Новые принципы формирования штриховых структур светосильных неклассических нарезных тороидальных дифракционных решёток с применением делительных машин маятникового типа

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Мельников А.Н. Новые принципы формирования штриховых структур светосильных неклассических нарезных тороидальных дифракционных решёток с применением делительных машин маятникового типа // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 95–105. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-95-105

Melnikov A.N. New principles of shaping groove structures of high-aperture non-classical ruled toroidal diffraction gratings using pendulum-type ruling engines [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 10. P. 95–105. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-95-105

Ссылка на англоязычную версию:

A. N. Melnikov, "New principles of shaping groove structures of high-aperture non-classical ruled toroidal diffraction gratings using pendulum-type ruling engines," Journal of Optical Technology. 89(10), 626-632 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000626

Аннотация:

Предмет исследования. Приведены возможности увеличения диапазона значений оптических параметров изготавливаемых светосильных неклассических нарезных тороидальных дифракционных решёток и новые математические соотношения для описания уравнений криволинейных проекций штрихов, законов изменения радиуса кривизны ближайшей вершинной окружности и переменного шага для этих проекций штрихов. Цель работы — усовершенствование принципов построения делительных машин маятникового типа, обеспечивающих реализацию нового способа изготовления светосильных неклассических нарезных вогнутых тороидальных дифракционных решёток, и вывод аналитических выражений для определения геометрических параметров криволинейных проекций штрихов этих решёток. Метод исследования основан на применении теории конструирования точных механизмов, аналитической геометрии и математического анализа. Основные результаты. Показано, что решение актуальной проблемы увеличения габаритов, относительного отверстия, соотношения между собой радиусов кривизны в меридиональном и сагиттальном сечениях светосильных неклассических нарезных тороидальных дифракционных решёток с учётом оптимизации их аберраций возможно за счёт применения делительных машин маятникового типа, в основные принципы построения которых, в отличие от известных, должно быть положено обеспечение перекрещивания между собой осей поворота резцовой и делительной кареток и настройка размерных цепей конструктивных параметров резцовой и делительной кареток в соответствии с заданными значениями радиусов кривизны в меридиональном и сагиттальном сечениях вогнутых тороидальных дифракционных решёток. Установлено, что система криволинейных проекций штрихов с учётом, что режущая кромка лезвия алмазного резца должна соприкасаться с вогнутой тороидальной поверхностью подложки всегда по нормали к ней во всех её точках при нарезке всех штрихов, описывается системой кривых 2-го порядка — уравнениями эллипса. При этом координаты центров эллипсов с ростом значения дискретного угла, под которым нарезаются штрихи, постепенно смещаются в меридиональном сечении от начала координат (вершины решётки) в направлении к краевой световой зоне на величину, прямо пропорциональную синусу этого дискретного угла и разности между радиусами кривизны в меридиональном и сагиттальном сечениях. Радиусы кривизны ближайших вершинных окружностей проекций штрихов являются переменными параметрами, прямо пропорциональными произведению значений радиусов кривизны в меридиональном и сагиттальном сечениях решётки и обратно пропорциональными переменному значению заданной координаты. Переменный шаг проекций штрихов на заданную плоскость есть функция, зависящая в первом приближении от значения начального периода штрихов в вершине решётки, квадрата переменного значения заданной координаты и обратно пропорциональная квадратузначения радиуса кривизны в меридиональном сечении решётки. Практическая значимость. Предложенные принципы формирования штриховых структур нарезных тороидальных дифракционных решёток на базе делительных машин маятникового типа открывают возможность изготовления этих решёток с предельно высокими значениями относительного отверстия и световых размеров, а также с увеличенным диапазоном соотношений их радиусов кривизны в меридиональном и сагиттальном сечениях для создания новых перспективных спектральных приборов, причём полученные аналитические выражения, описывающие геометрические параметры криволинейных проекций штрихов, позволят обеспечить коррекцию аберраций 1–3-го порядков решёток рассмотренного типа.

Ключевые слова:

нарезная дифракционная решётка, тороидальная дифракционная решётка, неклассическая дифракционная решётка, светосильная вогнутая дифракционная решётка, геометрические параметры проекций штрихов, делительная машина маятникового типа

Коды OCIS: 230.1950, 300.6190, 120.4610, 220.4000, 120.4570, 220.1000, 220.1010

Список источников:

1. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
2. Павлычева Н.К. Дифракционные решетки для спектральных приборов. Обзор // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 3. С. 28–41. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-03-28-41 Pavlycheva N.K. Diffraction gratings for spectral devices [Review] // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. No. 3. P. 142–150. https://doi.org/ 10.1364/JOT.89.000142
3. Lepere D. Monochromateur a simple rotation du reseau, a reseau holographque sur support torique par l’ultraviolet lointain // Nouv. Rev. Opt. 1975. V. 6. P. 173–178.
4. Бажанов Ю.В. Геометрические параметры вогнутых нарезных и голограммных дифракционных решеток с неравноотстоящими штрихами // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 5. С. 31–34. Bazhanov Yu.V. Geometrical parameters of concave ruled and holographic diffraction gratings with unequally spaced lines // Journal of Optical Technology. 2003. V. 70. No. 5. P. 328–331. https://doi.org/10.1364/JOT.70.000328

5. Электронный ресурс URL: http://shvabe.com/about/company/ gosudarstvennyyinstitutprikladnoyoptiki/produktsiyagipo/opticheskie-materialy (Холдинг АО «Швабе» / Каталог оптической компонентной базы АО «НПО ГИПО»).
6. Электронный ресурс URL: http://www.horiba.com/scientific/products/ diffraction-gratings/ (Каталог продукции корпорации «HORIBA Jobin Yvon Ltd.»).
7. Электронный ресурс URL: https://www.shimadzu.com/opt/products/dif/ (Каталог продукции «Shimadzu Corporation»).
8. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А. Дифракционные решетки // Современные тенденции в технике спектроскопии / Под ред. Раутиан С.Г. Новосибирск: Наука, 1982. С. 24–94.
9. Лукин А.В., Мельников А.Н. Делительная машина маятникового типа для изготовления штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях // Патент РФ № 2691821. 2019.
10. Melnikov A., Lukin A. New technical solutions in the production method of high-aperture ruled diffraction gratings // The European Physical Journal Web of Conferences. 2019. V. 215. 09003. / Электронный ресурс URL: https://doi.org/10.1051/epjconf/201921509003
11. Мельников А.Н. Технологии формообразования светосильных дифракционных оптических элементов на основе использования делительной техники маятникового типа // Фотоника. 2019. Т. 13. № 5. С. 468–475. http://doi.org/ 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.5.468.475 Melnikov A.N. High-aperture diffraction optical element shaping techniques based on the use of pendulumtype ruling engines // Photonics Russia. 2019. V. 13. No. 5. P. 468–475. http://doi.org/ 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.5.468.475
12. Мельников А.Н. Делительная машина маятникового типа для изготовления штриховых структур на вогнутых поверхностях // Патент РФ № 2725324. 2020.
13. Бажанов Ю.В., Лукин А.В., Мельников А.Н. Новые возможности получения неклассических нарезных дифракционных решеток большой апертуры // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. С. 44–51. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2021-88-09-44-51. Bazhanov Yu.V., Lukin A.V., Mel’nikov A.N. Potential approaches for fabricating non-classical ruled diffraction gratings with large apertures // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. No. 9. P. 514–519. https://doi.org/ 10.1364/JOT.88.000514
14. Бородин В.М., Карпов А.И., Кренев В.А., Лукин А.В., Мельников А.Н. Исследование динамики резцовой каретки делительной машины маятникового типа // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2003. № 3. С. 11–16.
15. Мельников А.Н. Делительная машина маятникового типа для механического формообразования периодических штриховых структур // Автореф. канд. дис. Казань: Казан. гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева, 2005. 15 с.
16. Лукин А.В., Мельников А.Н., Мирумянц С.О. Делительная машина маятникового типа для изготовления нарезных периодических рельефно-фазовых структур // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 44–49. Lukin A.V., Mel'nikov A.N., Mirumyants S.O. Pendulum-type ruling engine for fabricating ruled periodic relief-phase structures // Journal of Optical Technology. 2007. V. 74. No. 1. P. 34–38. https://doi.org/10.1364/JOT.74.000034
17. Беляков Ю.М, Лукин А.В., Мельников А.Н. Устойчивость функционирования делительной машины маятникового типа к воздействию внешних факторов // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 3. С. 23–28. Belyakov Yu.M., Lukin A.V., Mel’nikov A.N. Functioning stability of a pendulum-type ruling engine against the action of external factors // Journal of Optical Technology. 2007. V. 74. No. 3. P. 168–172. https://doi.org/ 10.1364/JOT.74.000168
18. Шполянский В.А., Курицкий А.М. Спусковые регуляторы приборов времени. М.: Машгиз, 1963. 464 с.
19. Первицкий Ю.Д. Расчет и конструирование точных механизмов. М.–Л.: Машиностроение, 1965. 548 с.
20. Электронный ресурс URL: https://www.physikinstrumente.com (Каталог продукции компании «Physik Instrumente (PI) GmbH & Co KG»).
21. Конструирование приборов: В 2 кн. Кн. 2 / Под ред. Краузе В. М.: Машиностроение, 1987. 376 с.
22. Ахметов М.М., Белозёров А.Ф., Балоев В.А., Белокопытов А.А., Гайнутдинов И.С., Иванов В.П., Лукин А.В., Мельников А.Н., Могилюк И.А. Научно-производственный комплекс серийной прецизи-онной репликации элементов асферической и дифракционной оптики // Контенант. 2016. Т. 15. № 3. С. 39–42.
23. Лукин А.В., Мельников А.Н. Прецизионное реплицирование всех видов оптических поверхностей — научно-технологическая основа кардинальных преобразований в современном оптическом производстве // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 42–50. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-10-42-50
24. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. и др. Справочник технолога-оптика / Под ред. Окатова М.А. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.