Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Методика расчета и технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток, записанных негомоцентрическими пучками

Диссертация: Методика расчета и технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток, записанных негомоцентрическими пучками
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Существенным. недостаткомклассических вогнутых: дифракционных решеток является? наличие значительных аберраций: астигматизма, дефокусировки, меридиональной и сагиттальной комы. Запись, ВГДР при помощи* сферических волновых фронтов (запись точечными" источниками) позволяет исправить, дефокусировку, астигматизми меридиональную кому. Однако длясветосильных приборов и приборов с высокой… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Спектральные приборы
    • 1. 1. Спектральные приборы и их классификация
    • 1. 2. Современные спектральные приборы
      • 1. 2. 1. Уникальные приборы и перспективные разработки
      • 1. 2. 2. Серийные приборы
    • 1. 3. Дифракционные решетки
      • 1. 3. 1. Классификация дифракционных решеток
      • 1. 3. 2. Технология производства дифракционных решеток
  • Выводы
  • Глава 2. Спектрограф с вогнутой голограммной дифракционной решеткой 2-го поколения
    • 2. 1. Методика расчета параметров голографирования и аберрационных характеристик ВГДР 2-го поколения
    • 2. 2. Программное обеспечение для автоматизации расчетов
    • 2. 3. Расчет оптической схемы спектрографа, схем записи и аберрационных характеристик ВГДР
  • Выводы
  • Глава 3. Технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток 2-го поколения
    • 3. 1. Описание голографической установки
    • 3. 2. Программа расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения
    • 3. 3. Методика юстировки схемы для записи ВГДР 2-го поколения
    • 3. 4. Особенности экспонирования и обработки ВГДР
  • 2-го поколения
    • 3. 5. Измерительный стенд для контроля оптических характеристик дифракционных решеток
  • Выводы

Методика расчета и технология изготовления вогнутых голограммных дифракционных решеток, записанных негомоцентрическими пучками (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В настоящее время методы спектрального анализа широко применяются в различных областях науки и промышленности. Среди них металлургиягеология, химия, биология, медицина, криминалистика, фармацевтика, пищевая промышленность, мониторинг окружающей среды. До недавнего времени для решения широкого круга спектроскопических задач успешно применялись различные типы спектрографов, спектрометров и монохроматоров.

Развитие электроники привело к созданию мощной, компактной вычислительной техники — персональных, карманных компьютеров1, и ноутбуков. В то же время развитие технологии производства фотоприемных устройств привело к созданию миниатюрных многоканальных фотоприемников — фотодиодных линеек и матриц. Два этих фактора создали предпосылки для возникновения нового класса спектральных приборов — автоматизированных спектроанализаторов. Спектроанализатор это тип спектральных приборов, имеющий в своей основе оптическую систему спектрографа и регистрирующую часть на основе многоканального фотоприемника, сопряженного с компьютером. На сегодняшний день спектроанализаторы с многоканальными фотоприемниками фактически полностью вытеснили спектральные приборы с фотографической регистрацией и спектрометры.

Одной из важнейших частей любого спектрального прибора, определяющих его разрешение, рабочий спектральный диапазон, отношение сигнал/шум и другие технические характеристики, является диспергирующий элемент. Развитие технологий производства дифракционных решеток, и в частности голографии, практически вывело из употребления призменные приборы.

Анализ рынка современных спектральных приборов показывает, что жесткая конкуренция среди зарубежных производителей заставляет их постепенно отказываться от применения классических дифракционных решеток и активноразрабатывать спектрометры, на основе вогнутых голограммных дифракционных решеток (ВГДР) с коррекцией аберраций. Российские производители значительно отстают в освоении этого направления.

Существенным. недостаткомклассических вогнутых: дифракционных решеток является? наличие значительных аберраций: астигматизма, дефокусировки, меридиональной и сагиттальной комы. Запись, ВГДР при помощи* сферических волновых фронтов (запись точечными" источниками) позволяет исправить, дефокусировку, астигматизми меридиональную кому. Однако длясветосильных приборов и приборов с высокой дисперсиейкачество • изображениям входной? щели при использовании записиточечными источниками? оказывается' недостаточно, т.к. начинает сказываться, влияние сагиттальной комы. При использовании многоканальных фотоприемников серьезной проблемой может стать наличие астигматизма, значительно снижающего реальную светосилу прибора. Однимиз* наиболее эффективных средств повышения качества изображения-, даваемого ВГДР в плоскости регистрации, является коррекция аберраций, на стадии записи? дифракционной решетки за счет намеренного искажения волновых фронтов лазерных пучков. Высокую степень коррекции аберраций обеспечивает запись ВГДР негомоцентрическими пучками, полученными, например, с помощью вогнутых зеркал (ВГДР 2-го поколения).

С учетом вышеизложенного, задача по разработке методов расчета схем записи ВГДР 2-го поколения и технологии их изготовления является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является совершенствование: методов расчета, изготовленияи контроля ВГДР 2-го поколения т разработка на их основе оптической системы спектрального прибора с улучшенными оптическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи:

Г. Провести" анализ литературных данных, для выявления наиболее: перспективныхметодов расчета и изготовления В ГДР с оптимизированными аберрационными характеристиками;

2. Разработать программное обеспечение, отвечающее. современным требованиям, для автоматизации расчетов схем записи ВГДР-. оптических схем приборов на их основе и анализа их аберрационных характеристик. Провести расчет оптической схемы спектрографа и параметров-голографирования для записи ВГДР 2-го поколения-, провести анализ/ степени влияния параметров голографирования на аберрационные характеристики ВГДР.

3. Разработать, методы и средства изготовления ВГДР 2-го поколения. Разработать методы и средства длятехнологического контроля оптических характеристик дифракционных* решеток.

4. Провести математическое моделирование оптических свойств спектрографа на основе ВГДР 2-го поколения. Изготовить ВГДР 2-го поколения и исследовать ее технические характеристики на макете спектрографа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана схема записи ВГДР 2-го поколения, предназначенной для работы в спектрографе на круге Роуланда, с частотой 3600 штр/мм с применением двух цилиндрических зеркал.

2. Теоретически обоснованы требования к погрешностям расположения оптических элементов топографической установки для записи ВГДР 2-го поколения.

3. Разработана методика юстировки оптическойсхемы записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая выполнение, требований, к. погрешностям установки оптических элементов.. • '- • • ' 7 4: Предложена методика, юстировкии калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов, с помощью узкополосных голограммных фильтров. •.

Практическая ценность работы заключается в получении следующих результатов: •.

1. Создании современного программного обеспечения:

• пакет программ' УСГЖ для проведения расчетов оптических схем спектральных приборов, и схем записи ВГДР;

• программа расчета технологических параметров голографической. установки для записи ВГДР 2-го поколения;

2. Разработанные голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения, методика юстировки схем записи ВГДР 2-го поколения, измерительный стенд для технологического контроля оптических характеристик голограммных дифракционных решеток позволяют получать ВГДР с высокой степенью коррекции аберраций.

3. Рассчитана оптическая схема малогабаритного эмиссионного спектрографа для анализа основных типов металлов, сплавов, горных пород и почв и схема записи ВГДР 2-го поколения для данного спектрографа.

4. Серийный выпуск спектроанализатора на основе разработанной оптической схемы спектрографа с ВГДР 2-го поколения может удовлетворить потребности производственных и исследовательских лабораторий в отечественных приборах с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Оптическая схема записи ВГДР 2-го поколения с частотой 3600 штр/мм на основе, вогнутых цилиндрических зеркал, предназначенной для работы в спектрографе на-круге-Роуланда-в диапазоне длинволш 190−360 нм.

2. Результаты расчета и анализа степени влиянияпогрешностей5 установки элементов схемы записи, на. аберрационные характеристики, ВГДР 2-го поколения:

3. Методика юстировкисхемы записи ВГДР 2-го поколения, обеспечивающая выполнение требований к погрешностям установки оптических элементов схемы записи ВГДР 2-го поколения.

4. Методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик-, дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью узкополосных голограммных фильтров.

Личный вклад автора.

Автором.рассчитана схема записи ВГДР 2-го поколения, проведен анализ влияния погрешностей установки оптических элементов схемы записи на аберрационные характеристики спектрографа, проведено математическое моделирование спектрографа с ВГДР 2-го поколения. ВГДР 2-го поколения получена лично автором. Автором разработаны пакет программ УОБИ и программа для расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР' 2-го поколения. При непосредственномучастии автора разработаны голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения и измерительный стенд для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, проведены исследования оптических характеристик ВГДР. Автором предложен метод юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля • оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных спектральных приборов с помощью узкополосных голограммных фильтров.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Прикладная оптика 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (г. Казань, 2009 г.) и 3-х других международных и 1-ой всероссийской конференциях.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах одобренных ВАК, 6 публикаций тезисов докладов из которых 5 на Международных конференциях и 1 на Всероссийской конференции и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет: 139 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 48 рисунков.

ВЫВОДЫ.

На специально собранном макете спектрографа получены образцы спектров и проведен сравнительный анализ качества спектров при использовании трех типов дифракционных решеток. Результаты измерений, полученные на макете спектрографа, согласуются с результатами, полученными на измерительном стенде для контроля оптических характеристик дифракционных решеток. Проведенные экспериментальные исследования показали, что спектрограф с ВГДР 2-го поколения обладает хорошим качеством изображения спектральных линий и хорошим разрешением, не уступающим ДФС-458, при существенно меньших (в 5−6 раз) массогабаритных характеристиках. Аберрационные характеристики хорошо согласуются с данными теоретического расчета.

Основным результатом работы явилось осуществление автором цели. работы — разработки программных-средств автоматизации расчетов схем записи ВГДР, оптических схем приборов на основе ВГДР 2-го поколенияи анализа их аберрационных характеристик, и разработки технологииизготовления ВГДР 2-го поколения.

В рамках работы получены следующие результаты:

1. Проведенный анализ литературы, посвященной спектральному приборостроению" ш производству элементов дифракционной" оптики показал, что ВГДР становятся основным, диспергирующим элементом современных спектроанализаторов. Однако коррекционные возможности ВГДР 1-го поколения исчерпаны, дальнейшее повышение технических характеристик приборов возможно с применением ВГДР 2-го поколения.

2. Разработано программное обеспечение, включающее в себя:

• комплекс программ УСБИ для проведения расчетов оптических схем спектральных приборов и схем записи ВГДР,.

• программа расчета технологических параметров голографической установки для записи ВГДР 2-го поколения.

3. Рассчитаны оптическая схема эмиссионного спектрографа на круге Роуланда и схема записи ВГДР 2-го поколения с частотой 3600 штр/мм для него. Показано, что применение ВГДР 2-го поколения в данной схеме позволяет одновременно уменьшить значения сагиттальной комы (на порядок) и астигматизма схемы («5 раз).

4. Проведен анализ влияния погрешностей установки элементов схемы записи на аберрационные характеристики • ВГДР и теоретически обоснованы требования к погрешностям сборки и юстировки схем записи.

5. Разработана специализированная голографическая установка для записи ВГДР 2-го поколения и методика ее юстировки, обеспечивающие заданные технические требования и измерительный стенд для технологического контроля оптических характеристик дифракционных решеток.

6. Впервые предложена методика юстировки и калибровки по длинам волн измерительных стендов для контроля оптических характеристик дифракционных решеток, макетов и серийных приборов при помощи узкополосных голограммных фильтров.

7. Изготовлена ВГДР 2-го поколения с частотой 3600 штр/мм. Экспериментальные исследования ВГДР 2-го поколения в схеме спектрографа хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Н.К. Спектральные приборы с неклассическими дифракционными решетками. -Казань: Изд-во Казан, гос. тех. ун-та. 2003.-197 с.
  2. Скоков! И. В. Оптические спектральные приборы. -М.: «Машиностроение». 1984. -240 с.
  3. Лебедева В. В". Техника оптической спектроскопии. -Mi: Изд-во Моск. ун-та. 1977. -384 с.
  4. Зайдель A. Hi, Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практикаспектроскопии. -М.: «Наука». 1976.-392 с.
  5. Р. Экспериментальная спектроскопия. ИЛ. 19 533
  6. Н.К. Применение неклассических дифракционныхрешеток в оптических схемах спектрографов с плоской поверхностьюизображения: Дис. на соискание ученой степени кандидататехнических наук. Казань, 1980. — 165 с.
  7. Futamata M., Takenouchi T., Katakura K. Highly efficient and aberration-corrected spectrometer for advanced Raman spectroscopy. Applied Optics. Y.41. № 22. 2002. P. 4655−4665
  8. A.B., Гусев В. Н., Карташева М. А., Кононова О. Н., Малешин М. Н. Разработка малогабаритного эмиссионного анализатора с пламенной атомизацией // Оптический журнал. -Т. 74. -№ 10,2007. -С. 71'
  9. Герасимова' Н.Г. Спектрограф-монохроматор4 СП-212 // Оптический журнал. -Т.69. -№ 8- 2002. -С. 58−63.
  10. Hinnen P.C., Stolte S., Hogervorst W., Ubachs U. JOSA В. V.15. № 10. 1998. Р. 2620−2626.
  11. A.B., Дягтерева Е. Д., Измайлова Д. Н., Павлычева Н. К. Исследование аналитических характеристик нового спектрографа с голографическими решетками // Известия АН МССР, серия физ.-техн. и мат. н. 1988. № 1. С. 39−43.
  12. В.Л., Бардин Б. Н., Мирумянц С. О., Нагулин Ю. С., Павлычева Н. К. и др. Малогабаритный спектрограф с голографическими вогнутыми решетками // ОМП. -1982. № 4. — С. 21−23.
  13. B.JI., Гимушин И. Ф., Кадерова Г. Н., Павлычева Н. К. и др. Малогабаритный светосильный спектрограф // ОМП. 1986. -№ 2.-С.20−22.
  14. Павлычева Н-К., Кит И. Е. Спектрограф для спектрального анализа' в • геологии // ОМП. 1988. № 6. — С. 27−29.
  15. Н.К., Гисматуллина С. П., Рахимов 3:В. Эмиссионные спектральные приборы для экологического мониторинга // Мониторинг.-1997.-№ 1.
  16. Н.К., Горбачев С. Ф., Демин А. П. и др. Малогабаритный' светосильный спектрометр на область спектра 200.1300 нм // Оптический журнал. 1996″. -№ 1 Г. — С. 61−62.
  17. Ю.В. Определение оптимальных параметров дифракционных решеток в установках на круге Роуланда // Опт. и спектр. 1983. — Т.55 -С. 1053−1058.
  18. A.A., Шакиров Н. Ф. Спектрограф с голограммной дифракционной решеткой второго поколения // Оптический журнал. — Т. 77. № 8. 2010 г. -С.61−66.
  19. H.B. Основные типы вогнутых голограммных дифракционных решеток // Известия вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». 2007. -№ 4. -С. 146−154.
  20. ОСТ 3−4013−78. Решетки дифракционные. Типы, основные размеры и, параметры.
  21. Palmer С. Theory of second-generation holographic diffraction gratings// J. Opt. Soc. Afner. 1989. Vol. A6. № 8. P. 1175−1178.
  22. Duban M. Third generation Rouland Holographic mounting// Appl. Opt: 1991. Vol. 30. № 28. P. 4019−4025- 1999r Vol. 38. № 16. P. 3443−3449.
  23. E.A. Вогнутые дифракционные решетки, записанные во встречных пучках // Оптический журнал. — 1999. — Т.66, № 12. С. 8893.
  24. Н.К. Голограммные дифракционные решетки 2-го и 3-го поколений в спектрографах Роуланда // Оптический журнал. 2002. — Т.69, № 4. — С. 69−74.
  25. Hutley М.С. Diffraction gratings. Academic Press, New York, 1982, 330 pp.
  26. Palmer C. Diffraction gratings handbook. 2005. Newport corporation. 271p.
  27. Ф.М., Яковлев Э. А. Дифракционные решетки: В кн. Современные тенденции в технике спектроскопии. 1982, Новосибирск, -С. 24−94.
  28. Palmer E.W. Diffraction gratings: Reports on Progress in Physics, 1975, Vol. 38, № 8, P. 975−1048.
  29. H.B. Лекции по квантовой электронике. -M. «Наука». 1983 г. -320 с.
  30. Под редакцией Колфилда Г. Априль Ж., Арсено А., Баласубраманьян Н. и др. Оптическая голография. -М. «Мир», 1982 г. -С. 381−400.
  31. Под редакцией Соболева Г. А. Регистрирующие- среды для- изобразительной голографии и киноголографии. -Лен. «Наука» 1979.238 с. ' .'.¦ -
  32. Noda H., Namioka T., Seya M. Geometrie theory of the grating // JOSA. -1974. -Vol. 64.- № 8. -P.1031−1042.
  33. Noda H., Namioka T., Seya M. Design of holographie concave gratings for Seya-Namioka monochromators // JOSA. 1974. — Vol. 64. — № 8. — P: 1043−1048: ' *""'
  34. Noda H., Namioka T., Seya M. Posibility of using the holodraphic concave drating inivacuum monochromators // Science’of Eight. -1973. Vol. 22. -№K-P77−99t ¦ ¦:. 'л: /
  35. Ю.В., Захарова Н. В. Вогнутые дифракционные решетки в астигматических пучках // Известия вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». -2009. -№ 6. -С.72−74.
  36. Ю.С., Павлычева H.K. Светосильный спектрограф с вогнутой голографической дифракционной решеткой // OMII. 1982. — № 5. — С. 20−31.
  37. Афанасьева B. JI1, ГимушишИ.Ф., Кадерова Г. Н., Павлычева Н. К. и др. Малогабаритный светосильный спектрограф // ОМП. -1986. -№ 2.-С.20−22.
  38. Г. Н., Кит И.Е., Нагулин Ю. С., Павлычева Н. К. и др. Спектрограф для эмиссионного спектрального анализа // ОМП. -1987. -№ 8.-С.20−22.
  39. Nazmeev M-., Pavlycheva N. New generation spectrographs // Opt. Eng. -1994. Vol. 33. — P. 2777−2782.
  40. Устройство* для изготовления голограммных дифракционных решеток. А. С. № 1 329 430, 1985 / Павлычева Н. К., Нагулин Ю. С. Гимушин И.Ф. и др. (СССР).
  41. И.В. Математическое обеспечение расчета оптики спектральных приборов // Оптический журнал -Т.65 -№ 12 1998 -С.84−92.
  42. Я.П. Руководство по спектральному анализу металлов. Судпромгиз, 1950 г. -205 с.
  43. A.A. Голограммный фильтр. Патент РФ на изобретение № 2 376 617 от 13.02.2008 Бюл. № 35.
  44. Belokopytov A.A., Buoynov G.N., Shigapova N.M. Narrowband hologram filters as an effective means for protecting night vision photodetectivedevices against high power laser beam exposure // Proc. Of SPIE Vol. 5834, p. 388−390
  45. A.A. Оценка качества изображения вогнутой дифракционнойголограммной решетки // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. -Казань.2003, № 4, -с.55.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?