Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Факультет прикладной математики и механики

Кафедра общей физики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: "Прикладная голография"

на тему: "Постановка лабораторной работы в рамках курса прикладной голографии"

Выполнили: Залазаев А.Д., Кокорышкин А.М.

Руководитель: А.В. Перминов

Пермь - 2013 г.

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Технология изготовления дифракционных решеток
• 1.1 Голографическая методика для изготовления дифракционных решеток
• 1.2 Голографическая методика по Ю.Н. Денисюку
• 1.3 Технологические этапы изготовления коммерческих образцов голографических дифракционных решёток
• Глава 2. Создание голограммной дифракционной решетки
• 2.1 Методическое пособие по созданию голограммных дифракционных решеток
• 2.2 Измерение периода дифракционной решетки
• 2.3 Экспериментальное задание
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение
• В научно-исследовательских институтах и научно-производственных объединениях возникло немало лабораторий, призванных распространять уже известные и разрабатывать новые голографические методы для различных областей науки и техники. Возможности практического применения уже расширились настолько, что голография затронула и космические исследования, продемонстрировав целый ряд преимуществ голографических методов над традиционными.
• Ключевые слова: ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА, ГОЛОГРАФИЯ, ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРИОДА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ.
• Нам предстояла задача по созданию лабораторной работы в рамках курса прикладной голографии на имеющейся технической базе кафедры общей физики. В процессе работы было решено поставить эксперимент по описыванию дифракционных решеток. Во-первых, это может использоваться для создания новых дифракционных решеток в замену старым или сломанным, и, во-вторых, описать и поставить новый опыт для обучения последующих студентов.
• Глава 1. Технология изготовления дифракционных решеток

1.1 Голографическая методика для изготовления дифракционных решеток

Создание голограммных дифракционных решеток непосредственно связано с именем Ю.Н. Денисюка. Он уже в своих первых работах по голографии отмечал перспективность использования голографической методики для изготовления таких решеток.

Голографический способ изготовления дифракционных решеток при сравнении с механическим способом их нарезки не только существенно снижает трудоемкость самого процесса, но также заметно улучшает их оптические характеристики (уменьшает светорассеяние, исключает появление ложных линий в спектре, повышает разрешение). Это связано с тем, что процесс получения голограммных решеток осуществляется в интерферометре, где формируются световые пучки от когерентного источника излучения. Эти пучки, интерферируя, создают на поверхности получаемой решетки практически бездефектную структуру штрихов, с формой профиля близкой к синусоиде. Поэтому, в отличие от нарезных решеток, голограммные решетки характеризуются низким уровнем рассеянного света, отсутствием в спектре ложных линий, высоким разрешением. Для создания техпроцесса изготовления голограммных дифракционных решеток необходимо специальное интерферометрическое оборудование и высококогерентные источники излучения, а также особые светочувствительные материалы.

1.2 Голографическая методика по Ю.Н. Денисюку

Особое внимание было уделено поиску и разработке новых светочувствительных материалов. Для получения голограммных дифракционных решеток требуются материалы, способные после регистрации интерференционной структуры и последующей обработки материала создавать рельефное изображение зарегистрированной структуры. В наибольшей степени этому требованию удовлетворяли органические фоторезисты, которые использовались в фотолитографии и микроэлектронной промышленности. Были опробованы различные типы органических фоторезистов. Однако эти фоторезисты характеризовались очень низкой светочувствительностью в видимой области спектра. Привлеченные к этой проблеме специалисты из НИОПИК создали по ТЗ лаборатории Ю.Н. Денисюка фоторезист, чувствительный к излучению лазера в синей области спектра. На этом фоторезисте были изготовлены первые промышленные образцы голограммных дифракционных решеток, которые нашли применение в различных спектральных приборах.

Дальнейшее развитие техпроцесса изготовления дифракционных решеток голографическим способом стало возможным при использовании в качестве светочувствительного материала неорганического фоторезиста на основе халькогенидных стекол. Их основное преимущество при сравнении с органическим фоторезистом в том, что светочувствительные пленки неорганического фоторезиста наносятся на подложки решеток методом термического испарения стекла в вакууме. Этот метод существенно упрощает процесс получения качественных пленок с минимальным количеством дефектов и позволяет получать светочувствительные слои на подложках с любой формой и кривизной поверхности. Совместно со специалистами из НИХИ ЛГУ создан состав неорганического фоторезиста и разработан техпроцесс получения голограммных дифракционных решеток на этом фоторезисте.

С 90-х годов работа по усовершенствованию технологии изготовления решеток была продолжена на научно-производственном предприятии ХолоГрэйт, созданным при прямом участии сотрудников лаборатории Ю.Н. Денисюка. На этом предприятии доработан состав материала и создано всё необходимое оборудование для производства различных типов голограммных дифракционных решеток.

Основные типы голограммных дифракционных решеток, которые производятся в настоящее время на предприятии:

- плоские, вогнутые и выпуклые отражательные решётки с постоянным шагом штрихов;

- вогнутые решётки с коррекцией аберраций;

- решётки для лазеров, в том числе для компрессии лазерных импульсов;

- меры малой длины для метрологических измерений;

- дифракционные оптические элементы.

Ниже перечислены основные параметры изготовляемых решеток:

- размер заштрихованной поверхности до 380 Ч 220 ммІ;

- частота штрихов от 100 л/мм до 3600 л/мм;

- относительное отверстие для вогнутых решёток с постоянным шагом штрихов до 1:1;

- относительное отверстие для вогнутых решёток с коррекцией аберраций до 1:2,5;

- спектральный диапазон от 1 нм до 7000 нм;

- разрешающая способность по отношению к теоретическому значению не менее 0,9;

- дифракционная эффективность эффективность на длине волны блеска для неполяризованного излучения более 70 %;

- дифракционная эффективность на длине волны блеска для поляризованного излучения более 90 %;

- относительная интенсивность рассеянного света на расстоянии 1 нм от спектральной линии менее 5 Ч 10^-7.

В последнее время широкое распространение получили голограммные дифракционные решетки для систем формирования и компрессии лазерных импульсов в ИК диапазоне спектра. К этим решеткам предъявляются повышенные требования, как к дифракционной эффективности, так и к лучевой стойкости. Высокий коэффициент отражения и лучевая стойкость решетки обеспечивается при использовании отражающего покрытия из золота. Наиболее высокие значения достигаются при использовании метода нанесении золотого покрытия с более плотной упаковкой атомов металла. Этот метод успешно использовался для получения дифракционных решеток размером до 380 Ч 240 мм с эффективностью более 90 % и стойких к импульсному излучению лазера с плотностью энергии не менее 1 дж/смІ при длительности импульса 1 нс.

Дальнейшее увеличение лучевой стойкости решеток представляется возможным при использовании многослойных диэлектрических покрытий, стойких к лазерному излучению по аналогии с диэлектрическими зеркалами. Исследования, которые были проведены в этом направлении, показали перспективность данного выбора, и на изготовленных экспериментальных образцах многослойных диэлектрических решеток достигнута лучевая стойкость не менее 5 дж/смІ.

Инициированное и развитое под руководством Ю.Н. Денисюка направление по созданию голограммных дифракционных решеток создало все предпосылки для того, чтобы наши отечественные разработки были на передовых позициях в мире и это, несомненно, является его заслугой.

1.3 Технологические этапы изготовления коммерческих образцов голографических дифракционных решёток

В настоящее время способы записи дифракционных решеток содержатся в секрете, защищены патентами. Крайне сложно найти нужную информацию, не являясь сотрудником того или иного научного центра. Рассмотрим на примере компании "ХолоГрэйт" этапы создания различных голографических дифракционных решеток.

1. Изготовление стеклянной подложки и полировка её рабочей поверхности с плоскостностью л/10. При изготовлении подложки, чтобы обеспечить необходимый уровень её статичности во время последующей записи интерференционной картины, применяется соотношение, связывающее толщину подложки a и её длину b: a/b ? 1/7.

2. Нанесение в вакуумной камере неорганического фоторезистивного слоя на рабочую поверхность подложки. Такой способ нанесения фоторезиста позволяет осуществлять изготовление дифракционных решёток не только с плоской, но и с вогнутой и выпуклой рабочими поверхностями.

3. Экспонирование в схеме голограммного интерферометра подложки с нанесённым на неё фоторезистом. При этом на фоточувствительном слое регистрируется интерференционная картина от двух лазерных пучков. Частота интерференционной картины определяет частоту дифракционной решётки и зависит от угла между пучками. Для случая, показанного на рисунке, период решётки определяется формулой:

d=л/2sinб.

4. Обработка фоторезистивного слоя в жидком травителе до получения рельефа заданной глубины. Глубина рельефа определяется с помощью программы PC-Grate, исходя из оптимизации эффективности дифракционной решётки для заданного спектрального диапазона.

5. Вакуумное нанесение отражающего металлического покрытия.

6. Контрольное измерение эффективности изготовленной дифракционной решётки в схеме с эталонным зеркалом.

7. Подготовка паспорта на аттестованную дифракционную решётку. Таким образом, описанный технологический процесс и оборудование, использующееся при его проведении, позволяют изготавливать голографические дифракционные решётки следующих типов и размеров:

· Плоские дифракционные решётки;

· Выпуклые дифракционные решётки;

· Вогнутые дифракционные решётки I-IV типов, в том числе с коррекцией аберраций в плоском поле;

· Дифракционные решётки для лазеров, в том числе для компрессии лазерных импульсов;

· Дифракционные оптические элементы;

Меры малой длины для аттестации измерительных приборов.

Размер:

· до 200x400 м мІ для плоских решёток;

· диаметр до 200мм для вогнутых решёток I типа с относительным отверстием до 1:1 и для вогнутых решёток II-IV типов с относительным отверстием до 1:2,5. голографическая дифракционная решетка изготовление

Спектральные характеристики некоторых из описанных решеток в зависимости от частоты штрихов приведены на рис. 1.

Рис 1. Дифракционная эффективность для естественного света

Максимальная эффективность решетки для естественного света находится в области, где отношение длины волны падающего на решетку излучения к её периоду близко к 1. При таком отношении эффективность дифракционной решетки заметно зависит от поляризации падающего излучения и может достигать своего максимального значения более 90 %. В качестве примера на рисунке 2 приведены спектральные зависимости коэффициента отражения решетки 1200 л/мм для Е-и Н-поляризованного излучения. Из рисунка видно, что для Н- поляризованного излучения максимальный коэффициент отражения решетки находится в более длинноволновой части спектра.

Рис 2. Коэффициент отражения для поляризованного света

Глава 2. Создание голограммной дифракционной решетки

2.1 Методическое пособие по созданию голограммных дифракционных решеток

Цели и задачи: создание голограммной дифракционной решетки.

Приборы и материалы: He-Ne красный газовый лазер, оптическая плита, автомобильная камера, светозащитный кожух, фонарь с зелеными светофильтрами, светоделительная пластина 50:50, сферическая линза (2 шт.), плоское зеркало, держатель фотопленки, пинцет, проявитель, закрепитель, осветлитель, дистиллированная вода.

Рис. 2. Схема: 1 - красный He-Ne лазер, 2 - светоделительная пластинка, 3 - зеркало, 4 - линзы, 5 - регистрирующая среда

Рис. 3. Фотография схемы

Рис. 4. Используемый лазер, длина волны 633нм

Собрать схему согласно рис. 1, закрыть кожух, в полной темноте на открытой диафрагме выдержать экспозицию 5 сек. Далее следует погрузить пленку в проявитель на 20 секунд, прополоскать в дистиллированной воде, погрузить в закрепитель на 1.5 минуты, прополоскать. При необходимости воспользоваться осветлителем. Высушить кадр.

2.2 Измерение периода дифракционной решетки

Учебники:

1. Ю.Н. Денисюк // Принципы голографии. - 1979.

Пресса:

2. Беренберг В.А., Н.Л. Иванова и др. Прямая запись тонких динамических дифракционных решеток в оптически адресуемых пространственных модуляторах света с дифракционной эффективностью более 50 % // Журнал технической физики. - 2008. - № 4. - С. 99-102.

3. Г. Колфилд // Оптическая голография. - 1982. - С. 4-6.

Интернет:

4. http://holograte.com/produktyi/golograficheskie-difrakczionnyie-resheniya/individualnyie-difrakczionnyie-reshetki.html.

5. http://3d-holography.ru/yu.n.denisyuk_i_difrakci.

6. http://www.freepatent.ru/patents/2199769.

7. http://opticjourn.ifmo.ru/file/article/9695.pdf.

Размещено на Allbest.ru