Методики расчета оптических схем спектральных приборов на основе пропускающих вогнутых голограммных дифракционных решеток с коррекцией аберраций

• Автор: Муслимов, Эдуард Ринатович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 165 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
ГЛАВА 1
Пропускающая вогнутая голограммная дифракционная решетка, теория и методики расчета оптических схем
1.1. Теория пропускающей вогнутой голограммной
дифракционной решетки
1.2. Методика расчета оптической схемы спектрографа с
плоским полем
1.3. Методика расчета оптической схемы монолитного
спектрографа
1.4. Методика расчета оптической схемы двухканального
спектрографа
1.5. Методика расчета оптической схемы встроенного
спектрографа
1.6. Методика расчета оптической схемы спектрографа с
гризмой в сходящемся пучке лучей
1.7. Методика расчета усовершенствованной схемы записи
голограммной решетки третьего поколения
1.8. Программная реализация методик расчета оптических

Выводы по главе
ГЛАВА
Оптические схемы спектральных приборов с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками
2.1. Схема спектрографа с плоским полем
2.2. Схема монолитного спектрографа
2.3. Схема двухканального спектрографа
2.4. Схема встроенного спектрографа
2.5. Схема спектрографа с гризмой в сходящемся пучке лучей
2.6. Усовершенствованная схема записи голограммной
решетки третьего поколения
2.7. Сравнение разработанных оптических схем спектральных
приборов с прототипами
Выводы по главе
ГЛАВА 3
Исследование дифракционной эффективности пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки
3.1. Оценка и оптимизация
дифракционной эффективности
3.2. расчет и моделирование дифракционной эффективности

3.3. Программная реализация методики расчета
пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки с повышенной дифракционной эффективностью
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4
Спектральные приборы с пропускающими вогнутыми голограммньми дифракционными решетками
4.1. Макет спектрографа с плоским полем
4.2. Опытный образец двухканального спектрографа
Выводы по главе 4
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Анализ существующих спектральных приборов и опубликованных научных работ, посвященных их разработке и применению, показывает, что требования к их функциональным и эксплуатационным характеристикам неуклонно возрастают. Эти характеристики определяются, в основном, оптической схемой прибора и не могут быть обеспечены при использовании известных схемных решений. Следовательно, возникает необходимость в разработке новых оптических схем.
Абсолютное большинство современных спектральных приборов базируется на отражательных дифракционных решетках. При этом наиболее совершенным оптическим элементом, используемым в современных спектральных приборах, следует считать отражательную вогнутую голограммную дифракционную решетку (ВГДР). Такая решетка имеет диспергирующие и фокусирующие свойства, может быть единственным элементом в оптической схеме прибора, обладает широкими возможностями коррекции аберраций и рядом функциональных и технологических преимуществ. Расчет и реализация оптических схем на основе ВГДР отражены, например, в работах таких авторов, как Т. Namioka, М. Seya, М. Hutley, С. Palmer, Е. Loewen, И.В. Пейсахсон, Н.К. Павлычева, Ю.В. Бажанов, Е.А. Соколова, А.И. Любимов и др.
Большая часть перечисленных преимуществ сохраняется и в том случае, если решетка работает на пропускание. Более того, использование пропускающей вогнутой голограммной дифракционной решетки (ПВГДР) открывает новые возможности проектирования оптических схем, недоступные в схемах с отражательными решетками, в частности, позволяет реализовать схему прямого видения, сократить габариты спектрального прибора, ввести дополнительную коррекцию аберраций и, в ряде случаев, повысить дифракционную эффективность. Указанные преимущества могут быть использованы при создании приборов для решения широкого круга задач спектрального анализа (в научных исследованиях, производстве, сельском хозяйстве, здравоохранении и т.п.)
Однако до настоящего времени использование пропускающих голограммных решеток ограничивалось оптическими системами для решения узкоспециальных задач. Не были развиты теория формирования изображения пропускающей вогнутой голограммной решеткой и методики расчета оптических схем на ее основе.
Объектом исследования являются спектральные приборы с пропускающими вогнутыми голограммными дифракционными решетками.
Предмет исследования - оптические схемы спектральных приборов на базе

Из первых двух уравнений определяются значения коэффициента Нц и удаления середины спектра с1ср. Далее из третьего и четвертого уравнений определяются значения На и Нц, а по ним находятся координаты записи отражательной решетки. На этом расчет схемы первого канала завершается. Здесь следует отметить, что в отличие от общей методики расчета схемы с плоским полем на базе отражательной голограммной решетки, в данном случае необходимо вводить ограничения на угол падения излучения на решетку. Это обусловлено быстрым ростом аберраций (в первую очередь, астигматизма) в нулевом порядке дифракции решетки с ростом угла падения. Они снижают качество изображения во втором канале и не всегда могут быть скомпенсированы. Значение предельно допустимого угла падения проще всего определить численно при расчете конкретной схемы.
Расчет схемы второго канала начинается с определения радиуса и положения ПВГДР. В первую очередь подложка ПВГДР не должна экранировать рабочие пучки лучей. Проконтролировать выполнение этого условия можно, рассчитав ход лучей через отражательную решетку, которая в нулевом порядке дифракции эквивалентна вогнутому сферическому зеркалу. Далее, поскольку ПВГДР не обладает выраженными фокусирующими свойствами, радиус ее кривизны можно варьировать относительно свободно. Практически удобнее выбрать радиус таким образом, чтобы мнимая входная щель располагалась вблизи центра кривизны решетки. Подложку решетки удобно выполнять в виде концентрического или ахроматического мениска. В этом случае изображение входной щели смещается незначительно и практически не искажается.
В отличие от исходной методики при расчете двухканального спектрографа необходимо учитывать влияние первого канала. Как известно, если аберрации решетки малы, то они могут быть выражены через частные производные от характеристической функции. Меридиональные и сагиттальные составляющие аберраций равны [1]:
* , дУ
5/ =----------;
“5ф * (1-34)

&' = «Г

При небольших углах падения и небольшой апертуре наиболее значимыми аберрациями отражательной решетки в нулевом порядке дифракции являются астигматизм и меридиональную кому. Согласно (1.34) для отражательной решетки они равны: