Голограммный оптический элемент

Голограммный оптический элемент

Реферат

 

ГОЛОГРАММНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соединенные встречно рабочими поверхностями фазовые голограммы с противофазными структурами, выполненными в материалах с разными показателями преломления n₁ и n₂, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочей области спектра, голограммы выполнены из материалов с коэффициентами преломления, удовлетворяющими соотношению n,()-n₂()=a+b, где - рабочая длина волны света; a и b - постоянные.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к голограммной оптике, и может быть использовано при создании оптических устройств различного назначения, в которых голограммные оптические элементы (ГОЭ) выполняют функции фокусирующих, корригирующих, диспергирующих или образцовых оптических элементов. Целью изобретения является расширение рабочей области спектра ГОЭ. На фиг. 1 представлена схема, поясняющая принцип построения предложенного ГОЭ; на фиг. 2 схема, поясняющая принцип построения предложенного ГОЭ, когда обе голограммы (ступенчатые, синтезированные) выполнены из твердотельных материалов; на фиг. 3 схема, поясняющая принцип построения предложенного ГОЭ, когда одна голограмма выполнена из твердотельного материала, а другая в слое жидкого (затвердевшего) вещества; на фиг. 4, 5 представлены кривые зависимости дифракционной эффективности от длины волны света для известного и предложенного ГОЭ. На фиг. 1 показаны рельефно-фазовая голограмма 1 на материале с показателем преломления n, рельефно-фазовая голограмма 2 на материале с показателем преломления n₂, выполненная в противофазе (негатив) по отношению к голограмме 1, h высота рельефа. На фиг. 2 и 3 показаны прозрачный склеивающий материал 3 с показателем преломления n₃, световые лучи 4, 5, проходящие через ГОЭ на расстоянии половины периода рельефной структуры голограммы, прозрачная пластина 6 с показателем преломления n₄, близким к n. Предложенный ГОЭ работает следующим образом. Свет, падающий на ГОЭ, дифрагирует вследствие модуляции фазы проходящей волны на его рельефно-фазовой структуре. Дифракционная эффективность ( ) рельефно-фазовых ГОЭ определяется глубиной фазовой модуляции проходящей световой волны. Вследствие зависимости показателя преломления оптических материалов от длины волны (дисперсия) глубина модуляции также изменяется, что приводит к соответствующему изменению дифракционной эффективности ( ). При этом = _о, при которой ( ) достигает максимума, с отклонением от _o. Дифракционная эффективность ГОЭ уменьшается. Выражение для разности фаз между лучами 4, 5 (фиг. 2), проходящими на расстоянии половины периода рельефной структуры голограммы, имеет вид h[n₂()-n,()] (1) Максимальное значение ()= _макс( ) достигается при _опт, величина которого определяется законом изменения формы рельефа. Так, например, в случае синусоидальной формы рельефа 1,85 радиан, при этом эффективность в первом порядке дифракции достигает максимального значения, равного 33,9% Для ступенчатой (двухуровневой) формы рельефа 1,57 радиан, _макс 40,5% Из соотношения (1) видно: чтобы расширить рабочую область спектра ГОЭ, необходимо ослабить (в идеале исключить) зависимость от Это обеспечено путем использования оптических материалов, для которых n n₂ ( ) n₁ ( ) изменяется, по меньшей мере, в первом приближении, пропорционально длине волны: n₂ ( ) n₁ ( ) a + b, (2) где а и b параметры, определяемые оптическими свойствами выбранных материалов, причем в рабочей области спектра должно быть больше b. Высота рельефа h голограммы выбирается из соотношения (1) для ( ) _опт (), где длина волны, при которой достигается максимальная дифракционная эффективность. В случае, когда одна из голограмм получена на основе твердотельного материала, вторая голограмма может быть выполнена путем заполнения рельефной структуры первой голограммы жидким прозрачным материалом, например полиэфирной смолой холодного отверждения. При этом если использован незатвердевающий материал, он закрывается прозрачной пластиной 6 (см. фиг. 3). Если обе голограммы, образующие ГОЭ, выполнены из твердотельных оптических материалов, они могут быть соединены с помощью прозрачного склеивающего вещества. При этом для уменьшения уровня фона и снижения потерь целесообразно обеспечить выполнение условия n₁ < n₃ < n₂, где n₃ показатель преломления склеивающего вещества (см. фиг. 2). Чтобы реализовать предложенное изобретение, необходимо обеспечить формирование расчетных рельефно-фазовых структур голограмм в различных оптических материалах с широким диапазоном значений показателя преломления в дисперсии. Поэтому предложенный ГОЭ выполняется преимущественно на основе использования ступенчатых синтезированных голограмм (киноформов), рельефно-фазовые структуры которых могут быть отображены практически в любых оптических материалах. Дифракционная эффективность в m-м порядке дифракции ступенчатой синтезированной голограммы определяется выражением: _m= , (3) где m порядок дифракции; N число уровней; ( ) разность фаз между соседними ступеньками рельефной структуры голограммы. В случае двухуровневой (бинарной) фазовой голограммы для дифракционной эффективности в 1 порядке выражение (3) можно преобразовать к виду: () 0,405 sin Для изготовления ГОЭ по предложенному изобретению было подобрано несколько пар оптических материалов, прозрачных в видимой и ИК областях спектра. С использованием формул (3) и (4) получены графики функции ( ) в различных областях спектра. Значения показателей преломления оптических материалов взяты из технической литературы. П р и м е р 1. На фиг. 4 приведена нормированная зависимость Н( ) ( )/h( _o) предложенного ГОЭ, выполненного из пары оптических стекол ТФ8 и СТК 19 (кривая 1) глубина рельефа h 5,6 мкм, _о 0,6328 мкм. На этой же фиг. 4 приведена зависимость для известного ГОЭ (кривая 2), выполненного из стекла СТК 19, h 0,43 мкм, _о 0,6328 мкм. Как видно из кривой 1 фиг. 4, дифракционная эффективность предложенного ГОЭ снижается менее, чем на 5% от своего максимального значения во всем видимом диапазоне спектра от 0,35 мкм до 0,77 мкм, в то время, как для известного ГОЭ это имеет место в значительно более узком интервале длин волн (от = 0,57 мкм до 0,74 мкм). П р и м е р 2. На фиг. 5 приведена зависимость _н( ) предложенного ГОЭ (кривая 1), выполненного из пары оптических кристаллов фтористого лития (LiF) и фтористого бария (BaF₂), предназначенного для использования в ИК-области спектра. Глубина рельефа h 18,6 мкм, 4 мкм. На этой же фигуре приведена зависимость _н( ) для известного ГОЭ (кривая 2), выполненного из кристалла BaF₂. Глубина рельефа h 4,4 мкм, _о 4 мкм. Из фиг. 5 видно, что рабочая область спектра предложенного ГОЭ достигает 7 мкм (от 3,1 мкм до 10 мкм), тогда как для известного ГОЭ она не превышает 1 мкм (от = 3,5 до 4,5 мкм). Таким образом, предложенный ГОЭ, выполненный в виде двух соединенных встречно-рельефно-фазовых голограмм с противофазными структурами, изготовленных из материалов с увеличивающейся в рабочей области спектра с ростом длины волны разностью их показателей преломления, обладает значительно большей рабочей областью спектра, чем известные ГОЭ.

Формула изобретения

ГОЛОГРАММНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соединенные встречно рабочими поверхностями фазовые голограммы с противофазными структурами, выполненными в материалах с разными показателями преломления n₁ и n₂, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочей области спектра, голограммы выполнены из материалов с коэффициентами преломления, удовлетворяющими соотношению n,()-n₂()=a+b, где рабочая длина волны света; a и b постоянные.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000