Аннотации (03.2023) : Сопоставительный анализ оценок дифракционной эффективности двухрельефных микроструктур видимого и двойного инфракрасного диапазонов в рамках скалярной и строгой теорий дифракции

Сопоставительный анализ оценок дифракционной эффективности двухрельефных микроструктур видимого и двойного инфракрасного диапазонов в рамках скалярной и строгой теорий дифракции

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-03-26-37

УДК 535.016

Григорий Исаевич Грейсух¹^*, Евгений Григорьевич Ежов², Артем Иванович Антонов³, Виктор Анатольевич Данилов⁴, Борис Александрович Усиевич⁵

^{1, 2, 3}Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия

⁴Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук, Москва, Россия

⁵Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия

¹grey@pguas.ru https://orcid.org/0000-0003-4339-9245

²1@omegais.co https://orcid.org/0000-0001-9281-5394

³gromlord@yandex.ru https://orcid.org/0000-0003-1532-2750

⁴viktordanilov@bk.ru https://orcid.org/0000-0002-1766-5223

⁵borisu7@gmail.com https://orcid.org/0000-0001-5071-3058

Адрес для переписки: Грейсух Григорий Исаевич subscribing_2002@mail.ru

Аннотация

Предмет исследования. Дифракционная эффективность двухслойных дифракционных микроструктур с двумя пилообразными внутренними рельефами. Цель работы. Оценка степени достоверности результатов, получаемых в скалярном приближении, но с учетом реальных глубин двух пилообразных рельефов, методом эффективной области при компоновке и расчете микроструктур, предназначенных для работы в двойном инфракрасном диапазоне, включающем средний и дальний поддиапазоны инфракрасного излучения (3,4–11,4 мкм). Это относится к подбору оптимальных пар оптических материалов, к оценкам оптимальных глубин рельефов и достижимой дифракционной эффективности в пределах заданного интервала углов падения излучения на микроструктуру при выбранном относительном пространственном периоде микроструктуры. Метод. Комбинированное математическое моделирование в рамках скалярной и строгой теорий дифракции. Основные результаты. Показано, что в двойном инфракрасном диапазоне дополнительная электромагнитная оптимизация может дать результаты, значимо отличающиеся от результатов, полученных методом эффективной области, только при суммарной глубине рельефов, более чем на порядок превышающей максимальную длину волны рабочего спектрального диапазона. Практическая значимость. Представленные результаты открывают возможность значительного сокращения трудозатрат при проектировании рефракционнно-дифракционных объективов двойного инфракрасного диапазона.

Ключевые слова: двухслойная дифракционная микроструктура, дифракционная эффективность, скалярная и строгая теории дифракции, двойной инфракрасный диапазон

Благодарность: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00081).

Ссылка для цитирования: Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Антонов А.И., Данилов В.А., Усиевич Б.А. Сопоставительный анализ оценок дифракционной эффективности двухрельефных микроструктур видимого и двойного инфракрасного диапазонов в рамках скалярной и строгой теорий дифракции // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 3. С. 26–37. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-26-37

Код OCIS: 050.0050

Comparative analysis estimates for two-relief microstructures diffraction efficiency in the visible and dual infrared ranges in the framework of scalar and rigorous diffraction theories

Grigoriy I. Greisukh¹^*, Evgeniy G. Ezhov², Artem I. Antonov³, Victor A. Danilov⁴, Boris A. Usievich⁵

^{1, 2, 3}Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia

⁴Scientific and Technological Center for Unique Instrumentation, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

⁵A.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

¹grey@pguas.ru https://orcid.org/0000-0003-4339-9245

²1@omegais.co https://orcid.org/0000-0001-9281-5394

³gromlord@yandex.ru https://orcid.org/0000-0003-1532-2750

⁴viktordanilov@bk.ru https://orcid.org/0000-0002-1766-5223

⁵borisu7@gmail.com https://orcid.org/0000-0001-5071-3058

Corresponding author: subscribing_2002@mail.ru

Abstract

Subject of study. Diffraction efficiency of two-layer diffractive microstructures with two sawtooth internal reliefs. Aim of study. Assess the reliability of the results degree obtained in the scalar approximation, but taking into account the real depths of two sawtooth reliefs (by the effective area method), when arranging and calculating microstructures intended for operation in the dual infrared range, including the middle and far infrared radiation subranges (3,4–11,4 µm). This applies to the selection of the optical materials optimal pairs, to the estimation of the relief optimal depths, and to the achievable diffraction efficiency the estimation within angles given range of incidence of radiation on the microstructure for a chosen relative spatial period of the microstructure. Method. Combined mathematical modeling within the framework of scalar and rigorous diffraction theories. Main results. It is shown that in the dual infrared range, additional electromagnetic optimization can give results that differ significantly from the results obtained by the effective area method only if the total depth of the reliefs exceeds the average wavelength of the working spectral range by more than an order of magnitude. Practical significance. The presented results open up the possibility of a significant reduction in labor costs in the refractive-diffractive dual infrared lenses design.

Keywords: two-layer diffractive microstructure, diffraction efficiency, scalar and rigorous diffraction theories, dual infrared range

Acknowledgment: the study was supported by a grant from the Russian Science Foundation (Project № 20-19-00081).

For citation: Greisukh G.I., Ezhov E.G., Antonov A.I., Danilov V.A., Usievich B.A. Comparative analysis estimates for two-relief microstructures diffraction efficiency in the visible and dual infrared ranges in the framework of scalar and rigorous diffraction theories [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 3. P. 26–37. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-26-37

OCIS сode: 050.0050

Список источников

1. Бобров С.Т., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г. Оптика дифракционных элементов и систем. Л.: Машиностроение, 1986. 223 с.

2. Greisukh G.I., Bobrov S.T., Stepanov S.A. Optics of diffractive and gradient-index elements and systems. Bellingham: SPIE Press, 1997. 414 p.

3. Arieli Y., Ozeri S., Eisenberg N. Design of a diffractive optical element for wide spectral bandwidth // Opt. Lett. 1998. V. 23. № 11. P. 823–824.

4. Лукин А.В. Голограммные оптические элементы // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 80–87.

5. Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Степанов С.А. Выбор материалов для «ахроматизации» рельефно-фазовых дифракционных структур // Компьютерная оптика. 2008. Т. 32. № 1. С. 43–46.

6. Zhao Y.H., Fan C.J., Ying C.F., Liu S.H. The investigation of triple-layer diffraction optical element with wide field of view and high diffraction efficiency // Opt. Com. 2013. V. 295. P. 104–107. http://doi.org/10.1016/j.optcom.2013.01.009

7. Грейсух Г.И., Данилов В.А., Ежов Е.Г., Степанов С.А., Усиевич Б.А. Спектральная и угловая зависимости эффективности рельефно-фазовых дифракционных линз с двух- и трехслойной микроструктурами // Опт. и спектр. 2015. Т. 118. № 6. C. 997–1004. http://doi.org/10.7868/S0030403415060094

8. Грейсух Г.И., Данилов В.А., Ежов Е.Г., Степанов С.А., Усиевич Б.А. Спектральная и угловая зависимости эффективности дифракционных линз с двухрельефной и двухслойной микроструктурой // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 5. C. 56–61.

9. Грейсух Г.И., Данилов В.А., Степанов С.А., Антонов А.И., Усиевич Б.А. Спектральная и угловая зависимость эффективности трехслойных рельефно-фазовых дифракционных элементов ИК диапазона // Опт. и спектр. 2018. Т. 125. № 1. C. 57–61. http://doi.org/10.21883/OS.2018.07.46267.57-18

10. Greisukh G.I., Danilov V.A., Ezhov E.G., Kazin S.V., Usievich B.A. Highly efficient double-layer diffraction microstructures based on new plastics and molded glasses // Photonics. 2021. V. 8. № 8. P. 327. https://doi.org/10.3390/photonics8080327

11. Yang H., Xue C., Li C., Wang J., Zhang R. Diffraction efficiency sensitivity to oblique incident angle for multilayer diffractive optical elements // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 25. P. 7126–7133. https://doi.org/10.1364/AO.55.007126

12. Yang C., Yang H., Li C., Xue C. Optimization and analysis of infrared multilayer diffractive optical elements with finite feature sizes // Appl. Opt. 2019. V. 58. P. 2589–2595. https://doi.org/10.1364/AO.58.002589

13. Moharam M.G., Gaylord T.K. Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings // JOSA. 1982. V. 72. № 10. P. 1385–1392.

14. Greisukh G.I., Danilov V.A., Ezhov E.G., Stepanov S.A., Usievich B.A. Comparison of electromagnetic and scalar methods for evaluation of efficiency of diffractive lenses for wide spectral bandwidth // Opt. Com. 2015. V. 338. P. 54–57. https://doi.org/10.1016/J.OPTCOM.2014.10.037

15. Антонов А.И., Грейсух Г.И., Казин С.В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022681578 (2022).

16. Lyndin N.M. Modal and C Methods Grating Design [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mcgrating.com (дата обращения 09.10.2022).

17. ZEMAX [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.zemax.com/products/opticstudio (дата обращения 09.10.2022).

18. Mitsubishi Gas Chemical. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mgc.co.jp/eng/products/kc/iupizeta_ep.html (дата обращения 09.10.2022).

19. Zhang Bo, Qingfeng Cui, Mingxu Piao. Design of dual-band infrared lens with multilayer diffractive optical element // Proc. SPIE 11337. AOPC 2019: Optical Spectroscopy and Imaging. 2019. 113370R. https://doi.org/10.1364/AO.58.002058

20. Zhang Bo, Qingfeng Cui, Mingxu Piao, Yang Hu. Design of dual-band infrared zoom lens with multilayer diffractive optical elements // Appl. Opt. 2019. V. 58. № 8. P. 2058–2067. https://doi.org/10.1364/AO.58.002058

21. Грейсух Г.И., Данилов В.А., Ежов Е.Г., Антонов А.И., Усиевич Б.А. Дифракционные элементы в оптических системах среднего и двойного ИК-диапазона // Фотоника. 2020. Т. 14. № 2. С. 160–169. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.160.169

22. Грейсух Г.И., Левин И.А., Казин С.В. Активная атермализация двухдиапазонных ИК-вариообъективов // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44. № 6. С. 931–936. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-775

References

1. Bobrov S.T., Greisukh G.I., Turkevich Yu.G. Optics of diffractive elements and systems [in Russian]. Leningrad: Mashinostroenie Publisher, 1986. 223 p.

2. Greisukh G.I., Bobrov S.T., Stepanov SA. Optics of diffractive elements and systems. Bellingham: SPIE Press, 1997. 414 p.

3. Arieli Y., Ozeri S., Eisenberg N. Design of a diffractive optical element for wide spectral bandwidth // Opt. Lett. 1998. V. 23. № 11. P. 823–824.

4. Lukin A.V. Holographic optical elements // J. Opt. Technol. 2007. V. 74. № 1. P. 65–70.

5. Greisukh G.I., Ezhov E.G., Stepanov S.A. Select of materials for “achromatization” of the phase-relief diffractive structures [in Russian] // Computer Optics. 2008. V. 32(1). P. 43–46.

7. Greisukh G.I., Danilov V.A., Ezhov E.G., Stepanov S.A., Usievich B.A. Spectral and angular dependences of the efficiency of relief-phase diffractive lenses with two- and three-layer microstructures // Optics and Spectroscopy. 2015. V. 118. № 6. P. 964–970. http://doi.org/10.1134/S0030400X15060090

8. Greisukh G.I., Danilov V.A., Ezhov E.G., Stepanov S.A., Usievich B.A. Spectral and angular dependences of the efficiency of diffraction lenses with a dual-relief and two-layer microstructure // J. Opt. Technol. 2015. V. 82. № 5. P. 308–311. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000308

9. Greisukh G.I., Danilov V.A., Stepanov S.A., Antonov A.I., Usievich B.A. Spectral and angular dependences of the efficiency of three-layer relief-phase diffraction elements of the IR range // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 125. № 1. P. 60–64. https://doi.org/10.1134/S0030400X18070123

13. Moharam M.G., Gaylord T.K. Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings // JOSA. 1982. V. 72. № 10. P. 1385–1392.

15. Antonov A.I., Greisukh G.I., Kazin S.V. Certificate of state registration of the computer program № 2022681578 (2022). [in Russian].

16. Lyndin N.M. Modal and C Methods Grating Design. Available online: http://www.mcgrating.com (accessed on 09 October 2022).

17. Zemax Source. Available online: http://www.zemax.com/pages/opticstudio/ (accessed on 28 June 2022).

18. Mitsubishi Gas Chemical. Available online: http://www.mgc.co.jp/eng/products/kc/iupizeta_ep.html (accessed on 09 October 2022)

21. Greisukh G.I., Danilov V.A., Ezhov E.G., Antonov A.I., Usievich B.A. Diffractive elements in optical systems of middle and double IR range // Photonics Russia. 2020. V. 14. № 2. P. 160–169. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.160.169

22. Greisukh G.I., Levin I.A., Kasin S.V. Active athermalization of dual-infrared zoom lenses // Computer Optics. 2020. V. 44(6). Р. 931–936. https://doi.org/10.18287/2412-6179CO-775

23. Laborde V., Loicq J., Habraken S., Kershen G. Making compact and innovative dual-band thermal imagers using hybrid optical element // Proc. SPIE 11852. Internat. Conf. Space Optics — ICSO 2020. 2020. 118522E. https://doi.org/10.1117/12.2599377