Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дифракционная решетка как основной элемент спектрального прибора .
1.1.Электромагнитная теория решетки 23
1.2. Голограммные решетки 55
1.3. Вогнутые решетки 80
Глава 2. Геометрическая теория голограммной дифракционной решетки, записанной в двухступенчатой схеме 120
Глава 3. Изготовление голограммных дифракционных решеток при помощи двухступенчатой записи во встречных пучках.
3.1. Изготовление решетки, имеющей 600 штрихов на миллиметр 136
3.2. Изготовление решетки, имеющей 3600 штрихов на мм 151
Глава 4. Новые оптические схемы спектральных приборов, и использование голограммных дифракционных решеток нового поколения в новых и ранее известных спектральных инструментах .
4.1. Спектрографы с плоским полем 167
4.2. Высокоразрешающий спектрометр 187
4.3. Использование высокоапертурного монохроматора в качестве устройства для предварительной монохроматизации для спектрометра, измеряющего скорость плазмы 200
4.4. Сканирующий монохроматический осветитель с голограммной дифракционной решеткой и оригинальной сканирующей системой 214
4.5. Запись решеток для демультиплексоров 245
4.6. Особенности расчета оптической схемы двойного монохроматора и его геометрическая теория 252
Заключение 274
Литература 2
- Голограммные решетки
- Изготовление решетки, имеющей 3600 штрихов на мм
- Использование высокоапертурного монохроматора в качестве устройства для предварительной монохроматизации для спектрометра, измеряющего скорость плазмы
- Запись решеток для демультиплексоров
Введение к работе
Актуальность настоящей работы в том, что она открывает возможность изготовления таких решеток, и, в дальнейшем, возможность разработки нового класса спектральных приборов с улучшенными характеристиками. Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является разработка аберрационной теории дифракционных решегок, записанных во встречных пучках в двухступенчатой схеме, разработка практических методов изготовления таких решеток нового поколения, применение которых в спектральных приборах позволяет значительно улучшить их характеристики.
Дтя достижения укаынной цели гребонатось реипгп. слодтощне задачи:
1. Построить функцию оптического пути дтя случая записи во встречных пучках с использованием аберрационных волновых фронтов, разложить ее в степенной ряд и вычислить коэффициенты, соответствующие основным аберрациям.
Минимизируя ни коэффициенты для различных оптических схем спектральных приборов (или совместно с оптимизацией параметров ттих схем), разработать схемы записи голоіраммньїх решеток, обладающих улучшенными, ранее недостижимыми характеристиками.
Построить рассчитанные установки и изготовить тксперимешильиые дифракционные решетки, чтобы проверить технологическую реализуемость новых схем записи.
Проанализировать возможность и целесообразность применения дифракциошшіх решегок нового поколения п огггических схемах спектральных приборов для различных приложений.
Научная попита работы заключается в том, что п ее рамках впервые:
Разработана геометрическая теория двухступенчатой записи голограммной дифракционной решетки во встречных пучках. Построены лабораторные установки для записи голограммных дифракционных решеток во встречных пучках , параметры которых рассчитаны с использованием выведенных формул. Проблема компенсации преломления записывающего пучка на задней поверхности заготовки решетки решена при помощи записи решетки -объективи через заготовку конечной решетки. На построенных установках изготовлены первые дифракциоїшьіе решетки.
Разработшшая теория расширена для метода записи дифракционных решеток при помощи падающего и отраженного пучков, позволяющего использовать пространствсішо некогереїтіоо освещение.
Проанализированы аберрационные характеристики решеток, записанных этим методом в его классическом варианте, а также показаны возможности модификации метода для раеппгрення возможностей компенсации аберраций решеток, записанных таким образом.
Проанализирована целесообразность использования этого метода для записи решеток для различных спектральных приборов. Показаны его ограїшчения, а также намечена перспектива дальнейшего развипи метода - трехступенчатая регистрация.
о Построена лабораторная установка для двухступеїгчатой талией голоіраммньїх дифракциогаплх решеток в пространственно некогереіггаом свете при помощи падающего и отражешюго пучков. На этой установке изготовлены дифракционные решетки, имеющие 3600 иприхоп на миллиметр с аберрационными характеристиками, которые невозможно реализовать ни одним из ранее существующих методов.
Разработаны оптические схемы спектральных приборов различного назначения, и которых используются как дифракционные решетки, изготавливаемые известными ранее методами, гак и дифракционные решетки ноною поколеїшя, записанные во встречных пучках в двухступеїгчатой регистрации. Показано, в каких случаях применение новых дифракциошшх решеток может улучшить спектральные яли энергетические характеристики прибора.
Построена геометрическая теория двойного монохроматора. Построена функция оптического пути для двойного монохроматора, и выведена формула расчета члена ее разложешія в степенной ряд, отвечающего за дефокусировку. На основе результатов минимизации полученного выражения проанализирована возможность построения двойного монохроматора таким образом, чтобы второй монохроматор частично компенсігровал аберрации первого. Замечено, что в схеме двойного монохроматора при определенных условиях автоматически осуществляется компенсация астигматизш второю порядка. !>го позволяет использовать угол отклонения схемы для более полной компенсации других аберраций и разрабатывать двойные монохроматоры с улучшенными характеристикаші.
Практическая ценность работы заключаегся в том, чго ее
результаты позволили изготовил, дифракционные решетки с ранее недостижимыми аберрационными свойстами Применение таких решеток в спектральных приборах позволит существенно улучшим, их характеристики. Кроме того, результаты работы потолили создам, ряд уникальных приборов доя
7 решения специфических задач спектрального анализа Maivpiiaiu диссертации полезны как для специалистов, занимающихся расчетом, проекітірованием и изготовлением спектральных приборов, так и для ипгрокого крута пользователей спектральной аппаратуры.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту. I. Метод изготовления голограммной дифракционной решетки во встречных пучках, в котором пучок, падающий на заготовку с ее задней стороны, сформирован при помощи другой дифракционной решетки.
Метод позволяет изготавливать дифракционные решетки с улучшенными спектральными и -энергетическими характеристиками, включая решетки, которые невозможно изготовить ни одним из ранее существующих методов. Н случае записи голограммной дифракционной решетки но встречных пучках компенсация астигматизма первого порядка и саппталыюй комы осушествляется при близких значениях параметров записи.
Использование дифракционной решетки в качестве обьектива для записи другой дифракционной решетки позволяет в два раза увеличшъ число параметров оптимизации записывающей установки.
Дифракционная решетка-объектив, записанная через -иго гонку конечной решетки, компенсирует аберрацші, связанные с преломлением записывающего ггучка на задней стороне заготовки конечной решетки.
Дифракционные решетки, записанные во встречных пучках, обладают постоянным по поверхности утлом блеска. Только таким образом можно изготовить высокоапертурные вогнутые решетки с малым утлом блеска и сплошной "нарезкой".
2. Геометрическая теория дифракционной решетки, записашюй во встречных
пучках в двухступенчатой схеме.
Оптические схемы записи голограммных дифракционных решеток, рассчитанные при помощи тгой теории, обеспечивают более полную компенсацию аберраций получаемых решеток, чем схемы, рассчитаншле другими методами.
3. Геометрическая теория двойного монохроматора.
Использование -пой теории для расчета оптических схем двойных
монохроматоров дает возможность значительно улучшить их спектральные
характеристики.
4. Оригинальные оптические схемы спектральных приборов для различных приложений:
Пятидиалазошшй спектрограф с плоским полем, оригинальная оптическая схема
которого обеспечивает более полную компенсацию аберраций, чем это возможно
для существующих схем двух и ірехдианазонньїх спектроірафоп. В случае изменения диапазона спектра при помощи изменения положения входной щели, в отличие от сканироиапия попоротом дифракциошюй решетки, фокальные свонепш сохраняйте .
Спектрограф с плоским нолем для анализа рассеяния Томпсона в плазме
ТОКАМАКа, обеспечшающий пространственное разрешение в вертикальном
направлении.
Спектроіраф с матричным фотоприемником и тремя дифракционными
решетками, расположенными друг над другом. Использование голограммных дафракциошіьіх решеток в -пом спектрометре позволяет скомпенсировать астигматизм второго порядка периферийных решеток.
Спектроіраф с фотоприемником в виде двух линеек и двумя наклонными
дифракционными решетками.
Предварительный монохроматор для спектромеїра для измерения скороспс
плазмы, основашплй на оптической схеме, в которой дифракционная решетка
освещена сходящимся пучком лучей.
Высокоразрешаюпшн спектромегр для диагностики плазмы ТОКАМАКа,
содержащий две дифракционные решетки 2700 мм', вторая из которых
компенсирует аберрации первой
Двухканатьный монохроматический осветитель с вогнутой дифракциоішой
решеткой и оригинатмюй системой сканирования спектра.
Вариант демультиллексора с улучшенными аберрационными характеристиками Двойной монохроматор, в котором второй монохроматор частігчно компенсирует аберрации перлого. 13 двойном монохроматоре со сложением дисперсий возможна полная компенсация астигматизма второго порядка.
В двойном монохроматоре с малым углом отклонения возможно скомпенсировать дефокусировку в трех точках рабочего спектрального диапазона.
Личный вклад автори. Все результаты, изложенные в настоящей работе, получены лично автором или иод руководством автора и непосредственном его участии.
Структура и объем диссертации-
Голограммные решетки
Решетка может тогда использоваться на пропускание, или, как обычно имеет место, покрывается зеркальным слоем металла и используется на отражение.
Подложка - обычно стекло, которое полировалось к требуемой форме с точностью малой доли длины волны видимого света. Тонкий слой из фоторезиста, от 0.1, мкм до 1, мкм наносится на центрифуге. Малое количество резиста помещается в центр подложки, которая вращается со скоростью от 1000 до 3000 оборотов в минуту с контролируемым ускорением. Излишки резиста сбрасываются, и тонкое однородное покрытие остается на подложке. Имеются два типа фоторезиста, позитивный и негативный. В позитивных резистах действие света вызывает разрушение молекулярных цепей полимера и повышение растворимости, тогда как в негативных резистах оно вызывает уменьшение растворимости, и при проявлении удаляются неэкспонированные участки. В приложениях, для которых фоторезисты были разработаны, материал или удаляется полностью, или частично остается , чтобы защитить подложку от химического травления. В данном случае резист экспонируется светом с непрерывно изменяющейся амплитудой и обычно не проявляется до подложки. Хотя можно использовать и негативные резисты , чаще используется позитивный резист, частично, потому что он проявляется в водяных растворах, которые являются более удобными чем органические растворители, требуемые для большинства негативных резистов, и частично потому, что при работе с негативным резистом необходимо обеспечивать адекватную экспозицию, чтобы не нарушить адгезию материала с подложкой . Чувствительность большинства фоторезистов сильно зависит от длины волны и резко понижается для длин волн больших, чем приблизительно 500 nm. Требуемые экспозиции имеют порядок 250 мДж/см , что приблизительно в 1000 раз больше, чем для большинства фотографических эмульсий с высоким разрешением и в 105 раз больше, чем для современных голографических эмульсий. Характеристика резиста не вполне линейна, и, поэтому, форма штрихов не является точно синусоидальной при синусоидальном изменении интенсивности. Низкая чувствительность и потребности в излучении с короткой длиной волны диктуют тип лазера, который должен использоваться. Аргоновый ионный, криптоновый ионный и гелий - кадмиевый лазеры являются подходящими, поскольку они излучают диапазон длин волны в синей и ближней ультрафиолетовой областях спектра.
Если два когерентных пучка света пересекаются под углом 2в, как показано на Рисунке 12, они произведут в пределах общего для них объема интерференционные полосы на расстоянии х друг от друга. I х = г .— Ism в Если подложка, покрытая фоточувствительным материалом, введена в эту область под углом 8 к биссектрисе угла между пучками, то интерференционные полосы будут зарегистрированы на расстоянии d друг от друга. 2 sin # sin д Самое малое расстояние между штрихами , которое может быть теоретически получено - А/2, что соответствует 5 = 0 и в= 90. Этого нельзя достичь практически, так как требуется, чтобы оба пучка скользили по поверхности подложки, но величины в - 60 дают расстояние между штрихами 0.6 А,. Из этого следует, что минимальное расстояние, которое может быть получено с аргоном (458 nm) - 0.28мкм или приблизительно 3500 штрихов на миллиметр; с криптоном (351 nm) - 0.21мкм или 4700 штрихов на миллиметр ; и с удвоенной частотой аргона (257шп) - 0.15мкм или 6600 штрихов на миллиметр. Более высокочастотные решетки могут быть получены, используя интерференцию в более оптически плотной среде, что эквивалентно сокращению длины волны в число раз, равное показателю преломления.
В этих пределах мы можем выбирать любую частоту, и требуемое время экспонирования не зависит от этого. С другой стороны в процессе нарезания решетки требуемое время пропорционально шагу, но трудности увеличиваются даже быстрее. Износ алмазного резца обычно ограничивает общую длину штриха, которая может быть достигнута, тогда как интерференционные методы не ограничены таким образом и позволяют делать очень большие решетки с очень мелким шагом.
Во многих случаях непрактично использовать решетку в конфигурации, в которой имеется только один дифрагируемый порядок. Поэтому использование решетки без блеска с симметричным профилем штриха, часто менее эффективно, чем „использование решетки с блеском и этот недостаток во многих случаях - слишком высокая цена, чтобы оплатить улучшение спектральной чистоты, связанное с интерференционным способом изготовления решетки. Мы должны выяснить, поэтому, возможно ли использовать интерференцию, чтобы изготовить решетки с пилообразным профилем штриха, в особенности с углами наклона грани, меньшими 20. Несколько различных способов было предложено, и все имели некоторый успех, хотя пока ни один не решил задачу полностью.
Первый метод - использование синтеза Фурье " . Вместо того, чтобы экспонировать резист одной интерференционной картиной с синусоидальным распределением амплитуды, его экспонируют рядом таких картин различных пространственных частот таким образом, что в результате получается Фурье-синтезированное периодическое треугольное распределение амплитуды. На практике использовались только две составляющие ряда Фурье , и теоретически, этого должно быть достаточно для достаточно близкой аппроксимации к треугольному распределению, как видно из Рисунка 13. К сожалению, этот метод требует, чтобы интерферометр был установлен с намного большей точностью чем это требуется в случае решетки с единичным экспонированием. Сначала требуется, чтобы отношение пространственных частот различных картин интерференции было целым, потому что, если имеется любое рассогласование, муаровые интерференционные полосы будет зарегистрирован на решетке. Например, если первая гармоника решетки, имеющей 1200 штрихов на миллиметр - 2400.1 мм"1 а не 2400 мм"1, то появляются муаровые интерференционные полосы, параллельные к штрихам на расстоянии 10 мм. При переходе через муаровую интерференционную полосу фазовое отношение этих двух составляющих изменяется так, что направление блеска чередуется между положительными и отрицательными порядками с симметричными областями между ними
Изготовление решетки, имеющей 3600 штрихов на мм
Для совершенствования метода некоторые авторы"3, предлагают ввести непосредственно в процесс оптимизации параметров расчет хода лучей, т.е. использовать аналитические выражения, связывающие координаты точек в плоскости изображения с параметрами схемы и решетки.
В других случаях117 функция оптического пути связана непосредственно с направляющими косинусами дифрагированного луча, однако анализ качества изображения осуществляется по отдельным аберрациям. Предлагается также повышать разрешающую способность, используя все параметры записи голограммной решетки для компенсации поперечных аберраций ,и не исправляя астигматизм118. Разработаны также метод расчета, заключающийся в минимизации волновых аберраций119 , автоматизированный метод120 и упрощенный метод"4 121. Эти методики расчета в основном позволяют исправить лишь отдельные виды аберраций. Большинство этих методов не учитывают аберраций внеосевых точек щели. Разрешающая способность монохроматора оценивается не его аппаратной функцией, а либо величинами поперечных аберраций, либо размерами точечных диаграмм/Аппаратные функции вычисляются на конечном этапе и не являются показателем оптимальности выбранных параметров. Для обеспечения большего числа свободных параметров была использована запись в асферическом волновом фронте при помощи эллипсоидальных зеркал1""". Асферическаяая оптика дорога, её производство и контроль - сложная задача, и это решение не подходит для промышленности. Запись с использованием сферических дифракционных решеток была предложена для установок, работающих на круге Роуланда . Поскольку рассматривалась только запись в попутных пучках, приложение метода ограничено некоторыми частными оптическими схемами. Была предложена также регистрация вогнутых решеток во встречных пучках с использованием сложной системы, состоящей из нескольких линз" . Использование такой преломляющей оптики при любой голографической записи ведет к увеличению уровня рассеянного света и ухудшению качества конечной решетки. Интерференционный метод управления делительной машиной дал возможность осуществить изготовление вогнутых решеток с переменным шагом и непрямолинейными штрихами1"". Для этой цели делительная машина дополнена тремя механическими узлами. Два из них служат для изменения постоянной решетки. В одном случае это достигалось перемещением непрозрачного экрана с вырезами по форме муаровых полос; экран вводился между решетками муарового интерферометра и получал движение от кулачка соответствующей формы, установленного на станине машины. Во втором случае перемещалась решетка - индекс муарового интерферометра относительно каретки подачи в направлении ее движения. Схема механизма показана на рис.28. Решетка - индекс установлена на подвижной пластине пружинного параллелограмма, прикрепленного к каретке подачи. При помощи подвижного стержня пластина параллелограмма связана с шаблоном в виде дуги большого радиуса, установленном на станине машины. При движении каретки подвижный стержень скользит по шаблону, сообщая решетке - индексу дополнительное перемещение в направлении подачи. Первый механизм позволяет изготовлять решетки с переменным шагом с компенсацией астигматизма при углах дифракции до 10 , а второй - в большем диапазоне углов. Третий механизм предназначен для изменения наклона оси качания резца относительно направления перемещения заготовки решетки на угол до ЗО , что дает возможность получать штрихи эллиптической формы с переменным радиусом кривизны. При правильном сочетании и юстировке указанных механизмов можно изготовить вогнутую решетку, дающую стигматическое изображение в заданной точке плоскости дисперсии в пределах углов дифракции, ограниченных наклоном оси качания резца.
В обсуждении разработки голограммных решеток с исправленными аберрациями, мы концентрировали внимание в основном на устранении или уменьшении членов разложении в ряд функции оптического пути , соответствующих определенным аберрациям. В результате мы можем определить оптимальные положения точечных источников для записи решетки. Однако, сделав это, желательно проверить, насколько хорошо решетка исполняет свои функции. Удобный путь выполнения этого состоит в том, чтобы смоделировать при помощи компьютера точный ход луча света через предложенную систему. Этим можно подтверждать, что те члены разложения, которым, возможно, пренебрегали в первоначальной разработке, действительно незначительны, и также определять качество изображения по всему диапазону работы прибора. Это также удобный способ изучения эффекта прямых или искривленных входных щелей конечной высоты, и это особенно важно, если точечный источник был использован в начальной разработке.
Использование высокоапертурного монохроматора в качестве устройства для предварительной монохроматизации для спектрометра, измеряющего скорость плазмы
Спектральное распределение сферической аберрации для этого случая показано на рис.39, кривая 4. Из рассмотренного примера видно, что двухступенчатая запись во встречных пучках позволяет скомпенсировать и сферическую аберрацию.
Поскольку компенсация сагиттальной комы особенно важна для высокочастотных решеток, для которых при существующих длинах волн записи невозможно обеспечить условие у=0, интересно рассмотреть также более общий случай двухступенчатой записи во встречных пучках. Формулы, аналогичные формулам (15) были получены таким же образом, как и в предыдущем случае. Эти выражения слишком длинны, чтобы приводить их в данной работе. Их можно хранить в памяти компьютера и использовать для вычислений. Однако, представляется целесообразным рассмотреть некоторые детали, связанные с их получением и использованием. Выразим члены разложения функции оптического пути в следующей форме: Fm = M {mXi )H (20) где Нук определяется схемой записи голограммной решетки. В отличие от классического случая129, в нашем случае ось X развернута относительно нормали к решетке, и Mi оо дает не привычное уравнение решетки, а Мш - secу{щ а + зіпД) -(ЯІ a) uzy / i\ Остальные Mjjk также изменяются. Например, для круга Роуланда Мш = sec у(тпа + sin$)їжу Мт = seca+sec$-cos(a-y)sscy-cos($-y)secy v" / Давайте проверим формулы, полученные для общего случая на примере полихроматора, работающего на круге Роуланда. Решетка этого полихроматора имеет 3600 штрихов на миллиметр и радиус кривизны 500 мм124. Угол падения излучения на решетку равен 50.5 . Оптимальные параметры записи такой решетки у = -129.478,5= 21.255,гс = -317.892даг,г2 =465.9Шж Параметры записи решетки - объектива, обеспечивающего данные параметры записи конечной решетки и не вносящего дополнительных аберраций: щ = 33.331,гл =417.753ии,Д = 0,г0 =4№тт,уь = 0, =0,4 = 33. 331, г =А\1153тт Вычисления были выполнены для длины волны регистрации 457.9 rmi и коэффициента преломления 1.666 . Расстояние между решеткой - объективом и заготовкой конечной решетки -182.108 mm. Коэффициенты А для повернутой системы координат отличаются от их значений для случая, когда ось X совпадает с нормалью решетки. Для установки круга Роуланда А200 не 0, но равен sec2ytgy.
Мы вычислили эти коэффициенты для оптической схемы рассматриваемого полихроматора и для схемы записи решетки с данной решеткой - объективом. Результаты для дефокусировки, астигматизма первого порядка, меридиональной и сагиттальной комы и сферической аберрации совпадают с точностью 10" -10" . Это совпадение подтверждает формулы, полученные для общего случая регистрации.
Новый метод рассчета оптических схем двухступенчатой записи решеток дает более широкие возможности использования всех параметров регистрации для более полной компенсации аберраций. Спектральные приборы с лучшим качеством могут быть разработаны с использованием решеток, записанных в двухступенчатой схеме и только сферической оптики. Метод может использоваться не только для расчета голограммных установок регистрации, но и для расчета двойных мокохроматороз, в которых одна решетка компенсирует аберрации другой, или других установок, содержащих более чем один элемент, включая дифракционные решетки.
Рассмотренная теория построена для наиболее общего случая двухступенчатой записи, когда и решетка - объектив и конечная решетка записываются при помощи двух пространственно разделенных источников, причем один из пучков проходит через заготовку, показатель преломления которой необходимо учитывать. Однако, многие другие схемы записи могут быть рассмотрены с точки зрения этой теории как частные случаи. Например, двухступенчатая запись в попутных пучках - это частный случай, для которого показатель преломления в формулах, полученных для общего случая, следует принять равным единице. Общие формулы значительно упрощаются для записи при помощи падающего и отраженного пучков. Как будет показано в следующей главе, применение рассмотренной здесь теории к этому случаю позволяет расширить возможности компенсации аберраций по сравнению с его классическим вариантом,
Запись решеток для демультиплексоров
Спектральные области для этого спектрометра : 164-302 нм, 302-440 нм, 440-578нм, 578-71бнм и 716-854 нм. Однако, из-за практических ограничений, связанных с наличием подходящих источников излучения, а также спектральной чувствительности нашего приемника (LS-2000, Алтон Инструменты), мы сосредоточили наше внимание на трех спектральных областях от 302 до 716 нм. Изменение спектральной области осуществлялось посредством дискретного поворота вогнутого зеркала вокруг его оси. Для освещения использовались ртутная, ртутно - кадмиевая и неоновая лампы. Экспериментально записанные контуры спектральных линий хорошо согласуются с теоретически рассчитанными аппаратными фикциями. Предел разрешения спектрометра не хуже 2 нм по всему диапазону. Чтобы сделать заключение относительно возможности использования голограммных дифракционных решеток, зарегистрированных во встречных пучках в этом спектрометре, мы должны проконтролировать кривизну штриха. А = (d ) )Н Для решетки с прямыми штрихами AQ2O=0 С iJk у VJ iJk). Вычисления, проведенные по формулам, полученным в предыдущей главе для решеток, записанных при помощи падающего и отраженного пучков показали, что для пяти длин волны регистрации ( линии аргона 457.9нм, 476.5нм, 488нм, 496.5нм и 514.5 нм), Лого изменяется от 0.007959 до 0.0148874 для решетки, имеющей 1200 штрихов на мм. и от 0.00099 до 0.0018 для решетки, имеющей 600 штрихов на мм. Эти значения А020 соответствуют очень небольшому искривлению штрихов. В разумном приближении мы можем рассматривать эту решетку, как решетку с прямыми штрихами. Следовательно, мы можем заменить механически нарезанную решетку этого спектрометра голограммной, зарегистрированной при помощи падающего и отраженного пучков.. В других спектрометрах с плоским полем, чтобы удовлетворить требованиям компенсации аберраций, необходимы решетки с неравноотстоящими штрихами. Как было показано в предыдущей главе, такие решетки с компенсированной дефокусировкой также могут быть изготовлены с использованием записи при помощи падающего и отраженного пучков. Чтобы сделать вывод о пригодности таких решеток для того или иного спектрометра, 173 мы должны проконтролировать их кому и астигматизм, или сравнить полученные на компьютере точечные диаграммы и аппаратные функции для таких решеток с точечными диаграммами и аппаратными функциями решеток других типов, работающих в тех же оптических схемах. В качестве следующего примера рассмотрим спектрометр с матричным детектором.
При использовании матричного приемника и нескольких дифракционных решеток, расположенных одна над другой, мы можем увеличить спектральный интервал или дисперсию нашего устройства. Давайте рассмотрим спектрометр, который состоит из трех сферических вогнутых дифракционных решеток, имеющих 1200, 900 и 600 штрихов на миллиметр соответственно и радиус кривизны 100мм. Размер каждой решетки - 12x4 мм. Решетки расположены одна над другой и освещены из входной щели, которая находится в меридиональной плоскости центральной решетки. Нормали решетки параллельны друг другу. Решетки фокусируют всю спектральную область на трех линиях квадратного многоэлементного приемника . Расстояние между каждыми двумя линиями приблизительно 8 мм. Решетки имеют прямые неравноотстоящие штрихи. Этот спектрометр был разработан для использования вместе с телескопом. Коэффициенты аберраций этого спектрометра - Агоо =-0.2074, Азоо=0.0475, Ао2о=0- Голограммные дифракционные решетки, зарегистрированные при помощи падающего и отраженного пучков с А200 =-0.2074 были рассчитаны для длины волны регистрации 457,9 нм. Расстояния записи и коэффициенты аберраций этих решеток показаны в таблице 2.
Различия между оптимальными коэффициентами астигматизма и меридиональной комы и коэффициентами из табл,2 очень маленькие. Решетки для этого спектрометра могут быть изготовлены предложенным методом. Для случая голографической регистрации мы даже можем улучшать разрешение периферийных решеток, Голографическая установка регистрации дает возможность исправить астигматизм второго порядка для этих решеток. Чтобы сделать это, мы должны переместить заготовку решетки в вертикальном 174 направлении в установке регистрации, чтобы сделать геометрию регистрации ближе к геометрии спектрометра, в котором эта решетка будет использоваться. На рис.60 полученные на компьютере точечные диаграммы и аппаратные функции спектрометра показаны для случаев использования нарезных и голограммных решеток. Другой спектрометр был разработан для использования с приемником, который состоит из двух параллельных чувствительных линий с расстоянием 9 мм между ними. Спектрометр содержит две дифракционные решетки одна над другой. Решетки имеют 800 штрихов на мм для спектральной области 190-380 нм и 400 штрихов на мм для спектральной области 380 - 760 нм. Радиус кривизны решеток - 100 мм. В вертикальной плоскости решетки наклонены таким образом, что угол между нормалями решеток составляет 16. Решетки имеют криволинейные неравноотстоящие штрихи. Оптическая схема спектрометра в вертикальной плоскости показана на рис. 61. Этот спектрометр был изготовлен с нарезными решетками. Разрешение, достигнутое при помощи этого спектрометра находится в хорошем соответствии с теоретически предсказанным.
Вычисления показывают, что голограммные дифракционные решетки для этого спектрометра могут быть изготовлены при помощи падающего и отраженного пучков. В этом случае мы можем достигнуть тех же самых аберрационных свойств , которые соответствуют механически нарезанным решеткам со слегка отличающимися комой и астигматизмом. Полученные на компьютере точечные диаграммы и аппаратные функции этого спектрометра с нарезными и голограммными решетками площадью 36x36 мм показаны на рис. 62 и рис. 63. Из рис. 62 и рис. 63 мы можем видеть, что использование голограммных решеток, зарегистрированных при помощи падающего и отраженного пучков серьезно не уменьшает разрешение этого спектрометра. Однако, для некоторых спектрометров с плоским полем запись при помощи падающего и отраженного пучков не обеспечивает требуемых аберрационных характеристик. Таким случаем является, например, спектрометр, рассмотренный в предыдущей главе.
