Устройство для записи дифракционных элементов

007874 Изобретение относится к оптической голографии, предназначено для записи дифракционных элементов и может найти применение при изготовлении дифракционных элементов, радужных голограмм,при защите товаров и ценных бумаг от подделок, в полиграфии. Изобретение также может быть использовано в системах оптической памяти и оптической обработки информации. Известно устройство для записи дифракционных элементов, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, модулятор, дифракционную решетку с приводом вращения, диафрагму, фокусирующий объектив, двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом,компьютер (патент США 5291317, МПК G02B 5/18 приоритет от 12.07.90, опубликован 01.03.94). Недостатками данного устройства являются низкая скорость записи дифракционных структур с различной пространственной ориентацией, обусловленная большим временем поворота дифракционной решетки относительно оси электрическим двигателем, а также низкое светопропускание, обусловленное ограниченной дифракционной эффективностью дифракционной решетки. Известно также устройство, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси лазер,электромеханический затвор, пространственный модулятор света, поляроид, проекционный объектив,пластинку с фоторезистом, двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, компьютер (патент России 2207611, МПК G03H01/26, приоритет от 30.07.2001, опубликован 27.06.2003). Недостатками данного устройства являются ограниченное быстродействие пространственного модулятора света, его низкое светопропускание, обусловленное поглощением света в материале пространственного модулятора и поляроида, высокая стоимость и сложность всего устройства, сложность и высокая стоимость высокоразрешающей проекционной системы. Кроме того, существенным недостатком данного устройства является ограниченная лучевая стойкость пространственного модулятора света и поляроида, что препятствует применению данного устройства с мощными импульсными лазерами, работающими в ультрафиолетовом диапазоне. Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, с помощью которого реализуется способ записи массива точечных голограмм (патент России 2194296, МПК G03H01/26, приоритет от 18.04.2001, опубликовано 10.12.2002). Данное устройство выбрано в качестве прототипа. Известное устройство для записи дифракционных элементов содержит оптически связанные источник света, узел отклонения пучка света, первую линзу, узел разделения пучка света, включающий в себя первую призму,фокусирующий объектив и регистрирующую среду, узел управления, электрически связанный с источником света, узлом отклонения пучка света и приводом перемещения регистрирующей среды. Недостатками данного устройства являются низкое светопропускание и, следовательно, большие световые потери, обусловленные низкой дифракционной эффективностью двухкоординатного акустооптического дефлектора (обычно 30-50%), высокая стоимость и сложность конструкции, связанная с высокой стоимостью акустооптических дефлекторов и их электронных приводов, большие габариты и сложность и высокое энергопотребление, большие искажения формируемой дифракционной картины, связанные с большой оптической толщиной материала звукопровода акустооптических дефлекторов. Акустооптические устройства отклонения затруднительно использовать в ультрафиолетовом диапазоне. Также в известном устройстве узел разделения пука света имеет сложную конструкцию, состоящую из четырех раздельных призм, и низкое светопропускание, обусловленное применением двух светоделительных элементов. Кроме того, существенным недостатком данного устройства является ограниченная лучевая стойкость акустооптических модуляторов, что препятствует применению данного устройства с мощными импульсными лазерами, работающими в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Перед авторами ставилась задача разработать устройство, имеющее минимальные потери световой энергии, в том числе и в диапазоне УФ, высокую лучевую стойкость всех компонентов, простоту и компактность оптической системы, высокое быстродействие записи дифракционных элементов, низкую стоимость и компактное исполнение с возможностью применения для прямой записи дифракционных элементов методом абляции или термоструктурных и термохимических изменений регистрирующей среды с применением мощных импульсных лазеров, генерирующих световое излучение в УФ и глубоком УФ диапазонах. Задача решается тем, что вустройстве для записи дифракционных элементов, содержащем оптически связанные источник света, узел отклонения пучка света, первую линзу, включающий в себя первую призму, узел разделения пучка света, фокусирующий объектив, регистрирующую среду, привод перемещения регистрирующей среды и узел управления, электрически связанный с источником света, узлом отклонения пучка света, приводом перемещения регистрирующей среды, узел отклонения пучка света выполнен в виде установленных последовательно вдоль оптической оси второй линзы и двух зеркальных дефлекторов, причем расстояние l между плоскостью зеркала любого из двух дефлекторов и точкой фокусировки света первой линзой выбрано из соотношенияlBTf1f2/f3d1 где коэффициент В=0,1-0,5, Т - период решетки дифракционного элемента в регистрирующей среде, f1 фокусное расстояние второй линзы, f2 - фокусное расстояние первой линзы, f3 - фокусное расстояние фокусирующего объектива, d1 - диаметр пучка на входе второй линзы. Зеркало хотя бы одного из дефлекторов выполнено с возможностью выполнения угла поворота большим, чем половина угловой апер-1 007874 туры второй линзы. Кроме того, зеркала дефлекторов выполнены с возможностью поворота в ортогональных плоскостях. Узел разделения пучка света выполнен дополнительно содержащим призму Порро. Призма установлена последовательно вдоль оптической оси с первой призмой. Причем первая призма содержит светоделительное покрытие на диагональной грани. Она склеена с диагональной гранью призмы Порро. Кроме того, узел выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси. Технический эффект заключается в том, что заявляемое устройство обеспечивает высокоскоростную запись дифракционных элементов (голограмм) с помощью мощного импульсного лазера, причем может быть использован ультрафиолетовый лазер с длиной волны 250-360 нм, что позволяет реализовать метод прямой лазерной записи - формировать рельефную структуру голограмм непосредственно на поверхности заготовки. Заявляемое устройство иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для записи дифракционных элементов. На фиг. 2 изображены варианты положения пучков света во входной плоскости фокусирующего объектива и соответствующие интерференционные решетки в плоскости регистрирующей среды. На фиг. 3 показано положение интерференционной решетки, образуемой двумя интерферирующими пучками света в плоскости регистрирующей среды. Заявляемое устройство состоит из источника света 1, второй линзы 2, двух зеркальных дефлекторов 3 и 4, первой линзы 5, узла разделения пучка света 6, включающего в себя призму Порро 7 и первую призму 8, содержащую светоделительное покрытие 9 на диагональной грани, склеенной с призмой Порро 7, фокусирующий объектив 10, регистрирующую среду 11 с приводом перемещения 12 и узел управления 13. Устройство работает следующим образом. Пучок света от источника света 1 (например, импульсного лазера) с длиной волныи диаметром d1 поступает на вход узла отклонения пучка света, который состоит из второй линзы 2 и двух зеркальных дефлекторов 3 и 4. На выходе узла отклонения пучка света установлена первая линза 5. Расстояние между линзами 2 и 5 вдоль оптической оси выбрано таким образом, что фокальная плоскость линзы 5 совпадает с точкой S фокусировки линзы 2 пучка света. Световой пучок А на выходе линзы 5 является коллимированным. Зеркало дефлектора 3 установлено перед точкойS на расстоянии l1, а зеркало дефлектора 4 - на расстоянии l2 после точки S. Под действием управляющего электрического сигнала Uy зеркало дефлектора 3 поворачивается на угол у и отклоняет световой пучок вдоль оси ОY. Под действием управляющего электрического сигнала Ux зеркало дефлектора 4 поворачивается на угол х и отклоняет световой пучок на соответствующий угол вдоль оси ОХ. Электрические сигналы подаются от блока управления 12. Линза 5 преобразует угловое отклонение пучка света в его линейное смещение вдоль осей координат X и Y на величину(1) где f2 - фокусное расстояние объектива 5, f2l1, l2, х, у 1. Световой пучок А поступает на вход узла 7 разделения пучка света, выполненного с одним входным и двумя выходными зрачками. Узел разделения пучка света выполнен в виде установленных последовательно вдоль оптической оси призмы Порро 7 и первой призмы 8, причем призма 8 выполнена содержащей грань со светоделительным покрытием 9 и склеена с диагональной гранью призмы Порро 7. Призма Порро известна в литературе (Справочник конструктора оптико-механических приборов.//Под ред. Э. Панова, Машиностроение, Л., 1985). Световой пучок А делится на грани 9 на два пучка приблизительно пополам. Первый, прямой, пучок (А') проходит эту призму 8 без изменения направления. Второй пучок (А") испытывает четыре отражения (два вдоль оси ОХ и два вдоль оси OY) от граней призмы Порро 7 и выходит зеркально ориентированным по отношению к первому пучку. Оптические оси прямого и зеркального выходных пучков выполнены коллинеарными исходной оптической оси. Для обеспечения коллинеарности пучков узел разделения пучка света, состоящий из призм 7 и 8, выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси. При повороте и наклоне узла пучок А' не меняет направления, в то время как пучок А" отклоняется соответственно повороту и наклону всего узла. Далее пучки А' и А" поступают к фокусирующему объективу 10 и фокусируются в плоскости регистрирующей среды 11 на расстоянии 2 от оптической оси, равном, f3 - фокусное расстояние объектива 10, l=l1=l2. Знаки + и - указывают, что центры обгде ластей S' и S" фокусировки пучков А' и А" смещаются в разные стороны. Если расстояние l мало, то и смещение 2 также будет мало. В результате интерференции двух сфокусированных пучков света в плоскости регистрирующей среды формируется синусоидальная интерференционная решетка. Эта интерференционная решетка последовательно во времени фиксируется регистрирующей средой 11, изменяющей свои свойства под действием света. Регистрирующая среда 11 с помощью привода 12 перемещается относительно области фокусировки S' по командам от блока управления 13. При движении регистрирующей среды относительно объектива 10 на поверхности последней формируется (записываeтся) последовательность решеток. Для устранения смаза интерференционной решетки импульсы лазерного излучения(3) где T - период интерференционной решетки, v - скорость движения регистрирующей среды, с=0,1-0,01 постоянный коэффициент. При Т=1 мкм и v=0,1 м/с длительность импульсов составляет 0,01 мкс. Частота следования импульсов fлаз определяется расстоянием L между отдельными решетками на регистрирующей среде:(4) Например, при L=20 мкм частота следования импульсов лазера составляет fлаз=5 кГц и за 1 с предлагаемое устройство позволяет записывать 5000 интерференционных решеток (или голограмм). Наиболее подходящим источником света является твердотельный импульсный Nd:YAG лазер с модулированной добротностью и утроением (или учетверением) частоты (И.И. Кондиленко, П.А. Коротков, А.И. Хижняк, "Физика лазеров", Вища школа-84 г., А.А. Иолтуховский, И.И. Куратев, Ю.В. Цветков, "Твердотельные лазеры с накачкой лазерными диодами для лабораторного и промышленного применения", Лазер-Информ 1-2, январь 2000 г.). Световое излучение такого лазера представляет собой последовательность коротких (5-10 нс) и мощных импульсов света с частотой повторения от сотен герц до 10-50 кГц и длиной волны 355 или 268 нм. При записи дифракционного элемента узел управления 13 синхронизирует импульсное включение лазера 1 с перемещением регистрирующей среды 11 и управляет углом отклонения зеркал дефлекторов 3 и 4 в соответствии с заданной программой. Операция включения/выключения пучка света лазера при записи решеток осуществляется поворотом зеркала хотя бы одного из дефлекторов на угол больше половины угловой апертуры линзы 5 или фокусирующего объектива 10. При этом световой пучок блокируется апертурой фокусирующего объектива и не проходит к регистрирующей среде. Эта операция необходима, если при записи надо пропустить несколько решеток. Частота переключения быстродействующих зеркальных дефлекторов с размером зеркала 2x2 мм 2 составляет около 5 кГц. В предлагаемом устройстве каждая интерференционная решетка может иметь заданные ориентацию и период. В качестве примера на фиг. 2 а, б, в показаны различные положения пучков света А' и А" во входной плоскости фокусирующего объектива 10 и соответствующие интерференционные решетки в плоскости регистрирующей среды (фиг. 2 г, д, е). В исходном состоянии (Ux=Uy=0) пучок света А' проходит через линию пересечения II и III квадрантов на расстоянии у 1 от оптической оси (фиг. 2 а). Зеркальный пучок А" в исходном состоянии лежит на пересечении I и IV квадрантов на расстоянии -х 1 от оптической оси. Интерференционная картина имеет вид решетки, как показано на фиг. 2 г. При подаче на дефлекторы 3 и 4 отличных от нуля управляющих сигналов Ux и Uy пучки А' и А" перемещаются, соответственно, в II и III и I и IV квадрантах, как показано на фиг. 2 б, в. В этом случае или уменьшается период интерференционной решетки (фиг. 2 д), или меняется угол наклона tg=x/y (фиг. 2 е). Основным условием правильной работы заявляемого устройства является точное совмещение между собой сфокусированных пучков А' и А" в плоскости регистрирующей среды, так как интерференционная решетка образуется только в месте их пересечения. При наклоне любого из двух зеркал световой пучок на выходе объектива 5, смещаясь вдоль одной из координат, приобретает небольшой наклон, который приводит к возникновению погрешности положения (см. выражение (2 интерференционной решетки в плоскости регистрирующей среды 11, как показано на фиг. 3. Сфокусированные пучки перекрываются не полностью, и интерференционная решетка возникает только в месте их пересечения. Диаметр светового пятна (кружек Эйри) в плоскости регистрирующей среды определяется как(5) где d2=d1f2/f1 - диаметр светового пучка А' или А" на входе фокусирующего объектива 10, f1 - фокусное расстояние объектива 2 (Г.С. Ландсберг. Оптика, М, Наука, 1976). Отношение величины смещения =22 светового пятна к его диаметруE=/W=lx1d1/(1,22f1f2) является относительной погрешностью и характеризует влияние наклона зеркала на относительное положение пятна. Из выражения (6) следует, что для уменьшения погрешности Е необходимо уменьшать расстояние l и увеличивать фокусные расстояния f1 и f2. Величина l определяется габаритами зеркал дефлекторов и расстоянием между ними и не может быть выбранa произвольно. При заданной величине погрешности Е из выражения (6) следует, что расстояние между одним из зеркал и точкой S не должно превышать(7) Если допустимая величина относительного смещения лежит в пределах E=0,04-0,2, то при =0,35 мкм,f1=150 мм, f2=100 мм, х 1=1 мм, d1=1 мм расстояние l не должно превышать 0,32-1,3 мм, что конструктивно выполнимо. С учетом того, что период Т интерференционной решетки (фиг. 2 д) в записывающем пятне приблизительно равен Tf3/2 х 1, выражение (7) для правильного выбора расстояния l можно окончательно записать в виде-3 007874 где B=2,44 Е=0,1-0,5. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокоскоростную запись дифракционных элементов (голограмм) с помощью импульсного лазера. Отличительной чертой предложенного устройства является простота оптической схемы и отсутствие дорогостоящих и низкоэффективных акустооптических дефлекторов. Так как отсутствуют ограничения на светопропускание, в качестве источника излучения может быть использован ультрафиолетовый лазер с длиной волны короче 360 нм. Предложенное устройство отличается очень малыми потерями световой энергии в оптическом тракте, что позволяет использовать мощный источник импульсного излучения и реализовать метод прямой лазерной записи формировать рельефную структуру голограмм непосредственно на поверхности заготовки. Так как зеркальные дефлекторы имеют малые размеры, вес и малое потребление электрической энергии, предлагаемое устройство может быть выполнено малогабаритным, в виде компактной оптической головки. Дефлекторы могут быть выполнены по технологии микромеханики в пленочном исполнении. Заявляемое устройство было проверено экспериментально. В качестве источника излучения использован импульсный лазер с утроением частоты (Q-switch laser) типа LCS DTL-374CB средней мощностью 20 мВт, длиной волны 354 нм, длительностью импульсов около 5 нc. Быстродействующие зеркальные дефлекторы использовались типа 6220 М (Cambridge Technology, Inc.) с максимальной частой до 5 кГц. Фокусные расстояния линз были выбраны в соответствии с приведенными ранее в тексте параметрами. В качестве регистрирующей среды использовались тонкие пленки хрома и кремния, нанесенные на стеклянные подложки методом магнетронного распыления. Были записаны изображения, содержащие дифракционные элементы (микроголограммы) диаметром около 10 мкм и периодом решетки от 0,8 до 1,4 мкм и с угловой ориентацией в диапазоне =0-90. Запись осуществлялась методом прямой лазерной записи(испарение и термохимия). Скорость записи варьировалась от 500 до 4000 микроголограмм в секунду. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для записи дифракционных элементов, содержащее оптически связанные источник света, узел отклонения пучка света, первую линзу, включающий в себя первую призму, узел разделения пучка света, фокусирующий объектив, регистрирующую среду, привод перемещения регистрирующей среды и узел управления, электрически связанный с источником света, узлом отклонения пучка света,приводом перемещения регистрирующей среды, отличающееся тем, что узел отклонения пучка света выполнен в виде установленных последовательно вдоль оптической оси второй линзы и двух зеркальных дефлекторов, причем расстояние l между плоскостью зеркала любого из двух дефлекторов и точкой фокусировки света первой линзой выбрано из соотношенияlBTf1f2/f3d1 где коэффициент B=0,1-0,5, T - период решетки дифракционного элемента в регистрирующей среде, f1 фокусное расстояние второй линзы, f2 - фокусное расстояние первой линзы, f3 - фокусное расстояние фокусирующего объектива, d1 - диаметр пучка на входе второй линзы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркало хотя бы одного из дефлекторов выполнено с возможностью выполнения угла поворота большим, чем половина угловой апертуры второй линзы. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала дефлекторов выполнены с возможностью поворота в ортогональных плоскостях. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел разделения пучка света выполнен дополнительно содержащим призму Порро, установленную последовательно вдоль оптической оси с первой призмой,причем первая призма выполнена содержащей светоделительное покрытие на диагональной грани и склеена с диагональной гранью призмы Порро. 5. Устройство по пп.1 и 4, отличающееся тем, что узел разделения пучка света выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси.