eng
Выпуск #5/2014
А.Белозёров, Н.Ларионов, А.Лукин, А.Мельников
Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть II
Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть II
Просмотры: 4512
Применение синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) будет полезным для решения насущных проблем экспериментальной газодинамики, в том числе при создании оптических систем визуализации газовых потоков в большом поле наблюдения (до 1000 мм).
Теги: a computer-generated hologram optical element alignment of a centered multicomponent optical system aspherical surface manufacturing technology асферическая поверхность синтезированный голограммный оптический элемент технология изготовления юстировка центрированной многокомпонентной оптической системы
При исследованиях газодинамических течений необходимо обеспечить возможно бόльший масштаб моделирования, высокую чувствительность измерений (как предельный случай – до тысячных долей длины волны видимого диапазона спектра) и учесть целый ряд других специфических особенностей, исключить внесение каких-либо изменений в поток за время эксперимента [1].
Осевые СГОЭ нашли свое применение в решении проблем экспериментальной газодинамики. В "НПО "Государственный институт прикладной оптики" ("НПО "ГИПО") под руководством д.т.н. А.Ф.Белозёрова был выполнен комплекс научно-исследовательских работ по применению синтезированных голограмм в интерференционных приборах для визуализации газовых потоков в аэродинамических трубах и баллистических трассах, а также для создания объективов коллиматоров систем оптико-физических измерений (ОФИ). Конкретным исполнителем этих работ стала Л.Т.Мустафина.
Причиной начала подобных исследований явился тот факт, что технологии, положенные в основу разработок теневых, интерференционных и интерференционно-теневых приборов 1 и 2-го поколений, так и не решили до конца поставленных исследователями задач. Необходимо было оснастить современные аэродинамические и баллистические установки такими уникальными системами, на базе которых можно было бы экспериментально изучать процессы обтекания моделей самолетов, вертолетов, летательных аппаратов будущего, автомобилей, ракет различного назначения в условиях, приближенных к натурным [1]. Поэтому требовалось создать сравнительно дешевые и компактные системы для ОФИ с размерами рабочего поля (поля визуализации) 800–1000 мм и более.
Ранее на основе теории отображающих свойств голограмм и элементов голограммной оптики [2, 3] был разработан унифицированный ряд уникальных голограммных объективов – сложных оптических систем двух "встречных" коллиматоров большого размера. Они выполняют функции блоков осветительной и приемной частей теневых и интерференционных приборов. Использование голограммных объективов в современных системах ОФИ придало этим системам новые свойства и существенно повысило их технические параметры: диаметр изучаемого газового потока – с 230 до 1000 мм, относительное отверстие – до предельно высоких значений, достигаемых в объективах коллиматоров – с 1:3,5 до 1:2 и даже до 1:1). Подобные системы создаются в газодинамических лабораториях ведущих мировых аэрокосмических фирм.
В основных вариантах принципиальных схем технического построения объектной ветви голографических систем ОФИ (рис.13) СГОЭ используют либо в качестве основных объективов (а, б), либо – компенсаторов (в–д). При построении приборов возможно также комбинированное использование таких объективов, поскольку их аберрационные характеристики существенно различаются между собой. С этой точки зрения, в осветительной части системы ОФИ целесообразно применять светосильные компактные варианты (рис.13в–д), а в приемной – варианты, обеспечивающие лучшее качество изображения протяженных объектов (рис.13а,б).
На рис.14а приведены частотные характеристики СГОЭ-объективов и голограммно-линзовых объективов диаметром 230 мм, в которых СГОЭ используются в качестве компенсаторов сферической аберрации. Максимальная частота голограмм–компенсаторов для объективов с относительным отверстием 1:3 и 1:2 не превышает 20 мм–1, в то время как для голограмм–объективов она существенно больше. Расчет выполнен для λ = 694 нм (импульсный лазер на рубине). Аналогичные кривые для объективов диаметром 400 и 800 мм приведены на рис.14б и 14в. Рассмотрены два положения линзового объектива относительно компенсатора: в первом случае выпуклой стороной к компенсатору, во втором – плоской. Проведены расчеты голограммно-линзовых объективов диаметром 230, 400, 800 мм при использовании компенсатора диаметром 100 мм.
Использование многоуровневых СГОЭ (имеются в виду уровни глубины травления материала, в котором "нарезаны" штрихи), обладающих высокой дифракционной эффективностью (до 90 % и выше) и пониженным уровнем фона, возможно при малых частотах (не превышающих 30 мм–1). Поэтому при создании интерференционных приборов этого класса более приемлемо брать двухкомпонентные оптические системы, состоящие из линзового объектива и соответственно рассчитанного голограммного компенсатора (рис.15).
Высокая компактность оптических систем подобных приборов обеспечивает существенное сокращение производственных площадей, необходимых для их размещения. В отдельных случаях оказывается возможным совместить в объективах приборов две функции: оптических элементов и защитных стекол. При этом рельефно-фазовая структура СГОЭ может быть нанесена непосредственно на защитные стекла иллюминаторов газодинамических установок, это позволяет вдвое сократить количество используемых крупногабаритных оптических элементов.
Один из способов создания крупногабаритных объективов систем ОФИ опирается на принцип "обращения волнового фронта". В основе принципа – использование голограммного оптического элемента (ГОЭ) с зарегистрированным волновым фронтом, характеризующим качество корригируемой оптической системы [1], и пропускание восстановленной с ГОЭ световой волны через оптическую систему коллиматора в "обратном ходе" световых лучей. Тогда на выходе за счет взаимной компенсации аберраций реального прибора и восстановленной с ГОЭ волны достигается "безаберрационное" волновое поле.
На рис.16 представлена схема четырехзеркального (3, 4, 12, 14) интерферометра на основе двух встречно установленных основных объективов с узким эталонным пучком. Каждый объектив состоит из плоско-выпуклой линзы (световой диаметр 400 мм) и синтезированной голограммы – компенсатора СГОЭ (световой диаметр – 200 мм). На рис.17 и 18 показаны другие варианты этого голографического интерферометра, которые имеют поле визуализации диаметром 400 мм.
С помощью интерферометра на основе четырех осевых синтезированных голограммных линз (рис.19) была получена интерферограмма газового потока в сопле ударной трубы (рис.20). Эту схему использовали в интерференционно-теневом приборе ИАБ-462: поле визуализации 230 мм, остаточные аберрации оптической системы прибора не превышают 5λ, разрешающая способность оптической системы не менее 25 мм–1 по всему полю. Подчеркнем, что в конце 1970-х – начале 1980-х годов образцы интерферометров для аэродинамических труб на основе применения голограммных объективов и голограммных компенсаторов с полем визуализации 400 мм были созданы в "НПО "ГИПО" впервые в мировой практике.
На рис.21 представлен интерферометр, собранный по схеме Тваймана-Грина с голограммно-линзовым объективом с полем визуализации диаметром 800 мм, в объектной ветви – плоско-выпуклая линза 7 (световой диаметр 800 мм, фокусное расстояние 1506,6 мм) и голограммный компенсатор СГОЭ 6 (световой диаметр 200 мм). Остаточная волновая аберрация интерферометра составляет около 2λ (рис.22). Ее можно существенно скомпенсировать с помощью обычной голографической коррекции аберраций [4].
Теоретически дифракционная эффективность физических ГОЭ, зарегистрированных во встречных пучках, может достигать 100%. Известно [4], что ГОЭ, полученный во встречных пучках с осевым сферическим и внеосевым плоским волновыми фронтами, обладает теми же свойствами, что и внеосевое параболическое зеркало. Теневая система (рис.23), образованная с помощью таких ГОЭ, играющих роль зеркал, имеет высокое качество.
Для изучения трехмерных (пространственных) газовых потоков используют метод "острой фокусировки" [1]. Известно, что глубина резко изображаемого пространства уменьшается с увеличением апертуры пучка, просвечивающего пространственный фазовый объект. Поэтому в теневом методе "острой фокусировки" добиваются просвечивания фазового объекта набором элементарных пучков, образующих апертурный угол. Представляет практический интерес и получение интерференционных картин сечений пространственного газового потока. Для объяснения принципа работы этого метода воспользуемся рис.24. Когерентный пучок света W1 освещает рассеиватель 1. Между ним и фотопластиной 4 вдоль оси У расположены фазовые объекты 2 и 3, расстояние между которыми – Δy. При таком способе освещения через объекты 2 и 3 проходят световые пучки с апертурными углами θ2 и θ3, соответственно. Часть лучей в пучке с апертурой θ3 проходит через прозрачную неоднородность 2, а часть – только через прозрачную неоднородность 3. Голограмму получают по методу двух экспозиций. Технология метода "острой фокусировки" прошла экспериментальную проверку в газодинамическом эксперименте: в аэродинамической трубе Энергетического института им. Г.М.Кржижановского и на аэробаллистической трассе Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе (рис.25).
Отличия, наблюдаемые между теневыми картинами течения, возникающего около летящих шаров (рис.26) бывают двух видов: первые (а–в) получены с одной голограммы по методу "острой фокусировки", последняя (г) – с помощью обычного теневого метода. Одно из множества практических приложений метода "острой фокусировки" – проведение исследований в аэродинамических трубах и плазменных установках, когда необходимо исключить влияние защитных стекол на полученный результат. Дело в том, что при наблюдении за газодинамическими испытаниями защитные стекла подвергаются значительному нагреву, поэтому к качеству их обработки при изготовлении предъявляют высокие требования. Применение метода "острой фокусировки" позволяет в 20 и более раз снизить эти требования, что особенно важно для удешевления создаваемых систем ОФИ с большими размерами поля визуализации.
Таким образом, мы показали, что в "НПО "ГИПО" на основе использования СГОЭ были созданы прошедшие практическую экспериментальную проверку несколько типов голографических интерферометров, не имеющих аналогов. Уникальность этого оборудования состоит в том, что они обладают рабочим полем с размерами от 230 до 1000 мм, имеют возможность многократно увеличивать объем информации, получаемой в одном газодинамическом эксперименте, с их помощью можно повысить чувствительность измерений и приступить к трехмерным исследованиям газовых потоков.
ЛИТЕРАТУРА
Белозёров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007.
Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А. и др. Синтезированная голограммная оптика. – Оптический журнал, 2002, т.69, № 12, с. 23–32.
ГОСТ 24865.1–81. Голография и голографические методы контроля качества. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1982.
Кольер Р., Беркхардт К., Лин Л. Оптическая голография. – М.: Мир, 1973, с. 58–62.
Осевые СГОЭ нашли свое применение в решении проблем экспериментальной газодинамики. В "НПО "Государственный институт прикладной оптики" ("НПО "ГИПО") под руководством д.т.н. А.Ф.Белозёрова был выполнен комплекс научно-исследовательских работ по применению синтезированных голограмм в интерференционных приборах для визуализации газовых потоков в аэродинамических трубах и баллистических трассах, а также для создания объективов коллиматоров систем оптико-физических измерений (ОФИ). Конкретным исполнителем этих работ стала Л.Т.Мустафина.
Причиной начала подобных исследований явился тот факт, что технологии, положенные в основу разработок теневых, интерференционных и интерференционно-теневых приборов 1 и 2-го поколений, так и не решили до конца поставленных исследователями задач. Необходимо было оснастить современные аэродинамические и баллистические установки такими уникальными системами, на базе которых можно было бы экспериментально изучать процессы обтекания моделей самолетов, вертолетов, летательных аппаратов будущего, автомобилей, ракет различного назначения в условиях, приближенных к натурным [1]. Поэтому требовалось создать сравнительно дешевые и компактные системы для ОФИ с размерами рабочего поля (поля визуализации) 800–1000 мм и более.
Ранее на основе теории отображающих свойств голограмм и элементов голограммной оптики [2, 3] был разработан унифицированный ряд уникальных голограммных объективов – сложных оптических систем двух "встречных" коллиматоров большого размера. Они выполняют функции блоков осветительной и приемной частей теневых и интерференционных приборов. Использование голограммных объективов в современных системах ОФИ придало этим системам новые свойства и существенно повысило их технические параметры: диаметр изучаемого газового потока – с 230 до 1000 мм, относительное отверстие – до предельно высоких значений, достигаемых в объективах коллиматоров – с 1:3,5 до 1:2 и даже до 1:1). Подобные системы создаются в газодинамических лабораториях ведущих мировых аэрокосмических фирм.
В основных вариантах принципиальных схем технического построения объектной ветви голографических систем ОФИ (рис.13) СГОЭ используют либо в качестве основных объективов (а, б), либо – компенсаторов (в–д). При построении приборов возможно также комбинированное использование таких объективов, поскольку их аберрационные характеристики существенно различаются между собой. С этой точки зрения, в осветительной части системы ОФИ целесообразно применять светосильные компактные варианты (рис.13в–д), а в приемной – варианты, обеспечивающие лучшее качество изображения протяженных объектов (рис.13а,б).
На рис.14а приведены частотные характеристики СГОЭ-объективов и голограммно-линзовых объективов диаметром 230 мм, в которых СГОЭ используются в качестве компенсаторов сферической аберрации. Максимальная частота голограмм–компенсаторов для объективов с относительным отверстием 1:3 и 1:2 не превышает 20 мм–1, в то время как для голограмм–объективов она существенно больше. Расчет выполнен для λ = 694 нм (импульсный лазер на рубине). Аналогичные кривые для объективов диаметром 400 и 800 мм приведены на рис.14б и 14в. Рассмотрены два положения линзового объектива относительно компенсатора: в первом случае выпуклой стороной к компенсатору, во втором – плоской. Проведены расчеты голограммно-линзовых объективов диаметром 230, 400, 800 мм при использовании компенсатора диаметром 100 мм.
Использование многоуровневых СГОЭ (имеются в виду уровни глубины травления материала, в котором "нарезаны" штрихи), обладающих высокой дифракционной эффективностью (до 90 % и выше) и пониженным уровнем фона, возможно при малых частотах (не превышающих 30 мм–1). Поэтому при создании интерференционных приборов этого класса более приемлемо брать двухкомпонентные оптические системы, состоящие из линзового объектива и соответственно рассчитанного голограммного компенсатора (рис.15).
Высокая компактность оптических систем подобных приборов обеспечивает существенное сокращение производственных площадей, необходимых для их размещения. В отдельных случаях оказывается возможным совместить в объективах приборов две функции: оптических элементов и защитных стекол. При этом рельефно-фазовая структура СГОЭ может быть нанесена непосредственно на защитные стекла иллюминаторов газодинамических установок, это позволяет вдвое сократить количество используемых крупногабаритных оптических элементов.
Один из способов создания крупногабаритных объективов систем ОФИ опирается на принцип "обращения волнового фронта". В основе принципа – использование голограммного оптического элемента (ГОЭ) с зарегистрированным волновым фронтом, характеризующим качество корригируемой оптической системы [1], и пропускание восстановленной с ГОЭ световой волны через оптическую систему коллиматора в "обратном ходе" световых лучей. Тогда на выходе за счет взаимной компенсации аберраций реального прибора и восстановленной с ГОЭ волны достигается "безаберрационное" волновое поле.
На рис.16 представлена схема четырехзеркального (3, 4, 12, 14) интерферометра на основе двух встречно установленных основных объективов с узким эталонным пучком. Каждый объектив состоит из плоско-выпуклой линзы (световой диаметр 400 мм) и синтезированной голограммы – компенсатора СГОЭ (световой диаметр – 200 мм). На рис.17 и 18 показаны другие варианты этого голографического интерферометра, которые имеют поле визуализации диаметром 400 мм.
С помощью интерферометра на основе четырех осевых синтезированных голограммных линз (рис.19) была получена интерферограмма газового потока в сопле ударной трубы (рис.20). Эту схему использовали в интерференционно-теневом приборе ИАБ-462: поле визуализации 230 мм, остаточные аберрации оптической системы прибора не превышают 5λ, разрешающая способность оптической системы не менее 25 мм–1 по всему полю. Подчеркнем, что в конце 1970-х – начале 1980-х годов образцы интерферометров для аэродинамических труб на основе применения голограммных объективов и голограммных компенсаторов с полем визуализации 400 мм были созданы в "НПО "ГИПО" впервые в мировой практике.
На рис.21 представлен интерферометр, собранный по схеме Тваймана-Грина с голограммно-линзовым объективом с полем визуализации диаметром 800 мм, в объектной ветви – плоско-выпуклая линза 7 (световой диаметр 800 мм, фокусное расстояние 1506,6 мм) и голограммный компенсатор СГОЭ 6 (световой диаметр 200 мм). Остаточная волновая аберрация интерферометра составляет около 2λ (рис.22). Ее можно существенно скомпенсировать с помощью обычной голографической коррекции аберраций [4].
Теоретически дифракционная эффективность физических ГОЭ, зарегистрированных во встречных пучках, может достигать 100%. Известно [4], что ГОЭ, полученный во встречных пучках с осевым сферическим и внеосевым плоским волновыми фронтами, обладает теми же свойствами, что и внеосевое параболическое зеркало. Теневая система (рис.23), образованная с помощью таких ГОЭ, играющих роль зеркал, имеет высокое качество.
Для изучения трехмерных (пространственных) газовых потоков используют метод "острой фокусировки" [1]. Известно, что глубина резко изображаемого пространства уменьшается с увеличением апертуры пучка, просвечивающего пространственный фазовый объект. Поэтому в теневом методе "острой фокусировки" добиваются просвечивания фазового объекта набором элементарных пучков, образующих апертурный угол. Представляет практический интерес и получение интерференционных картин сечений пространственного газового потока. Для объяснения принципа работы этого метода воспользуемся рис.24. Когерентный пучок света W1 освещает рассеиватель 1. Между ним и фотопластиной 4 вдоль оси У расположены фазовые объекты 2 и 3, расстояние между которыми – Δy. При таком способе освещения через объекты 2 и 3 проходят световые пучки с апертурными углами θ2 и θ3, соответственно. Часть лучей в пучке с апертурой θ3 проходит через прозрачную неоднородность 2, а часть – только через прозрачную неоднородность 3. Голограмму получают по методу двух экспозиций. Технология метода "острой фокусировки" прошла экспериментальную проверку в газодинамическом эксперименте: в аэродинамической трубе Энергетического института им. Г.М.Кржижановского и на аэробаллистической трассе Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе (рис.25).
Отличия, наблюдаемые между теневыми картинами течения, возникающего около летящих шаров (рис.26) бывают двух видов: первые (а–в) получены с одной голограммы по методу "острой фокусировки", последняя (г) – с помощью обычного теневого метода. Одно из множества практических приложений метода "острой фокусировки" – проведение исследований в аэродинамических трубах и плазменных установках, когда необходимо исключить влияние защитных стекол на полученный результат. Дело в том, что при наблюдении за газодинамическими испытаниями защитные стекла подвергаются значительному нагреву, поэтому к качеству их обработки при изготовлении предъявляют высокие требования. Применение метода "острой фокусировки" позволяет в 20 и более раз снизить эти требования, что особенно важно для удешевления создаваемых систем ОФИ с большими размерами поля визуализации.
Таким образом, мы показали, что в "НПО "ГИПО" на основе использования СГОЭ были созданы прошедшие практическую экспериментальную проверку несколько типов голографических интерферометров, не имеющих аналогов. Уникальность этого оборудования состоит в том, что они обладают рабочим полем с размерами от 230 до 1000 мм, имеют возможность многократно увеличивать объем информации, получаемой в одном газодинамическом эксперименте, с их помощью можно повысить чувствительность измерений и приступить к трехмерным исследованиям газовых потоков.
ЛИТЕРАТУРА
Белозёров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007.
Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А. и др. Синтезированная голограммная оптика. – Оптический журнал, 2002, т.69, № 12, с. 23–32.
ГОСТ 24865.1–81. Голография и голографические методы контроля качества. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1982.
Кольер Р., Беркхардт К., Лин Л. Оптическая голография. – М.: Мир, 1973, с. 58–62.
Отзывы читателей
