en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-03-28-41
УДК: 681.785.55
Дифракционные решетки для спектральных приборов. Обзор
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
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] [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 3. P. 28–41. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-03-28-41
Nadezhda Konstantinovna Pavlycheva, "Diffraction gratings for spectral devices [Review]," Journal of Optical Technology. 89(3), 142-150 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000142
Предмет исследования. Обзор предназначен для ознакомления с различными типами дифракционных решеток и технологиями их изготовления. Метод. Информационный поиск по теме, систематизация и анализ. Основные результаты. Кратко рассмотрены области применения и классификация спектральных приборов, показано разнообразие задач, решаемых с помощью спектральных приборов, приводящее и к разнообразию требований к дифракционным решеткам. Приведены основные характеристики дифракционных решеток, применяемых в спектральных приборах, обозначены этапы их совершенствования. Рассмотрены классические отражательные дифракционные решетки — плоские (профилированные и ламинарные) и вогнутые. Описаны принципы получения голограммных дифракционных решеток, их преимущества перед нарезными. Особое внимание уделено вогнутым голограммным решеткам с коррекцией аберраций, приведена их классификация, кратко описаны методы оптимизации параметров решеток, работающих в схемах монохроматоров с простым вращением и спектрографов с плоским полем, с исправлением дефокусировки, астигматизма и меридиональной комы, а также различные методы записи решеток в негомоцентрических пучках, расширяющие их коррекционные возможности. В ряде случаев используются нарезные аналоги голограммных решеток. Отмечено, что зарубежные и отечественные фирмы, производящие серийно дифракционные решетки описанных типов, полностью обеспечивают потребности производителей серийных спектральных приборов. Рассмотрены особенности использования в спектральных приборах объемно-фазовых решеток, отмечено, что хотя эти решетки отличаются высокой эффективностью, но их угловая и спектральная селективности препятствовали широкому применению этих решеток в спектральных приборах. Однако в последние годы активно ведутся исследования по расширению областей применения объемно-фазовых решеток: предлагаются новые схемные решения, материалы для записи и методы записи. Отмечается тенденция к созданию дифракционных элементов, совмещающих различные функции (скрещенные дифракционные решетки (cross-grating) и гризмы). Предлагаются новые технологии изготовления дифракционных решеток: нарезных — делительные машины маятникового типа, отражательных с высокой дифракционной эффективностью в расширенном диапазоне длин волн — технология «ахроматизации эффективности», или двойного блеска, объемно-фазовых — сверхбыстрая лазерная запись, профилированных, работающих в рентгеновской области спектра — электронно-лучевая литография, к миниатюрным спектральным приборам — технология «микроэлектронно механические системы», используемая в электронике, составных — концепция композитной объемно-фазовой дифракционной решетки, которая записывается путем стыковки нескольких элементарных полей. В заключении проведена оценка современного уровня и отмечены тенденции развития. Практическая значимость. Изложенный материал может быть полезен при разработке спектральной аппаратуры.
спектральные приборы, нарезные дифракционные решетки, голограммные дифракционные решетки, вогнутые дифракционные решетки, аберрации, объемно-фазовые дифракционные решетки, гризмы
Коды OCIS: 120.6200, 050.1950, 090.2890, 090.1000,090.7330
Список источников:1. Беляков Ю.М., Павлычева Н.К. Спектральные приборы. Казань: изд. КГТУ, 2007. 203 с.
2. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
3. Павлычева Н.К. Спектральные приборы с неклассическими дифракционными решетками. Казань: изд. КГТУ, 2003. 198 с.
4. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов на рубеже столетий // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 1. С. 21–35.
5. Glaser T. High-end spectroscopic diffraction gratings: Design and manufacturing // Adv. Opt. Techn. 2015. V. 4. № 1. P. 25–46.
6. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1977. 368 с.
7. https://www.zeiss.de/gratings
8. Pieuchard G., Flamand J. Properties of ruled and holographic gratings // Jap. J. Appl. Phys. 1975. V. 14. № 1. P. 153–157.
9. https://www.horiba.com/ru/scientific/products/
10. Пейсахсон И.В. Оптимизация параметров оптических систем спектральных приборов // Оптический журнал. 1995. № 12. С. 3–11.
11. Pouey M. Desing of simple rotating stigmatic concave grating monochromators // Appl. Opt. 1974. V. 13. P. 2739–2740.
12. Пейсахсон И.В., Черняк Н.Ю. Коррекция аберраций в симметричной схеме монохроматора с вогнутой голографической дифракционной решеткой // Опт. и спектр. 1983. Т. 55. Вып. 4. С. 737–741.
13. Пейсахсон И.В., Левандовская Л.Е. Расчет оптимальных параметров монохроматора со сферическими голограммными дифракционными решетками // Опт. и спектр. 1991. Т. 71. Вып. 1. С. 188–193.
14. Noda H., Namioka T., Seya M. Design of holographic concave gratings for Seya–Namioka monochromators // JOSA. 1974. V. 64. № 8. P. 1043–1048.
15. Singh M., Reddy G. Seya–Namioka monochromators theory and design of holographic concave grating // Optik. 1986. V. 74. № 4. P. 142–153.
16. 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.
17. Passeran G. Spectrographe a champ plan pour un domaine spectral etendu, utilisant un reseau holographique concave // Brevet FR. № 2334947. 1977.
18. Павлычева Н.К. Расчет спектрографа с плоским полем на основе голографической решетки // ОМП. 1979. № 7. С. 15–16.
19. Nazmeev M., Pavlycheva N. New generation spectrographs // Opt. Eng. 1994. V. 33. P. 2777–2782.
20. Бажанов Ю.В. Анализ возможностей коррекции аберраций голограммных дифракционных решеток, записанных в астигматических пучках // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 1. С. 12–16.
21. Palmer C. Theory of second-generation holographic diffraction gratings // JOSA. 1989. V. 6. № 8. P. 1175–1178.
22. Duban M. Third generation holographic Rowland mounting: Fourth order theory // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 3443–3449.
23. Duban M. Theory of spherical holographic gratings recorded by use of a multimode deformable mirror // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 7209–7217.
24. Duban M. Recording high-dispersion spherical holographic gratings by use of a multimode deformable mirror // Appl. Opt. 2000. V. 39. P. 16–19.
25. Sokolova E. Holographic diffraction gratings for flat-field spectrometers // J. Mod. Opt. 2000. V. 47. P. 2377–2389.
26. Соколова Е.А. Вогнутые дифракционные решетки, записанные во встречных пучках // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 12. С. 88–93.
27. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А. Стигматические вогнутые решетки на сферических поверхностях, изготовленные механическим способом // Опт. и спектр. 1979. Т. 46. С. 1177–1182.
28. Harada T., Kita T. Mechanically ruled aberration-corrected concave gratings // Appl. Opt. 1980. V. 19. P. 3787–3792.
29. Бажанов Ю.В. Соотношение между параметрами нарезных и голографических вогнутых дифракционных решеток // ОМП. 1979. № 10. С. 1–2.
30. Бажанов Ю.В. Геометрические параметры штрихов нарезных и голограммных дифракционных решеток // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 5. С. 31–34.
31. Павлычева Н.К., Кит И.Е. Спектрограф для спектрального анализа в геологии // ОМП. 1988. № 6. С. 27–29.
32. Савушкин А.В. Оптическая схема рентгеновского спектрометра скользящего падения для космического патруля // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 11. С. 34–36.
33. Савушкин А.В., Стариченкова В.Д. Сканирующий дифракционный полихроматор // Патент России № 2589748. 2016.
34. http://www.shimadzu.com/opt
35. http:// www.holograte.com
36. http://shvabe. com/about/company/gosudarstvennyy-institut-prikladnoy-optiki/ produktsiya-gipo
37. Малов А.Н., Неупокоева А.В. Голографические регистрирующие среды на основе дихромированного желатина: супрамолекулярный дизайн и динамика записи. Иркутск: ИВВА-ИУ(ВИ), 2006. 345 с.
38. Andor HoloSpec /Oxford Instruments. — Electronic data. — [Abingdon, UK] cop. 2018. — Mode of Access: https://andor.oxinst.com/products/holospec-imagingspectrograph/holospec, free. — Title of screen. — Lang. eng. — (Usage date: 6.10.2018).
39. Muslimov E.R., Pavlycheva N.K., Valyvin G.G., et al. Design and optimization of a dispersive unit based on cascaded volume phase holographic gratings // Proc. SPIE. 2017. V. 10233. P. 102331L.
40. Zanutta A., Bianco A., Muslimov E., et al. Spectral multiplexed VPHG based on photopolymers: The first application on a spectrograph // Proc. SPIE. 2018. V. 10706. P. 1070639.
41. Zanutta A., Landoni M., Riva M., Bianco A. Spectral multiplexing using stacked VPHGs — Part I // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
42. Bruder F.-K., Frank J., Hansen S., Lorenz A., Manecke C., et al. Expanding the Property Profile of Bayfol HX® Films Towards NIR Recording and Ultra-High Index Modulation / https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie on 11 Mar 2021
43. Chen C.W., Gossett E.W. Grism (grating-prism combination) // Patent № 5,652,681 US. 1997.
44. Мельников А.Н., Истомина Н.Л. Неклассические дифракционные решетки на выставке Laser World of Photonics 2019 // Фотоника. 2019. Т. 13. № 7. С. 614–618.
45. Ebizuka N., Okamoto T., Takeda M., Hosobata T., et al. Novel gratings for astronomical observation // CEAS Space J. 2020. № 12. P. 3–14.
46. Lachance G.P., Bouffard L., Boisselier É., Miled A., Boukadoum M. Assessment of a grism-based spectrometer design for neurotransmitter detection // 27th IEEE Internat. Conf. Electronics, Circuits and Systems (ICECS). 2020. P. 1–4.
47. Thomae D., Honle T., Kraus M., Bagusat V., Deparnay A., Bruning R. Compact echelle spectrometer employing a cross-grating // Appl. Opt. 2018. V. 57. № 25. P. 7109–7116.
48. Мельников А.Н. Технологии формообразования светосильных дифракционных оптических элементов на основе использования делительной техники маятникового типа // Фотоника. 2019. Т. 13. № 5. С. 468–475.
49. Мельников А.Н. Делительная машина маятникового типа для изготовления штриховых структур на вогнутых поверхностях // Патент России на изобретение № 2725324. 2020.
50. Бажанов Ю.В., Лукин А.В., Мельников А.Н. Принципы построения делительных машин маятникового типа и их возможности в получении неклассических дифракционных решеток большой апертуры // Оптический журнал. 2021. Т. 89. № 9. С. 43–51.
51. Lee D., Thomson R.R., Cunninghama C.R. Performance of volume phase gratings manufactured using ultrafast laser inscription // Modern Technologies in Space-and Ground-based Telescopes and Instrumentation II. — International Soc. for Optics and Photonics, 2012. V. 8450. P. 84502X.
52. MacLachlan D.G., Thomson R.R., Cunningham C.R., Lee D. Mid-infrared volume phase gratings manufactured using ultrafast laser inscription // Opt. Mat. Exp. 2013. V. 3. № 10. P. 1616–1624.
53. MacLachlan D.G., Debaditya C., Arriola A., et al. Developing ultrafast laser inscribed volume gratings // Proc. SPIE. 2014. V. 9151. P. 91511H-1–91511H-6.
54. Miles D.M., McCoy J.A., McEntaffer R.L., et al. Fabrication and diffraction efficiency of a large-format, replicated X-ray reflection grating // Astrophysical J. 2018. V. 869. № 95. P. 1–12.
55. DeRoo C.T., Termini J., Grisé F., et al. Limiting spectral resolution of a reflection grating made via electron-beam lithography // Astrophysical J. 2020. V. 904. № 142. P. 1–10.
56. Harzendorf T., Michaelis D., Flügel-Paul T., et al. Surface relief gratings manufactured by lithographic means being a candidate for VLT MOONS instrument’s main dispersers // Proc. SPIE. 2018. V. 10706. P. 1070621-1–1070621-9.
57. McCoy J.A., McEntaffer R.L., Miles D.M. Extreme ultraviolet and soft X-ray diffraction efficiency of a blazed reflection grating fabricated by thermally activated selective topography equilibration // Astrophysical J. 2020. V. 891. № 114. P. 1–13.
58. Zhou G., Lim Z.H., Qi Y., et al. MEMS gratings and their applications // Internat. J. Optomechatronics. 2021. V. 15. № 1. P. 61–86.
59. Sandfuchs O., Kraus M., Brunner R. Structured metal double-blazed dispersion grating for broadband spectral efficiency achromatization // JOSA A. 2020. V. 37. № 8. P. 1369–1380.
60. Муслимов Э.Р., Павлычева Н.К., Гуськов И.А. Концепция композитных голограммных оптических элементов // Фотоника. 2020. Т. 14. № 7. С. 586–599.