Введение к работе
Основные идеи и актуальность работы
Уровень развития оптического и лазерного приборостроения непосредственно зависит от состояния и оснащенности технологической базы. Постоянно растущие требования к характеристикам оптических и лазерных приборов вызывает необходимость совершенствования элементной базы, что стимулирует поиск новых средств и методов их создания.
Потребность оптики и лазерной техники в формировании световых полей с заданным распределением интенсивности вызывает поток исследований и разработок, направленных на получение деталей и систем, формирующих требуемый волновой фронт с ВФ5 излучения в заданной области пространства. Особый интерес поэтому вызывают элементы с переменными по апертуре характеристиками такими, как пропускание и оптическая сфззовая> неоднородность. Для широкого использования такого рода элементов необходимо, чтобы они были технологичны в изготовлении, легко контролируемы, имели высокую повторяемость характеристик, позволяли с их помощью формировать заданные ВФ излучения с высокой точностью.
Анализ литературных и патентных данных показал, что в настоящее время для создания каждого конкретного вида элементов используются свои методы, подходы и технологические приемы, в основе которых лежат самые разнообразные физические принципы. Это обстоятельство нашло отражение в целом ряде работ, направленных на поиск эффективных методов создания оптических элементов.
Основным препятствием широкого использования элементов с асферическими поверхностями, в частности, коррекционых, формирующих, фазовых эталонов волнового фронта и т.д., а также фильтров с переменной плотностью по апертуре является отсутствие эффективной, пригодной для массового выпуска изделий технологии. Появление такой технологии может дать толчок к возникновению оптических систем нового поколения, совершенствованию методов их расчета.
Наиболее распространенным материалом, используемым в оптическом приборостроении, является стекло. Этот материал обладает уникальной совокупностью свойств, определяемой широким спектром входящих в него химических элементов. В частности,
изменяющимися в широких пределах оптическими, спектральными характеристики, термическими, механическими, электрическими и т.д. свойствами. Особенностями стеклообразных материалов является возможность пластической деформации стеклянной заготовки в характерном для данного стекла интервале температур и явление соединения двух стекол различного химического состава при нагревании с образованием однородной границы спекания. Поэтому стекла легко прессуются и мелируются. Изучение процесса спекания и деформации стекол и предварительные исследования оптического качества граничной поверхности спекаемых стекол позволили нам сделать вывод о перспективности использования этих явлений для разработки нового метода создания оптических деталей.
При температуре спекания двух стекол происходит неуправляемая деформация граничной поверхности. Как показали наши исследования, эту неустойчивость границы, спекания, являющуюся отрицательным фактором при изготовлении деталей с оптически точными поверхностями, можно использовать для целенаправленного формообразования граничной поверхности спеченных образцов стекол при изготовлении деталей со сложной заданной конфигурацией граничной поверхности.
Для установления возможности разработки такого метода и определения ооласти его применения необходимо провести комплекс исследований оптических свойств граничной поверхности спекаемых стекол, закономерностей ее формоооразования при целенаправленной деформации, а также всестороннее исследование физических и оптических характеристик лазерных и оптических элементов, разрабатываемых при использовании выявленных закономерностей, условий достижения заданных характеристик, путей их реализации и методов контроля, а также систематическое исследование закономерностей формирования- светового излучения, решение задачи прогнозирования Функциональных свойств, создаваемых элементов, поиска путей выбора их оптимальных параметров.Решению этих вопросов и посвящена диссертационная работа.
цель» работы является разработка нового метода создания оптических и лазерных элементов при использовании технологии спекания и горячего формообразования стекол, применение его для получения нового класса оптических элементов - спекформов, а также выявление закономерностей формирования пространственной структуры
лазерных и световых полей аподизирующими, формирующими и коррекци-онными спекформами.
Для достижения поставленной цели реШЭЛИСЬ СЛЄДУЮЩИ9 ЗЭДаЧИ:
- обоснование возможности применения метода спекания для
создания комбинированных оптических и лазерных элементов;
- разработка методов создания спекформов на основе
использования явления пластической деформации пары стекол, соеди
ненных спеканием;
разработка и выбор пар стекол для спекформов;
разработка и исследование новых оптических и лазерных элементов - спекформов с переменными по апертуре амплитудными и фазовыми характеристиками: аподизирующих диафрагм и оттенителей, формирующих и коррекционных оптических элементов, фазовых пластин;
разработка глатематических и физических моделей формирования излучения спекформами, проведение численных экспериментов и на их основе выбор оптимальной совокупности параметров спекформов-,
выявление закономерностей дифракции лазерного излучения на амплитудно-фазовых спекформах в дальней и ближней зонах, определение влияния их параметров на характеристики световых полей;
разработка программного обеспечения для расчета спекформов и применение этого аппарата при изготовлении опытных образцов спекформов различного функционального назначения;
-разработка методов контроля оптических и физических характеристик элементов, методов и технических средств для экспериментального исследования функциональных свойств полученных спекформов.
Научная новизна
Новизна работы определяется прежде всего тем, что в ней предложено принципиально новое техническое решение задачи создания оптических и лазерных элементов с переменными амплитудными или фазовыми характеристиками по апертуре. Работа является первым всесторонним исследованием, охватывающим комплекс вопросов по спеканию, формообразованию граничной поверхности стекол, решение которых привело к созданию принципиально нового класса оптических и лазерных элементов - спекформов, с одной стороны, а также по разработке методов формирования с их помощью пространственной структуры световых пучков, изучению особенностей работы спекформов в
;лазерных и оптических системах, что продемонстрировало широту во-] зможностей их использования решения различных задач, с другой j стороны.
В Процессе рабОТЫ ПОЛучеНЫ следующие новые результаты.
-
Обоснована применимость метода спекания двух стекол для создания оптических и лазерных элементов с границей спекания, предназначенной для работы как в поле лазерного излучения, так и вне его.
-
Предложен принципиально новый метод создания оптических элементов с несферическими преломляющими поверхностями - метод
I спекания и горячего формообразования стекол (СГФ). ! Впервые сформулирован принцип формообразования граничной поверхности спеченных стекол, заключающийся в целенаправленной деформации заготовки, находящейся при температуре размягчения, внешним прессующим инструментом с рабочими поверхностями, эквидистантными требуемой граничной поверхности. На основе предложенного принципа формообразования граничной поверхности разработаны новые методы макро- и локального прессования.
3. Доказано, что при использовании метода спекания и горяче
го формообразования <СГФ> можно изготавливать фазовые спекформы
различного функционального назначения с широким диапазоном изменя
емой по заданному закону оптической неоднородности.- от долей до
нескольких сотен длин волн и амплитудные с переменной плотностью
по апертуре и перепадом пропускания 10* размерами от 2 до 50 мм.
Впервые получены экспериментальные образцы амплитудных и фазовых спекформов различного функционального назначения: аподизи-рующие диафрагмы, коррекционные асферические элементы, фазовые пластины для формирования контурных изображений геометрических фигур, оттенители, линзовые элементы с компенсацией сферической аберрации.
-
Выработаны как общие, так и специальные требования к парам стекол для спекформов. Предложен метод подбора пар промышленных стекол для спекформов, включающий методики расчета необходимых критериальных характеристик, проведение анализа характеристик стекол по предложенным критериям.
-
Предложен и теоретически обоснован метод измерения разницы показателей преломления спеченных стекол, в том числе, пар
прозрачных и высокопоглощащих.
6. Проведено систематическое расчетно-экспериментальное исследование дифракции лазерного излучения в дальней и ближней зонах на спекформах с различными амплитудными и фазовыми характеристиками. Установлены закономерности влияния параметров алодизируэдих диафрагм на распределение интенсивности излучения в заданной области пространства. Определена совокупность параметров аподизирую-щих диафрагм для формирования излучения с заданной величиной осцилляции в выбранной области пространства.
Новизна предложенных технических решений подтверждена 12 авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность
Выполненные исследования находятся в тесной связи с проблемами, решаемыми в ВНЦ 'ТОЙ им.С.И.Вавилова" и предприятиями отрасли з области создания новых оптических и оптико-электронных приборов л систем. Поэтому материалы диссертации полезны для широкого круга специалистов, занимающихся расчетом, проектированием и изготовле-шви оптических приборов и лазерных систем.
Результаты настоящей работы позволили создать новый, неизвестный ранее, класс оптических элементов, названный спекформами. Эти элементы использовались при разработке и изготовлении ряда оптических приборов и устройств, что позволило существенно длучшить их характеристики.
Автором разработаны методы создания оптических элементов, по-шоляющих формировать заданные как амплитудные, так и фазовые ха-)актеристики светового излучения в широком диапазоне, 'ниверсальность и технологичность этих методов открывает возмож-юсть внедрения спекформов в повседневную практику приборостроители.
Созданные в ходе выполнения работы методики измерения характеристик спекформов и стекол для их изготовления позволили впервые іровести измерения и исследования, которые дали возможность полу-[ить надежные и достоверные данные о функциональных свойствах соз-[анных элементов, позволили выработать технические требования к іарам стекол и техпроцессам получения спекформов.
Результаты проведенных в диссертации исследований определили :ерспективы дальнейшего совершенствования оптических приборов в
7"
плане широкого использования асферических поверхностей для компенсации различных видов аберраций, в том числе, высших порядков.
Разработанные методы прогнозирования раооты амплитудных и фазовых аподизирущих диафрагм в лазерных приоорах и определения оптимальной совокупности их параметров позволили эффективно подавлять дифракционные осцилляции в лазерных устройствах.
ьыполненные разработки внедрены и используются в ряде лабораторных, установок и приооров на предприятиях.
Личный вклад автора В Получение НауЧНЫХ И Практических результатов
состоял в поиске и выборе путей исследований и разраооток, предложении и разработке основных идей, положенных в основу метода СГФ, разработке методик и участии в проведении практически всех экспериментов по исследованию спекформов, в разраоотке лабораторных техпроцессов по созданию спекформов, непосредственом участии в изготовлении опытных образцов спекформов, выработке оощих и специальные требований к стеклам для спекформов и предложении метода подоор< пар промышленных стекол, анализе, сообщении и интерпретации результатов исследований.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
і. Установление возможности и целесообразности применения метода спекания стекол с олизкими значениями вязкостен для изготовления точных оптических деталей, у которых граница спекание находится в поле оптического лазерного излучения.
Показано, что применение принудительного спекания позволяе' повысить оптическое качество поверхностей и использовать его длз изготовления оптических и лазерных деталей.
2. новый метод создания оптических комбинированных элементо: из двух стекол с различными оптическими характеристиками - мето; спекания и горячего формообразования стекол (СГФ).
Впервые сформулирован принцип формообразования граничной поверхности спеченных стекол, заключающийся в целенаправленной деформации заготовки, находящейся при температуре размягчения, внешним прессующим инструментом с рабочими поверхностями, эквидистантными требуемой граничной поверхности. На основе предложенного принципа формообразования граничной поверхности разработаны новые ме-
зды макро- и локального прессования, положенные в основу заработанных лабораторных техпроцессов.
3. Новый класс оптических элементов - спекформов, представляю
ся собой комбинированный элемент с плавной границей соединения
з ух стекол с различными оптическими свойствами и с амплитудными и
ізовьми характеристиками, изменяющимися по заданному закону по
іертуре.
Созданы спекформы различного функционального назначения для гтических и лазерных устройств: аподизирующие диафрагмы, оттепели, формирователи волнового фронта лазерного излучения, фокуса->ры, коррекционные и линзовые элементы.
4. Общие и специальные требования к парам стекол для спекфор-
>в. Метод подбора пар промышленных стекол при использовании данных
)СТа, включающий методику расчета необходимых критериальных харак-
>ристик, проведение анализа характеристик стекол по предложенным
мтериям.
Метод подтвержден экспериментально при создании коррекционных іементов для ряда оптических устройств. Подобраны перспективные ірьі промышленных стекол для изготовления спекформов.
5. Новый метод измерения разницы показателей преломления
:еченных высокопоглощаодих и прозрачных стекол, позволяющий решать
дачу точного согласования пар стекол для обеспечения заданных
зовых характеристик спекформов.
Метод подтвержден экспериментально при разработке пар стекол я амплитудных фильтров - аподизирувдих диафрагм и оттенителей. тод положен в основу измерения угловых характеристик фазовых екформов.
руктура и объем работы. Диссертация СОСТОИТ ИЗ ВВЄД9НИЯ, ИЄСТИ
ав, заключения и приложения. Материалы изложены на 404 страницах, лючая 92 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 286 наименования 27 страницах и приложение на 12 страницах.
