Оптическая малогабаритная мера плоского угла на основе мультиплексных голографических брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле для систем углового позиционирования Доан Ван Бак

Введение к работе

Актуальность работы

При решении ряда задач углового позиционирования приборов, комплексов и платформ нередко требуется проведение угломерных/углозадающих работ в условиях ограниченного пространства или осуществление поверки (калибровки) угломерных/углозадающих приборов на месте их базирования. Поэтому весьма актуальными становятся задачи по миниатюризации угломерных/углозадающих устройств, а также внедрению в состав приборов встроенных средств поверки или калибровки (рабочих эталонов угла). Благодаря развитию в последние десятилетия микроэлектроники и технологии создания новых функциональных материалов, многие угломерные/углозадающие устройства стали весьма компактными (с характерным размером несколько сантиметров). В то же время обзор характеристик таких устройств показывает, что принцип их работы и конструкция обеспечивают их применимость лишь для ограниченного круга задач, а в ряде случаев их применение невозможно в силу условий окружающей среды или наличия помех (например, электрических или магнитных).

Таким образом, остается актуальной разработка новых подходов, принципов
и технологий создания малогабаритных высокоточных оптических

угломерных/углозадающих устройств, которые могут использоваться, во-первых, как важнейший элемент широкого спектра угломерных/углозадающих приборов и комплексов, а во-вторых, в качестве рабочего экспресс-эталона угла (после соответствующей калибровки по одному из первичных эталонов). Использование методов оптической голографии является одним из путей создания новых угломерных/углозадающих устройств с высокими точностными характеристиками, что определяется высокими значениями угловой и спектральной селективности объемных брэгговских решеток, на основе которых создаются дифракционные оптические элементы.

В работах [1–3] был предложен новый оптический элемент – мера плоского угла (голографическая призма - ГП), созданная на основе аддитивно окрашенных кристаллов фторида кальция. При падении на ГП референтного лазерного луча индуцируется отклик в виде нескольких дифрагированных лучей. В зависимости от способа записи они могут возникать поочередно при повороте образца или одновременно [1], охватывая ограниченный диапазон углов («веер» лучей). На основе ГП могут быть созданы углоизмерительные/углозадающие приборы, удовлетворяющие трем противоречивым требованиям – компактность, высокая дискретность и точность угловых измерений. Однако, применение аддитивно окрашенного кристалла фторида кальция в качестве голографической среды выявило ряд существенных недостатков: необходимость в большой энергии экспозиции (до 20 кДж/см²) и повышенной температуры (~200^оС) при записи голограмм, наличие поглощения в видимом диапазоне спектра (коэффициент поглощения до 30 см^-1), малый динамический диапазон изменения показателя преломления (n менее 10^-4), который обуславливает малую дифракционную

эффективность (единицы %), малое число мультиплексных голограмм (не более 6), а также большую толщину ГП (~ 10 мм).

Актуальность диссертационной работы состоит в том, что она посвящена
разработке малогабаритной оптической меры плоского угла для систем углового
позиционирования на основе мультиплексных объемных брэгговских решеток,
записанных в голографическом материале – фото-термо-рефрактивном (ФТР)
стекле. ФТР стекло – это новый фоточувствительный материал, в котором под
действием света и последующей термической обработки изменяется показатель
преломления (n ~10^-3). Изменение показателя преломления в ФТР стеклах
происходит за счет различия показателей преломления нанокристаллов фторида
натрия, которые выделяются в результате фото-термо-индуцированной
кристаллизации стекла, и показателя преломления матрицы стекла. Это
позволяет реализовать запись информации в виде объемных фазовых голограмм
для создания оптических элементов и устройств фотоники (спектральных и
пространственных фильтров, спектральных мультиплексоров и

демультиплексоров, комбайнеров лазерных пучков и т.д.), которые сегодня крайне востребованы в телекоммуникационных и лазерных системах. Таким образом, применение ФТР стекла в качестве голографической среды для создания малогабаритной меры плоского угла позволяет избавиться от недостатков аддитивно окрашенного кристалла фторида кальция, а именно упростить процесс создания ГП и улучшить ее параметры: увеличить число дифрагированных лучей-каналов и дифракционную эффективность голограмм, уменьшить толщину ГП [4, 5].

Цель работы

Разработка, создание и тестирование оптической малогабаритной меры плоского угла на основе мультиплексных объемных брэгговских решеток, записанных в фото-термо-рефрактивном стекле, для систем углового позиционирования

Задачи исследования

1. Расчет параметров записи мультиплексных брэгговских решеток в фото-
термо-рефрактивном стекле.

1. Создание схем записи и считывания мультиплексных брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле.

2. Разработка методики расчета положения точки пересечения дифрагированных лучей меры плоского угла.

3. Анализ влияния отклонений условий записи и считывания от расчетных на параметры меры плоского угла.

4. Создание макетных образцов меры плоского угла в фото-термо-рефрактивном стекле и их тестирование.

Методы исследования: для решения поставленных задач были использованы аналитические методы научных положений теории измерения плоского угла, голографические методы записи и измерения характеристик мультиплексных

брэгговских решеток, а также математические методы расчета записи и анализа параметров угловой меры плоского угла.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Предложено использовать фото-термо-рефрактивное стекло в качестве голографического материала для создания малогабаритной меры плоского угла на основе мультиплексных объемных брэгговских решеток.

2. Проведен расчет положения точки пересечения дифрагированных лучей меры плоского угла.

3. Предложена методика расчета и проведен анализ влияния погрешности записи и считывания мультиплексных брэгговских решеток, записанных в фото-термо-рефрактивном стекле, на параметры меры плоского угла.

4. Разработана методика, которая позволяет записывать мультиплексные голограммы с заданной дифракционной эффективностью, что дает возможность идентифицировать дифракционные каналы.

5. Создан макетный образец меры плоского угла на основе мультиплексных брэгговских решеток, записанных в фото-термо-рефрактивном стекле. Количество брэгговских решеток достигает 21, угол между крайними лучами веера составляет 50 с угловым расстоянием между соседними лучами 2,5. Это позволяет увеличить число лучей (отсчетов) с возможностью обеспечения высокой дискретности по сравнению с голографической призмой на флюорите.

Основные положения, вносимые на защиту:

1. При записи в фото-термо-рефрактивном стекле большого числа
мультиплексных голограмм с одинаковой дифракционной эффективностью
экспозиция отдельной голограммы определяется следующим соотношением:
J/N, где N – количество голограмм, J – экспозиция в случае записи одиночной
голограммы, которая позволяет достичь максимальной амплитуды первой
гармоники показателя преломления.

2. Предложенная конструкция меры плоского угла с использованием фото-термо-рефрактивного стекла позволяет увеличить число лучей (отсчетов) с возможностью обеспечения высокой дискретности за счет возможности записи в локальном объеме стекла десятков мультиплексных брэгговских решеток.

3. Предложенная методика расчета погрешности записи и считывания мультиплексных брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле определяет связь погрешности при установке образца в момент записи и считывании (углы наклона) с параметрами веера (плоскостность, угловое расстояние между соседними и крайними лучами).

4. Веер с одинаковыми угловыми расстояниями между лучами, образованный несколькими (более 2) мультиплексными голограммами, не имеет единого истока лучей, что приводит к тому, что каждая пара дифрагированных лучей имеет свою точку пересечения. Предложенный расчет положения точки пересечения дифрагированных лучей меры плоского угла позволяет построить карту истоков лучей веера относительно центра считывающего луча и, таким образом, осуществлять калибровку угловой меры.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Показано, что на основе фото-термо-рефрактивного стекла возможно создание малогабаритных голографических мер плоского угла, которые можно использовать для аттестации углозадающий/углоизмерительных систем.

2. Предложена конструкция меры плоского угла с использованием фото-термо-рефрактивного стекла, позволяющая увеличить число лучей (отсчетов) с возможностью обеспечения высокой дискретности, за счет возможности записи в локальном объеме стекла десятков мультиплексных брэгговских решеток.

3. Предложена методика расчета погрешности записи и считывания мультиплексных брэгговских решеток в фото-термо-рефрактивном стекле, которая позволяет определять связь погрешности при установке образца в момент записи и считывании с параметрами веера (плоскостность, угловое расстояние между соседними и крайними лучами).

4. Предложен метод расчета положения точки пересечения дифрагированных лучей меры плоского угла, позволяющий построить карту истоков лучей веера относительно центра считывающего луча и, таким образом, осуществлять калибровку угловой меры.

5. Показано, что при записи в фото-термо-рефрактивном стекле большого числа мультиплексных голограмм с одинаковой дифракционной эффективностью экспозиция отдельной голограммы определяется следующим соотношением: J/N, где N – количество голограмм, J – оптимальная экспозиция в случае записи одиночной голограммы, которая позволяет достичь максимальной амплитуды модуляции показателя преломления.

6. Создан макетный образец малогабаритной меры плоского угла в фото-термо-рефрактивном стекле, который по своим техническим характеристикам превосходит известные аналоги.

Достоверность результатов работы подтверждается использованием обоснованных голографических методов и численных методов расчета, согласованием полученных теоретических результатов с собственными экспериментальными результатами и экспериментальными результатами других авторов.

Личный вклад автора. В работе изложены результаты исследований, выполненные лично автором или в соавторстве. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены при непосредственном участии автора.

Апробация результатов исследования. Основные результаты

диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 конференциях:

IX и X Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2015» и «Оптика-2017», 2015, 2017 г., Санкт-Петербург, Россия;

Всероссийский конгресс молодых ученых СПб НИУ ИТМО, 2016, 2017, 2018 г., Санкт-Петербург, Россия;

XLV, XLVI, XLVII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, 2016, 2017, 2018 г. Санкт-Петербург, Россия;

10^th International Conference on Optics-photonic Design & Fabrication ODF’16”, 2016, Weingarten, Germany;

SPIE Optical Metrology, 2017, Munich, Germany;

SPIE Optical Systems Design - ODF18, 2018, Frankfurt, Germany;

5^th International School and Conference “Saint Petersburg OPEN 2018”, 2018, Saint Petersburg, Russia.

Публикации

Результаты работы опубликованы в 12 научных трудах: 3 статьи в изданиях из перечня ВАК и 2 статьи в изданиях, включённых в международную базу цитирования Scopus и Web of Science, 7 – в материалах конференций и сборниках тезисов докладов.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4– х глав, заключения, списка использованной литературы. Диссертация содержит 109 страниц, 55 рисунок и 9 таблиц.

Работа была выполнена на кафедре Оптоинформационных технологий и
материалов Санкт-Петербургского национального исследовательского

университета информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО).