3.Результаты разработки оптических элементов на основе голографических наноструктур.

Содержание:
3.1 Геометрические размеры голограмм.
3.2 Голограммы для дальней (Фраунгофера) области дифракции.
3.3 Фокусирующие (Френелевские) HOE для ближней зоны дифракции. 
3.4 Растры фокусирующих HOE.
3.5 Заключение.

3.1 Геометрические размеры голограмм.

Голографические оптические злементы представляют собой плоскую стеклянную или полимерную оптически полированную пластинку толщиной от 0.1 мм до ~ 3 мм, на одну поверхность которой нанесена фазовая структура голограммы (рис.1). На свободную поверхность при необходимости может наноситься просветляющее покрытие. Голограммы могут помещаться в корпуса, показанные на рис.2.

         Рис.1 Геометрические размеры оптических элементов.

                          Рис.2 Элементы в корпусах.

Размеры фазовой структуры определяют световую апертуру элемента, которая может составлять от ~ 50 х 50 мкм² до 6 х 6 мм² . На поверхности пластины  размером от 1" х 1" ( 25 х 25 мм² ) до 6" х 6" (150 х 150 мм² ), причем  может быть изготовлено несколько фазовых структур для разных голограмм, расположенных вплотную или с заданным промежутком (растры голограмм), но общая их площадь не должна превышать 36 мм² ( что определяется существующей в настоящее время производительностью электроннолучевого комплекса). В этом случае точность размещения фазовых структур на поверхности пластины составляет ± 0.02 мкм. Если допустима точность размещения ± 10 мкм, то общая площадь фазовых структур может быть в несколько раз больше.

3.2 Голограммы для дальней (Фраунгофера) области дифракции.

Основное назначение таких компьютерно-синтезированных голограмм это создание заданных световых распределений лазерного излучения на значительном (или бесконечном) расстоянии  от голограммы. Входная апертура голограммы освещается монохроматическим параллельным лазерным лучем перпендикулярно поверхности. Прошедшее через нее излучение образует пространственный веер лучей, причем при расчете может быть задано их число (оно может составлять от 3..4  до десятков тысяч лучей), угловое положение для крайних лучей (может быть от 0.01⁰ до 10...15⁰ , но для всех лучей кратно некоторому шагу по углу) и относительная интенсивность для каждого луча ( с точностью до 5%). Поскольку эти параметры взаимосвязаны, то точные значения и практически реализуемая их комбинация может быть уточнена только в процессе компьютерного синтеза и моделирования. Энергетическая эффективность (отношение суммы энергий в заданных лучах на выходе элемента по отношению к энергии падающей на входную апертуру) также зависит от конкретной конфигурации элемента и числа фазовых уровней используемых при расчете, она может быть > 70%.

В качестве примера приводится расчет и изготовление расщепителя лазерного луча на 3 х 11 лучей равной интенсивности для зеленого лазера l=532 нм.На рис.3 показаны заданное световое распределение (а), один период синтезированной двухуровневой фазовой структуры ( б- цветами показаны фазовые области имеющие сдвиг фазы p ), расчетное световое распределение для такой фазовой структуры (в) и соответственно фотография светового распределения в фокальной плоскости дополнительной линзы, для изготовлееного образца расщепителя (г). Расчетные и экспериментальные значения эффективностей, а также величина разброса интенсивностей в рабочих лучах приведены в таблице 1.

Рис.3           (а)                                            (б)                                            

Таблица 1. Эффективность и величина разброса интенсивности в рабочих лучах расщепителя.

При изготовлении  расщепителя размер (D) одного периода фазовой структуры (Рис.3б) выбирается из условия требуемой величины углового положения  выходных лучей:

 q  = arcsin (l / D ), 
      где l - длина волны света, 
              D - размер периода структуры.

Световая апертура расщепителя состоит из мультиплицированной по плоскости фазовой структуры одного периода (Рис.3б), причем число периодов по каждой координате должно составлять не мение 3...5 для того, чтобы обеспечить малую дифракционную расходимость лучей ( для экспериментального образца было использовано 20 х 20 периодов). На рис. 4 показана SEM микрофотография фрагмента мультиплицированной фазовой структуры расщепителя.

Рис.4 SEM микрофотография фрагмента мультиплицированной фазовой структуры расщепителя.

Аналогично был расчитан и изготовлен ряд расщепителей, экспериментальные световые распределения для некоторых показанны на рис.5, а в таблице 2 приведены расчетные и экспериментальные параметры эффективности.

      Рис.5 Экспериментальные световые распределения для расщепителей 3 х 3 (а), 3 х 4 (б), IONT (в), цифрами указаны относительные интенсивности света в лучах.

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные параметры эффективности для ряда расщепителей.

Представленные выше расщепители создают равные интенсивности света в лучах. Аналогично могут быть расчитаны и изготовлены расщепители с индивидуально заданной относительной интенсивностью в каждом луче. При необходимости, в процессе расчета могут подавляться световые помехи расположенные как в пределах контура основного светового распределения, так и вне его.  

Другим примером возможностей расщепителей (с большим количеством лучей) может служить получение с их помощью полутонового изображения. На рис.6 показаны соответственно: (а) - исходное полутоновое изображение ( Юпитер ), (б) - синтезированная фазовая структура, (в) - компьютерно моделированное изображение создаваемое такой структурой.

Рис.6 Пример синтеза полутонового изображения с помощью компьютерно-синтезированной голограмы. 

3.3 Фокусирующие (Френелевские) HOE для ближней зоны дифракции. 

Основное назначение компьютерно-синтезированных голограмм для ближней зоны дифракции это создание заданных световых распределений лазерного излучения на небольшом расстоянии от голограммы с одновременной фокусировкой. Входная апертура голограммы освещается монохроматическим параллельным лазерным лучем перпендикулярно поверхности. Прошедшее через нее излучение образует пространственный  веер сходящихся в фокусах лучей, причем при расчете может быть задано число таких фокусов от 1 ( частный случай классической линзы Френеля ) до десятков тысяч. При расчете задается число фокусов, их положение на фокальной плоскости и относительные интенсивности в каждом фокусе. Эти параметры взаимосвязаны, поэтому практически реализуемые значения уточняется в процессе компьютерного синтеза и моделирования таких многофокусных элементов. Кроме того  из-за дискретности представления фазовой структуры элемента для фокусирующих HOE возникает ряд геометрических ограничений на максимально допустимый размер апертуры, минимально возможное фокусное расстояние, размер расчетной сетки.Эти ограничения в случае классической линзы Френеля подробнее рассмотрены в разделе 3.4. Энергетическая эффективность HOE зависит от конкретной конфигурации элемента и числа фазовых уровней используемых при расчете, она может быть > 70%. 

На рис. 7 приведены примеры двухуровневых фазовых фокусирующих элементов с небольшим числом фокусов для длины волны лазера 650 нм. Они имеют размер световой апертуры 0.192x0.192 мм² и фокусное расстояние 2.0 мм.  Показаны расчетные фазовые структуры голограмм и экспериментальные выходные световые распределения в фокальной плоскости (размер расчетной сетки 64x64).

 Фазовые структуры фокусирующих HOE.

Выходные световые распределения фокусирующих HOE (эксперимент).  

Рис.7 Фазовые структуры и экспериментальные световые распределения создаваемые фокусирующими HOE.

     Многофокусные компьютерно-синтезированных голограммы с большим числом фокусов могут использоваться для формирования изображений, например, букв. Пример синтеза буквы "Т"  и "С" показан на рис.8. Изображение каждой буквы формируется с помощью более чем 70 фокусов с равной интенсивностью. Фокусы расположены в узлах сетки дискретизации в шахматном порядке для уменьшения степени взаимного перекрытия распределений интенсивностей соседних узлов сетки, вызванных дифракционной расходимостью света. Поскольку фазы излучения в узлах случайны, значительное частичное перекрытие световых распределений могло бы приводить к увеличению разброса интенсивностей в фокусах.

Рис.8 Исходное изображение (а), фазовая структура (б), расчетное изображение (в), экспериментальное световое распределение (г)

 3.4 Растры фокусирующих HOE.

Приведем пример синтеза и изготовления растра фокусирующих HOE. Были выбраны следующие параметры составляющих растр микроэлементов: F=2.0мм, l=0.65мкм, D=0.192мм, M=64,  N=2. В качестве отдельных многофокусных микроэлементов составляющих растр были использованы голограммы показанные на рис.7. На Рис.9 приведено экспериментально полученное выходное световое распределение, формируемое растром из 8х8=64 многофокусных HOE с общей апертурой 1.536х1.536 мм2.(Цветом выделены световые распределения создаваемые отдельными голограммами).

При этом коэффициент увеличения линейного размера сетки отсчетов в фокальной плоскости по отношению к линейному размеру апертуры HOE согласно (3) равен a=lFM/D²=2.26. Для избежания перекрытия в фокальной плоскости полей, формируемых отдельными фокусирующими HOE, рабочие поля вписывались в матрицы отсчетов размером CxC узлов сетки дискретизации, где согласно (4) C=M/a=28. На рисунке выделены распределения, соответствующие четырем различным отдельным фокусирующим HOE.

Рис.9 Выходное световое распределение, формируемое растром из 8х8=64 многофокусных HOE. (Цветом выделены световые распределения создаваемые отдельными голограммами).

Примером более сложного растра служит растр букв ( для него использованы голограммы аналогичные показанным на рис.8). На рис.10(а) показано выходное изображение создаваемое таким растром. Видимая на рисунке неравномерность яркости изображения вызвана неравномерностью интенсивности засветки площади апертуры голограммы, обусловленная диаграммой направленности  луча полупроводникового лазера, использованного при измерениях. На рис.10(б) показан увеличенный фрагмент изображения. На рис.11 показана микрофотография фрагмента поверхности фазовой структуры растра.

  Рис.10 Изображение создаваемое растром 8х8=64 букв (а), увеличенный фрагмент изображения (б).

Рис.11 Микрофотография фрагмента поверхности фазовой структуры растра.

 3.5 Заключение.

Полученные экспериментальные результаты соответствуют расчетным с достаточной для практических применений точностью. Разработанная методика синтеза многофокусных HOE и технология прямой электроннолучевой записи позволили создать новый класс элементов для лазерной оптики. Объединение многофокусных HOE в растры позволяет получать сложные световые распределения с большой общей апертурой при малых фокусных расстояниях, что не реализуется традиционными методами, а также имеет очевидные преимущества по сравнению с методами прямого синтеза для аналогичных выходных световых распределений.

Приведенные многофокусные растры HOE могут найти применение в области волоконной связи, в системах обработки изображений, для создания оптических нейросетей, а также в качестве новых многофункциональных микрооптических элементов для лазерной техники. Применение подобных оптических элементов в нейрокомпьютерах позволяет организовать межслойные оптические связи с заданными весовыми коэффициентами.

Проведенные исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 01-07-90134 и программы «Интеллектуальные компьютерные системы» (проект 4.5).