отклонении угла падения пучка от угла Брэгга интенсивность диАрагиронанной волны падает, Так, например, для угла Брэгга около 20 внутри желатиноного светочувствительного слоя толщиной 15 мкм, при угловом отклонении менее 2, дифракционная эФо фективность объемной пропускающей голограммы падает до нуля. В частности, предельное угловое отклонение в радианах) для объемной пропускающей голограммы приблизительно определяется как отношение расстояния между интерйеренционными рассеивающими плоскостями к толщине светочувствительного слоя.

При освещении концентратора с такой голограчмой пучком, идентичным опорному пучку 13, в светочувствительном слое 5 распространяется под углом полного внутреннего отражения восстановленный предметный пучок 12.

Тем самым достигается ввод луча из оптически менее плотной среды воздуха) в оптически более плотную среду светочувствительный слой 5 и материал призмы 15), под углом полного внутреннего отражения без использования вспомогательной призмы и иммерсионной жидкости. Вошедший в призму 15 луч отражается от противоположной боковой грани 3 призмы

15 и попадает на-объемную голограмму, зарегистрированную в светочувствительном слое 5. При этом необходимо, чтобы этот луч, после отражения на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха, падал на рассеивающие плоскости объемной дифракционной решетки с угловь|м отклонением от угла Брэгга, не меньшим углового отклонения, при котором дифракционная эффективность объемной голограммы равна нулю. В этом

1097563 случае не восстанавливается выходящая из призмы 15 опорная волна и происходит полное внутреннее отражение луча на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха.

С этой целью угол между боковыми концентрирующими гранями 2 и 3 призмы 15 устанавливают не менее половины углового отклонения от угла

Брэгге, при котором дифракционная эффективность объемной голограммы ранна нулю..После многократных переотражений световой поток, вошедший в призму 15 с объемной голограммой, концентрируется на ее грани 4 выхода излучения. 15

Если призма 15 (фиг.2) имеет в сечении Форму трапеции, то концентрировать излученИе можно на более узкой грани призмы 15, параллельной грани 4. 20

Цля этого предметный пучок 14 вводят в призму 15 под углом к грани 3, превышающим угол полного внутреннего отражения на угол, равный произведению числа актов отражения луча внутри призмы 15 на двойной угол, составленный гранями 2 и 3 °

При этом световое излучение, идентичное по направлению предметному пучку 14, войдя в призму 15,.после 30 многократных переотражений выходит из узкой грани призмы 15, параллельной грани 4.

При этом увеличивается степень концентрации, но сужается область 35 спектра концентрируемого излучения.

Снабжение концентратора в виде призмы 1 или 15 светочувствительным слоем 5 с объемной голограммой позволяет уменьшить угол между гранью 40

2 входа и гранью 3 отражения излучения призмы 1 или 15 до величины порядка половины предельного углового отклонения от угла Брэгга, что в свою очередь, повышает степень концентрации светового излучения.

Способ изготовления гоЛограммы для концентратора в виде призмы 15, при котором опорный пучок 13 или

14 и предметный пучок 12 вводят в различных сочетаниях относительно стороны светочувствительного слоя 5, позволяет записать два типа объемной голограммы, а именно. пропускающую и отражательную, что, совместно с призмой 15, обеспечивает концентрацию излучения в широкой области спектра и, следовательно, расширяет рабочий диапазон изготавливаемого концентратора. Введение опорного пучка 6 и предметного пучка 7 со стороны светочувствительного слоя

5, при котором предметный пучок 7 параллелен грани 3 отражения излучения призмой 1, позволяет изготовить узкополосный э4>фективный концентратор и использовать для этого способ изготовления голограммы, что, в свою очередь, расширяет область применения способа.

Предлагаемый концентратор и способ изготовления голограммы для него дает возможность создавать концентраторы светового излучения в широком диапазоне спектральной селективности. от узкополосных йильтоов-концентраторов, концентрирующих область спектра шириной в несколько нанометров, до концентраторов, практически не обладающих спектральной селективностью. Предлагаемые концентраторы могут найти широкое применение в устройствах для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую.

ВНИИПИ Заказ 4131/18

Тираж 497 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä,ул. Проектная, 4