Лазерные интерферометрические и дифракционные системы

ДИФРАКЦИОННАЯ ОПТИКА, ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЛАЗЕРНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ И ДИФРАКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Вольдемар Петрович Коронкевич главный научный сотрудник,

составители: Александр Григорьевич Полещук (заведующий лабораторией дифракционной оптики, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su), Андрей Георгиевич Седухин (ст.н.с. лаборатории дифракционной оптики, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su), Галина Александровна Ленкова (ст.н.с. лаборатории дифракционной оптики,

e-mail: lenkova@iae.nsk.su) Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Аннотация

В работе обобщены результаты основных научно-исследовательских работ, выполненных автором более чем за 50-летний период деятельности. Поставлена и решена серьезная задача создания и практической реализации лазерных интерферометрических и дифракционных систем, предназначенных для выполнения широкого круга конкретных применений в области научного эксперимента и промышленной технологии.

Ключевые слова: лазерные интерферометры, дифракционные оптические элементы.

Введение

Оптическая интерферометрия с появлением лазеров значительно преобразилась. Наряду с развитием традиционных систем и их приложений возникло новое научное направление - лазерная и дифракционная интерферометрия. Это стало возможным благодаря тому, что арсенал экспериментальных средств, которые получили в свое распоряжение исследователи, существенным образом расширился. Стало возможным наблюдать интерференцию от независимых лазерных источников, создавать интерферометры с разностью хода, достигающей сотни метров, и генерировать волновой фронт необходимой формы за счет дифракции на компьютерной голограмме. Возникли новые типы интерферометров, не имеющие аналогов в классической оптике, - доп-леровские измерители скорости, где информация извлекается из света, рассеянного частицами, пробегающими через поле интерференции, и трехзеркаль-ные «активные» системы, когда лазер помещен внутри интерферометра. Если учесть, что интерференционное поле имеет регулярную структуру и его пространственный период является удобной и стабильной мерой для абсолютного измерения перемещения и геометрических размеров, а также их производных: скорости, ускорения, силы, формы объектов, плотности вещества, то станет понятным, что новое направление базируется на классическом физическом обеспечении [1-3].

Настоящая работа посвящена обзору тенденций развития лазерных интерферометрических и дифракционных систем, разработке концепций их построения и проведению научных экспериментов в физической оптике, астрономии, гравиметрии и гидродинамике. Особое внимание уделено применению новых устройств в промышленных технологиях для машиностроения, приборостроения и металлургии. Актуальность работы обусловлена необходимостью создания эффективно работающих лазерных и дифракционных интерферометров, что потребовало

детального изучения интерференционных явлений в зеркальных интерферометрах и интерференционного поля за дифракционными компонентами в дальней и ближней зонах дифракции.

Дифракционные оптические системы проходят сегодня стадию становления. К ним относятся не только дифракционные интерферометры, но и элементы и приборы с дифракционными компонентами, осуществляющими геометрические и волновые преобразования световых полей. Основные усилия были направлены на создание и разработку научных основ технологии синтеза дифракционных структур и оборудования для их изготовления и контроля. Часть работы посвящена исследованию новых элементов, которые ранее не были известны в оптике.

В работе обобщены результаты научно-исследовательских работ, выполненных автором более чем за 50-летний период деятельности. На их становление существенное влияние оказали исследования петербургской школы оптиков - академика В.П. Линника, М.Ф. Романовой, А.Н. Захарьевского и А.И. Карташе-ва. Приоритетные исследования в области дифракционной оптики были впервые в мировой практике осуществлены в работах А.Н. Тудоровского и Г.Г. Слюсарева. Плодотворно ведутся работы по дифракционной оптике под руководством В. А. Сойфера в г. Самаре. Он и его сотрудники существенным образом способствовали становлению этого нового направления прикладной оптики. Большой вклад в развитие дифракционной оптики внесли исследования С.Т. Боброва, Ю.Г. Туркевича и Г.И. Грейсуха.

Представленная работа в значительной мере базируется на исследованиях, выполненных в Институте автоматики и электрометрии СО РАН (Академгородок, г.Новосибирск) совместно с А.Г. По-лещуком, Ю. Н. Дубнищевым, Г. П. Арнаутовым, Г.А. Ленковой, В.П. Корольковым, В.С. Соболевым,

A.И. Лохматовым, Ю.Ф. Стусём, Е.Н. Калишем,

B.П. Кирьяновым, И.Г. Пальчиковой, И.А. Михаль-цовой, Ю.И. Юрловым и А.М. Щербаченко.

1. Лазерные интерферометрические системы

Лазерная интерферометрия - интенсивно развивающаяся область прикладной оптики и измерительной техники, имеющая широкую сферу применений как в научном эксперименте, так и в промышленной технологии.

Интерферометры перемещений и направлений, предназначенные для измерения длины и положения объектов, были известны в долазерный период. Длина определяется по разности фаз интерферирующих пучков (фактически сравнивают измеряемый отрезок с длиной волны источника излучения), а о положении объекта судят по изменению ширины и направления полос интерференционного поля. До появления лазеров этот класс приборов использовался главным образом в практике физического эксперимента и для высокоточных метрологических измерений. Новый класс интерферометров впервые был разработан автором и описан в работах [4-8]. Лазеры существенно преобразовали интерферометры и значительно расширили область их применений.

Отметим основные особенности лазерных интерферометров по сравнению с приборами классической интерферометрии.

Малая спектральная ширина излучения лазера обуславливает высокую длину когерентности и позволяет наблюдать явления интерференции при разностях хода, превышающих сотни метров. Лучшие спектральные лампы ограничивали измерительные возможности классических приборов расстояниями, не превышающими один метр.

Высокая пространственная когерентность лазерного излучения при построении интерферометров дает возможность наблюдать контрастную интерференционную структуру. Лазерный пучок имеет обычно гауссово распределение поля в поперечном сечении. Как известно, гауссово распределение в сравнении с другими распределениями поля в сечении пучка обеспечивает минимальную угловую расходимость. В результате отпадает необходимость применения длиннофокусных входных и выходных коллиматоров, сокращаются более чем на порядок габариты прибора, расширяются допуски на оптические элементы интерферометра и облегчаются требования к его юстировке. Высокая направленность лазерного излучения позволяет в большинстве интерферометрических систем не учитывать поправку на размер источника.

Малые размеры входной апертуры дают возможность строить лазерные интерферометры, в которых количество отражений в плечах отличается на нечетное число. Интерферометры с перевернутыми зрачками чувствуют смещение источника относительно визирной линии прибора и могут быть применены для определения положения объектов. В классической интерферометрии схем с инвертированными пучками старались избегать.

Необходимую информацию несет переменная составляющая сигнала, фаза которого пропорциональна разности хода в интерферометре. Интерференцион-

ный фон, или постоянная часть сигнала, не содержит полезной информации и при последующей обработке исключается. Для дискриминации интерференционного фона и связанных с ним помех применяют метод переноса спектра сигнала в высокочастотную область. Сдвиг спектра сигнала - характерная особенность современных лазерных интерферометров. Эта операция облегчает обработку сигнала, улучшает отношение сигнал-шум, повышает точность измерения дробной доли интерференционной полосы, позволяет устранить влияние турбулентных помех и существенно повышает надежность прибора.

Доплеровские интерферометры, предназначенные для измерения скорости, появились после изобретения лазеров и не имеют аналога в классической интерферометрии. В приборах такого типа методами оптического смешения определяется частотная структура световых волн, дифрагированных на случайном ансамбле движущихся рассеивающих центров. Специфика применений и схемных решений выделила этот тип приборов в отдельное направление лазерной интерферометрии.

При проведении фундаментальных работ в геофизике, геодезии и астрономии требуется точное знание ускорения силы тяжести. Определение фигуры Земли, детальное исследование ее геологического строения и физических свойств (упругости, вязкости) зависят от точности измерения гравитационного ускорения и его изменений в пространстве и времени. Основную часть лазерного гравиметра составляет интерферометр, позволяющий определить путь падающего пробного тела с относительной погрешностью ± 2-10-9.

При проведении абсолютных измерений при помощи лазерных интерферометров необходимо точное знание показателя преломления и дисперсии воздуха, поскольку большая часть измерений (особенно в промышленности) осуществляется в воздухе. Интерференционные методы контроля показателя преломления могут быть перенесены и на определение плотности прозрачных сред.

1.1. Лазерные интерферометры для абсолютных измерений длины

Интерференционные измерения длины в дола-зерный период времени были поставлены в ведущих метрологических лабораториях мира на достаточно высоком уровне. Для абсолютного измерения длины до 100 мм применяли в основном метод «совпадения дробных», т.е. измерения осуществляли в нескольких длинах волн видимого диапазона спектра, а вычисление измеряемой длины производили путем сравнения полученных из эксперимента данных в дробных долях интерференционной полосы для данной спектральной линии с данными из таблиц. Длины от 100 мм до 1000 мм определяли в основном оптическими методами умножения длины. Достигнутые к 60-м годам прошлого века точности составляли в абсолютной мере для длин в 100 мм ~ 0,02-0,05 мкм, а для длины в 1000 мм ~ 0,2 мкм.

С появлением лазеров эта ситуация изменилась. Новый класс приборов - интерферометры перемещений [2, 3, 9-18] - позволил расширить пределы точных измерений длины до 50-60 м и выше, а главное, - при сохранении достигнутых к тому времени точностей, производить эти измерения не только в 5-6 ведущих лабораториях мира, а сделать эти измерения доступными для исследовательских лабораторий и промышленности.

Лазерный интерферометр перемещений - линейная измерительная система для абсолютных измерений длины путем сравнения с длиной волны стабилизированного по частоте лазера. Сравнение измеряемого отрезка осуществляется при помощи дву-лучевого интерферометра, одно из зеркал которого связывают с объектом. При движении объекта изменяется разность хода интерферирующих пучков, и на выходе прибора наблюдают характерные колебания светового потока от минимального до максимального значения. Смещение зеркала на половину длины волны излучения лазера, т. е. на одну полосу интерференционного поля, соответствует одному периоду в изменении светового потока. Число полос подсчитывается фотоэлектронной системой, а измеряемая длина вычисляется по следующей формуле:

L =

где (Ы + Лф) - порядок интерференции (целая и дробная части числа полос); - длина волны излучения лазера в вакууме; пвозд - показатель преломления воздуха, в котором производятся измерения.

Следовательно, процедура измерения длины обязательно требует прохождения зеркалом прибора заданного расстояния. Здесь в отличие от интерферометров, работающих «методом совпадения дробных частей», длина определяется в динамическом режиме путем перемещения. Фактически «операция сравнения» обратна классическим экспериментам Майкельсона по измерению длины волны излучения. В интерферометрах перемещений исходной мерой является естественная константа - длина волны стабилизированного лазера. Значение длины волны для современных лазеров известно с относительной погрешностью от 510-8 до 5-10"9, т.е. находится на уровне погрешности воспроизведения желто-оранжевой линии изотопа криптона-86, положенной в основу определения метра еще в долазерный период. Таким образом, этот класс оптико-электронных приборов позволяет измерять длину практически с точностью исходных образцовых мер.

Спектр применения этих приборов достаточно велик: от физических экспериментов по установлению абсолютного значения ускорения силы тяжести, прогнозирования землетрясений и контроля ядерных испытаний до станков с программным управлением и автоматизированных систем для выпуска промышленной продукции. Лазерными интерферометрами оборудуют станки для выпуска крупногабаритных зеркал, измерительные машины

для контроля деталей машиностроения, установки для производства магнитной памяти к ЭВМ и т.д. В эксплуатации находятся устройства изготовления плоской оптики и синтезированных голограмм.

Возможности лазерных интерферометров иллюстрирует рис. 1, где в логарифмическом масштабе показаны точностные характеристики прибора в зависимости от пределов измерения. Имея лучшие точностные характеристики, чем основные нормали машиностроения - концевые (1) и штриховые (2) меры длины 2-го разряда, лазерные интерферометры (3) в значительной степени перекрывают последние по диапазону измеряемых величин. Можно утверждать, что лазерные интерферометры с пределами измерений от 0 до 60 м с относительной погрешностью 1-10"7 являются современными «световыми мерами длины». По диапазону и точности они превосходят всю гамму измерительных приборов машиностроения и приборостроения.

АЬ, мм

В составе современного лазерного интерферометра перемещений можно выделить два крупных блока: оптический интерферометр с лазерным источником и цифровую систему регистрации и обработки результатов измерения. При выборе концепции построения прибора приходится учитывать ряд факторов, связанных с эксплуатацией прибора в условиях промышленного производства.

Эксперименты показывают [2-3], что при расширении диапазона измерений до 60 м изменяются параметры интерференционного сигнала. Постоянная составляющая из-за расходимости лазера и дифракционных потерь на оптических элементах уменьшается практически на порядок, в полезном сигнале значительно возрастают шумы, вызванные турбулентностью воздуха. Поэтому в современных разработках фон интерференционного сигнала исключают путем переноса спектра сигнала в высокочастотную область. Этот переход к системам «переменного тока», т. е. к интерферометрам, работающим на бегущей интерференционной картине, обеспечил высокую эксплуатационную надежность новых систем при полном сохранении их характеристик.

Наилучшие практические и коммерческие успехи достигнуты фирмой «Хьюлетт-Паккард» (США), интерферометр которой появился на мировом рынке

в 1970 г. В этом приборе подавление низкочастотных шумов и перенос спектра сигнала осуществлены путем внешней модуляции интерференционной картины, без введения дополнительных элементов в оптическую схему интерферометра. Это позволило работать на длинных трассах в условиях, когда в интерферометр возвращается всего несколько процентов света, отраженного от подвижного отражателя. Интерферометр с двухчастотным лазером на входе имеет минимальное число оптических деталей, легко стыкуется с периферийными устройствами для измерения прямолинейности, плоскостности и угловых поворотов.

При разработке концепции построения конкурентоспособной системы большой вклад внесли исследования, выполненные в ИАиЭ СО РАН Г.А. Ленковой, В.П. Кирьяновым, А.М. Щербачен-ко, В.М. Ведерниковым и А.И. Лохматовым.

В 1973 г. нами был разработан лазерный интерферометр ИПЛ-10 [19], основные характеристики которого не уступали интерферометру с двухчас-тотным лазером. В нем заложен новый принцип фазовой модуляции. Достоинством прибора стало то, что он не имел ограничений на скорость перемещения подвижного отражателя, и на его входе был установлен одночастотный стабилизированный лазер, метрологические характеристики которого хорошо изучены, а технология производства значительно проще и дешевле двухчастотного. Модификация интерферометра ИПЛ-10 дала возможность автоматически исключить из результатов измерений погрешность Аббе, которая появляется при нарушении принципа компарирования и ограничивает точность измерений.

В последующие годы базовая конструкция ИПЛ-10 была встроена в фотограмметрический автомат «Зенит-2», предназначенный для обработки фотоизображений, в систему голографической памяти, в устройство для синтеза элементов плоской оптики (киноформов), в прибор для определения плотности воды на больших глубинах в океане, а также использовалась для работ по контролю метрологических параметров тяжелых станков.

Не останавливаясь на концепции построения прибора, рассмотрим особенности оптических схем интерферометров перемещений. При анализе оптических схем автор придерживается геометрической теории интерферометров [2-3].

По аналогии с обычными оптическими приборами двулучевой зеркальный интерферометр можно рассматривать как оптический инструмент, имеющий зрачок входа (источник излучения) и два зрачка выхода (изображение источника в плечах интерферометра). Тогда поле интерференции является люком выхода, а его изображения в плечах интерферометра - люками входа.

Интерферометр перемещений можно представить упрощенной схемой, показанной на рис. 2а. Источник излучения 5 с угловой апертурой и распо-

ложен в фокусе объектива 4. Параллельный пучок после объектива проходит интерферометр 1-3 и освещает поле интерференции. В поле интерференции установлена диафрагма (люк выхода) фотоприемника М. Ее изображения через двулучевой интерферометр являются входными люками прибора. Точки Мх и М2 называют соответственными точками входных люков. Их расположение зависит от геометрических параметров интерферометра и в основном определяется измеряемым перемещением, качеством элементов и юстировкой прибора. В современных схемах при измерении длин до 60 м расстояние между люками М\ и М2 по оси х может составлять 120 м.

Чч \ М' Г У !ЧГ 2 к М] М2

°А 4 3 А 1 ь / " 2Ь X

Рис. 2

Далее предполагаются следующие упрощения: источник лежит на оси, имеет круглую форму, и его излучение строго монохроматическое (12/Д 1>> 120 м); в поле интерференции наблюдают нелокализован-ные полосы равной толщины, параллельные плоскости рис. 2.

Интенсивность света в точке поля М

Т

1М = «1 + а2

+ 2а1а2у12 008 ф,

где ф - разность фаз между Мх и М2; у12 - коэффициент когерентности. Из теории интерферометров известно, что если входные люки лежат на одной прямой, т.е. у2 = у1, то 8т

\2 = -

А = 2п (х2 - х1) 1.

Аи2 /2

При х2 = х1

У1,2 = Jl

Здесь J1(Bu) - функция Бесселя первого порядка. В общем случае, когда точки М1 и М2 расположены произвольно,

\г =

где и и и2 - функции Ломмеля от А до В. Формула (5) при А = 0 или В = 0 переходит в формулы (3) и (4). Из них можно вычислить допустимые значения угловой апертуры источника и приемника, допуски на элементы интерферометра и требования к возможным смещениям оптических деталей, если известны поперечные у2 - у! или продольные х2 -смещения соответственных точек люков (рис. 26).

Оптические элементы в плечах интерферометра необходимо располагать так, чтобы смещение соответствующих точек не превышало допустимых значений из соотношения (5). Иными словами, при любых положениях зеркал интерферометра соответствующие точки люков должны лежать в объеме пространственной когерентности источника излучения.

Для определения функции g12 необходимо найти аналитическое выражение для разности хода пучков, прошедших первое и второе плечо интерферометра, например, путем подсчета длины хода лучей в конкретной схеме. Насколько это сложно, можно судить по классической работе Е.Р.Пека ("Theory of the Corner-Cube Interferometer", J.Opt.Soc.Am., 1948, №12), выполненной для интерферометра перемещений с уголковыми отражателями.

Ниже эта задача решается [2] исходя из геометрической теории интерферометров. Более подробные сведения даны в работе Г.А. Ленковой («Особенности интерферометров перемещений с обычными и лазерными источниками излучений» Автометрия №5, 1972, С. 39-46). Обратимся к рис. 2а, где представлена схема классического интерферометра Майкельсона с уголковыми отражателями. На выходе интерферометра в точке поля интерференции М установлен фотоприемник. В измерительном плече интерферометра отражатель 2 сдвинут на расстояние L относительно референтного отражателя 1. Изображение референтного отражателя в светодели-тельном зеркале 3 показано штриховыми линиями и обозначено 1'. Далее построим изображение точки М (люк выхода) в референтном и измерительном плечах интерферометра. Для этого вначале найдем изображение М в зеркале 3. Это будет М '. Затем получим изображение М ' в зеркалах 1 и 2. Из чертежа видно, что соответственные точки входных люков М1 и М2 будут сдвинуты вдоль оси х на 2L.

Входной коллиматор 4 с источником излучения 5 и два люка входа М1 и М2 образуют пространство предметов интерферометра. При расчете разности хода можно не учитывать схему интерферометра 1 -3 и оперировать только с входными люками и коллиматором.

На рис. 2б изображены типичные положения входных люков. В первом случае соответственные точки сдвинуты вдоль оси х, во втором - вдоль оси у. По правилам построения схем интерферометров при наблюдении нелокализованных полос равной толщины для пары соответственных точек М1 и М2 из источника можно провести только два единственных луча под углом u к оптической оси. Тогда разность хода будет равна проекции отрезков х2 - х1 и у2 - у1 на направление лучей:

81 = (x2 - x1) cos u

(x2 -X,)|l—

8 = 8. +82 =

Если уголковый отражатель смещен на величину h перпендикулярно к плоскости, то к соотношению (7) добавится член вида 2h cos р. Здесь р - угол между направлением смещения и осью у. С другой стороны, х2 - х1 = 2L, тогда

8 = 2L - Lu2 +

Таким образом, разность хода зависит от размера входной апертуры источника u. При перемещении отражателя в результаты измерения длины будет внесена погрешность -Lu2. Эта погрешность второго порядка малости, и ее учитывают только при особо точных измерениях. Смещение отражателя перпендикулярно линии измерения может дать погрешность первого порядка относительно u. Смещения вызываются непрямолинейностью направляющих, клиновидностью призм и другими причинами. Поэтому для конкретных схем необходимо определить смещение соответственных точек и, исходя из угловой апертуры источника, вычислить допуски на эти элементы.

Допустимое значение угловой апертуры можно получить из формул (3) и (4), если задана измеряемая длина х2 - х1 = 2L и поперечные смещения уголковых отражателей. Для заданной степени когерентности (например, g = 0,9 - область нормального контраста) объем пространственной когерентности, т. е. размеры пространства, где должны находиться соответственные точки, следующие:

l п

- X "ТГ при у2 - у = 0,

2u

у2 - у1 « — при 2L = 0. 7u

Действительный объем пространства когерентности необходимо уменьшить, так как если при Ь ф 0 имеется поперечное смещение, то допуск на продольное смещение уменьшается. Из (9) определим необходимый размер входной апертуры источника:

\ 1/2 u = fA 1

4L)

82 = (у2 -у1 )sinu « (у2 -у1)u. Из (6) следует

Из формулы (9) вытекает фундаментальное соотношение для интерферометров перемещений:

ЫОм = п.

Здесь N = 2Ь/1 - порядок интерференции, Ом = пы2 - телесный угол входного коллиматора.

При освещении интерферометра лазером ситуация меняется. Типичный стабилизированный лазер (1 = 0,63 мкм), работающий в одной моде, имеет апертуру ~ 1-10"3 рад. Продольная пространственная когерентность, вычисленная из соотношения (9), равна ~ 316 мм.

Для уменьшения расходимости лазера и увеличения объема пространственной когерентности на входе интерферометра обычно применяют обратный телескоп. Первая линза телескопа имеет небольшое фокусное расстояние Л < 10 мм). Вторая линза (/2 ~ 50-70 мм) работает аналогично коллиматору (рис. 2). Стандартная осветительная система лазерного интерферометра перемещений приведена на рис. 3б.

а)

Г—^

А Л Г  Л' ,

б)

Рис. 3

Можно показать, что отношение расходимости до (и0) и после коллиматора (и2) будет:

г [401 - ¿0)+ъ: ]1'

к

Видно, что расходимость зависит не только от увеличения телескопа (Г), но и от расстояния лазера до первой линзы (^0). В (13) Ъ0 - конфокальный параметр лазера. К сожалению, конструктивные особенности интерферометров перемещений не позволяют относить лазер от коллиматора на большие расстояния. Обычно ~ 5/1, поэтому при подсчете расходимости и вычислении продольной пространственной когерентности необходимо пользоваться формулами (9) и (13). Если расходимость малогабаритного лазера и0 = 1 -10-3 рад и ё0 =Л, то перетяжка лазера совпадает с передней фокальной плоскостью лин-зыЛ телескопа (Г = 10х). Тогда и2 = и0/Г = 1-10-4 рад и в соответствии с (9) продольная пространственная когерентность равна 32 м.

Поскольку максимальная энергия лазера после прохождения телескопа сосредоточится в задней фокальной плоскости объектива /2, эквивалентная оптическая схема интерферометра (пространство предметов) будет элементарно проста. Она показана на рис. 3б и состоит из перетяжки ю2 и двух люков

входа (зеркала интерферометра).

Выше были приведены особенности освещения интерферометров перемещений. Они достаточно важны для этого класса приборов, так как при измерениях с погрешностью 10-8 необходимо в результат вносить поправку, зависящую от размера угловой апертуры входного зрачка или расходимости лазера. Следует отметить, что техническое решение и выбор осветительного коллиматора для интерферометров перемещений элементарно просты. На входе прибора во всех практических схемах устанавлива-

ют обратный телескоп с небольшим увеличением (5 10)х. Для измерения длин до 200 мм интерферометр освещают непосредственно от лазера без промежуточных оптических элементов.

Выбор схемы собственно интерферометра зависит от принципа, заложенного в электронную систему обработки сигнала, способа соединения базовой конструкции интерферометра с периферийными оптическими блоками, предназначенными для измерения угловых поворотов, плоскостности, прямолинейности и других физических величин. Большое значение для конструкции имеет назначение системы - однокоординатные или двухкоординатные измерения, измерения в объеме с исключением погрешности Аббе и т. п. Вместе с тем при выборе ряда элементов прибора сложились определенные стереотипы. Как правило, у большинства систем в качестве отражателей применяют уголковые призмы, позволяющие исключить две угловые степени свободы. Светоделители чаще всего выполняют в виде кубика с приклеенными к нему дополнительными элементами. Для получения сдвига между фотоэлектрическими сигналами на 90° и разделения излучения по частоте используют поляризационные фильтры. Для того, чтобы обеспечить автоматическую развязку резонатора лазера от автоколлимационных бликов деталей интерферометра, разносят места деления и рекомбинации интерферирующих пучков по пространству.

Отметим, что разработанные нами интерферометры перемещений использовались в составе отсчетных систем координатно-расточного станка 2А435 [20] и координатно-измерительной машины КИМ-600 (ОКБ Минавиапрома, г. Владимир). Новосибирский приборостроительный завод выпускал лазерный интерферометр под маркой ФОУ. Интерферометр ИПЛ-10 применялся в 70-х и 80-х годах на заводе «Тяжстан-когидропресс» (г. Новосибирск) в процессе технологических операций сборки, юстировки и аттестации уникальных тяжелых крупногабаритных станков, например, НС33Ф2 [21]. ИПЛ-10 представлял собой многофункциональное измерительное устройство, позволяющее производить высокоточные измерения длин, скоростей движения, угловых поворотов, усреднять результаты измерений, вводить поправки на непрямолинейность перемещения объекта. Внешний вид этого прибора представлен на рис. 4а, оптическая схема - на рис. 46. Конструктивно блок представляет собой комбинацию из трёх интерферометров: основного, опорного и углового, имеющих общее плечо с афокальной отражательной системой типа «кошачий глаз». Основные характеристики этого опередившего время универсального прибора приведены в таблице 1.

В последние годы нами был разработан новый интерферометр [22], упрощенная схема которого приведена на рис. 5. Формирование интерференционных полей реализуется с помощью фазовой пластины 1/4 (6), фазовой дифракционной решёт-

и

и

ки 7 и трёх поляроидов 8, 9, 10. Фазовая пластина 6 вводится для преобразования поляризаций одновременно в оба интерферирующих пучка. Использование дифракционной решётки 7 вместо традиционных светоделительных кубиков даёт возможность создавать компактные оптические схемы. Поляроиды 8 10, установленные перед фотоприёмниками 11 13, вносят регулируемый фазовый сдвиг в выходные сигналы преобразователя. Пара квадратурных сигналов, необходимых для реализации алгоритма реверсивного счёта полос, получается путём попарного вычитания сигналов и01, и02 и и03:

и = и 01 - и 02 =л/2-ит яп | ф + р

и 2 = и 02 - и 03 =л/2 -ит сое I Ф + 4 I.

б;

у "У

Рис. 4

Таблица 1.

Пределы измерений перемещения 0 45м

Разрешающая способность перемещения 10 нм

Точность измерений 0,110-6

Диапазон измерения скоростей 0 15 м/мин.

Диапазон измерения углов поворота ± 30°

Разрешающая способность измерения углов 0,02"

/

11

7 6 9\оЮ

Л12

13

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

Рис. 5

Этот простой лазерный интерферометр прекрасно зарекомендовал себя в качестве измерительного звена прецизионных систем позиционирования [23]. Он стал одним из основных узлов круговых лазерных записывающих систем [24-27] типа CLWS-300 и CLWS-200, разработанных в ИАиЭ СО РАН совместно с КТИ НП СО РАН для изготовления элементов дифракционной оптики и поставленных в 1995-2005 г. ряду научных центров и предприятий России, Германии, Италии и Китая.

1.2. Определение ускорения силы тяжести

При проведении фундаментальных исследований в геофизике, геологии, астрономии и метрологии требуется знание значения ускорения силы тяжести g с погрешностью менее 1(10-8 - 10-9) g. Особенно высокие требования к точности измерения ускорения силы тяжести предъявляются при решении задач глобальной геодинамики: относительная погрешность измерений не должна превышать значений 1-10-9 g (наиболее распространенной единицей измерения g в настоящее время является 1 микрогал (мкГал) = 1-10-8 м/с2 @ 1-10-9 g). Наиболее перспективным с точки зрения повышения точности, является измерение методом свободного падения тел. В этом случае ускорение силы тяжести определяют непосредственно используя естественные единицы длины и времени: измерение пути, пройденного падающим телом, осуществляется интерферометром (мерой служит длина волны лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре излучения), а измерение времени - прецизионным стандартом частоты [28-34].

Схема интерферометра гравиметра (рис. 6а) построена по принципу измерения времени прохождения падающим телом двух заданных интервалов пути, начала которых совпадают. При этом значение ускорения силы тяжести вычисляется по следующей формуле:

g = 2

где Т1 и Т2 - времена прохождения заданных интервалов пути и 52; Лg - поправка, учитывающая влияние градиента силы тяжести, лунно-солнечное притяжение, а также инструментальную погрешность прибора.

Рис. 6

В настоящее время при продолжительности свободного падения ~0,2 с число измеряемых интервалов пути и времени может достигать нескольких тысяч.

Принципиальным отличием нашего интерферометра от применяемых в других гравиметрах является использование двух лазеров: основного и контрольного лазера с йодной ячейкой. Основу оптической схемы гравиметра составляет интерферометр Майкельсона. Излучение основного лазера 1 делится светоделителем на два пучка. Один из этих пучков направляется в измерительное плечо интерферометра к свободно падающей призме 2, расположенной в вакуумной камере, другой - к референтному уголковому отражателю 3. Отраженные пучки рекомбинируют на светоделителе 4 и направляются на лавинный фотодиод 5. Выходным сигналом фотодиода при ускоренном движении призмы 2 является синусоида с нарастающей частотой с 10 до 24 мГц. Часть излучения от отражателя 2 идет к масляному зеркалу 6. Контрольной лазер 7 с йодной ячейкой внутри резонатора служит для калибровки основного с помощью фотоприемника 8. Относительная погрешность аттестации длины волны не превосходит в этом случае 1 -10-9. Для определения интервалов времени Т, прохождения заданных интервалов пути используют метки времени, сфор-

мированные из сигналов рубидиевого стандарта частоты. Для исключения микросейсмических колебаний референтный отражатель 3 располагался в центре качаний сейсмографа.

Точность измерения была существенно увеличена при внесении поправок на доплеровское сокращение длины волны и особенности структуры гауссовых пучков. Последнюю поправку теоретически и экспериментально впервые в практике интерференционных измерений определил Ю.Ф. Стусь [34].

По результатам международных метрологических сравнений лучших в мире лазерных гравиметров, проводимых регулярно с 1981 года , в которых традиционно участвовал ИАиЭ СО РАН с постоянно модифицируемыми гравиметрами серии ГАБЛ (рис. 66), установлено, что эти гравиметры в течение более 20 лет занимают (наряду с аналогичными приборами США, Франции и Италии) лидирующее положение в мире. В частности, по результатам сверки гравиметров, разница в показаниях гравиметров ГАБЛ-Э (Россия) и ГО-5 N 107 (США) не превышала +1-10"8 м/с2. Разброс показаний других гравиметров был на порядок хуже [35].

Международное признание гравиметра ГАБЛ, занявшего по результатам международных метрологических сравнений одно из лидирующих мест в мире по точности измерения g, проявилось во включении его, начиная с 1976 года, в различные международные программы исследований гравитационного поля Земли. Результаты измерения гравиметрами серии ГАБЛ способствовали уточнению и расширению международной гравиметрической сети и исследованиям неприливных вариаций ускорения силы тяжести. В различных точках Земли этими гравиметрами создано около 50 опорных гравиметрических пунктов высшей точности в диапазоне широт от + 68° (Финляндия) до - 43° (Тасмания).

Результаты этих исследований включены в каталоги Международной сети абсолютных гравиметрических базовых станций (1АОВ^ и унифицированной европейской гравитационной сети (иБО№94). Серией повторных измерений g в экваториальной зоне (в Сингапуре), в средних широтах Евразии и в сейсмоактивных районах Тянь-Шаня, Камчатки и Байкала обнаружены неприливные вариации силы тяжести (как глобальные, так и региональные), имеющие принципиальное значение для решения проблем геодинамики.

1.3. Доплеровские интерферометры

Лазерный анемометр [1] занимает особое место среди интерферометрических приборов. В нем интерферометр выполняет пассивные функции и предназначен для формирования мнимой или действительной решетки интенсивности, проецируемой в исследуемую область объекта. Это «первичное изображение» задает необходимую метрику. Сигнал, или «вторичное изображение», получается за счет дифракции света на частицах, пересекающих световую решетку. На практике широко используется

схема, где два пучка двухлучевого интерферометра фокусируются объективом в исследуемую область потока. При пересечении пучков под углом 20 образуется интерференционное поле с эффективным периодом Л = 1/(2sin 0), где 1 - длина волны света. Рассеивающая свет частица к, проходя сквозь такую решетку, дает импульс, модулированный с частотой, обратной периоду Л и равной

fD = V / Л =

Таким образом, зная частоту сигнала, длину волны источника и геометрию интерферометра, можно определить скорость движения частицы, пересекающей зондирующий объем.

Обычно для целей анемометрии применяют интерферометры, у которых изображение источника (зрачок выхода) совпадает с полем интерференции (люком) [36]. Это позволяет наилучшим образом использовать энергию лазера и применять простые оптические схемы. В классической интерферометрии аналогичным образом построены интерферометры Жамена и Рэлея и многочисленные схемы интерференционных микроскопов. Главным отличием доплеровских систем является то, что сигнал получается за счет интерференции рассеянных волн от частицы, пересекающей интерференционное поле, т.е частица как бы «высвечивает» интерференционную картину и сканирует ее относительно фотоприемника, при этом апертурная диафрагма приемника отрезает прямые пучки. Эта ситуация напоминает случай наблюдения объектов в микроскопии при боковом освещении. Если поле пересекает одна частица, то на отрезке от поля фотоприемника не возникает дополнительной разности хода, поэтому вид сигнала в точности совпадает с распределением интенсивности в интерференционном поле. Сигнал имеет постоянную составляющую (пьедестал) и переменную часть, высота которой несет полезную информацию о скорости движения объекта. Для удобства последующей обработки пьедестал удаляют фильтрацией либо путем переноса спектра полезной компоненты в высокочастотную область.

В отличие от обычных интерферометров здесь из-за ограниченного размера зондирующего объема происходит модуляция пьедестала. Иными словами, спектр постоянной составляющей имеет конечную ширину, и, хотя он центрирован относительно нулевой частоты, его ширина изменяется пропорционально скорости, что вызывает трудности при демодуляции сигнала.

Если поле интерференции пересекают две частицы (или много частиц), характер явления существенно меняется. В этом случае в выбранной точке М фотоприемника D будет происходить переналожение рассеянных волн от разных частиц. Это нелока-лизованные полосы френелевского типа. Интенсивность и контраст получаемой картины будут зависеть от положения частиц в измерительном объеме.

Теория и практика лазерных доплеровских интерферометров была развита в работах Ю.Н. Дуб-нищева и В.С. Соболева [1, 2, 37, 38].

Актуальные применения доплеровских интерферометров связаны не только с научным экспериментом по исследованиям явлений турбулентности, но и с важным промышленным использованием, например, для определения скорости горячего проката.

1.4. Интерферометры направлений

Интерферометры направлений [2, 6, 9, 39-41] -класс оптических приборов, предназначенных для определения величины угловых и линейных смещений объектов относительно выбранной линии или плоскости. Изменение положения объекта трансформирует ширину и наклон интерференционного поля и позволяет по величине разности хода найти смещение объекта.

Помимо рассмотренных интерферометров существует большой класс оптических инструментов, предназначенных для фиксирования положений объектов и определения направлений. Сюда относятся зрительные трубы, коллимационные и автоколлимационные устройства, трубы с дифракционными насадками и специальные линзы Френеля. В основе всего класса приборов для определения направлений лежат три хорошо известные оптические схемы - зрительная труба (телескоп), дифрактометр (зрительная трубка с юнговскими щелями на объективе) и двулучевой интерферометр с неравным числом отражений в плечах. Выполненный нами анализ этих схем показал, что смещение объекта ё любой системой можно определить из простого соотношения:

ё = ТГ Ь,

2 А

где Ь - расстояние до объекта, А - линейная апертура прибора, 1 - длина волны, а к - порядок интерференции или число оптических единиц (диск Эри) в случае наблюдения в зрительную трубу. Было показано, что наиболее точно смещение определяется при помощи интерферометров. В этом случае

Лё = 0,1—.

2А

Разработанная нами группа приборов для определения направлений была предназначена для выравнивания объектов по одной прямой или в одной плоскости при строительстве ускорителей ядерных частиц и гидростанций, измерения прямолинейности и плоскостности в станкостроении и определения параллельности основных нормалей машиностроения - концевых мер длины. К группе этих приборов, выпускаемых серийно, относятся следующие интерферометры: интерферометр для определения прямолинейности на базе 100 м, двойной интерферометр для контроля плоскостности на базе 50 м, интерферометр контроля параллельности концевых мер длиной до 1 м и прибор для контроля концевых мер длиной до 100 м.

1.5. Интерферометры для определения показателя преломления и дисперсии прозрачных сред

Развитие интерференционных измерений длины и длин волн требует точного знания показателя преломления и дисперсии воздуха. Современная аппаратура позволяет измерять длины волн с погрешностью, не превышающей 1/50000000, если погрешность в определении показателя преломления не выше +2-10-8. Интерференционные методы измерения дисперсии воздуха практически сводятся к получению для различных 1 ряда уравнений типа

A + В1-2 + С1-4 = ^ ,

Л - F

где F (рД) - функция плотности; К1 - разность хода, а Л - длина столба воздуха.

Обрабатывая эти уравнения по способу наименьших квадратов, получают значения коэффициентов А, В и С. Для воздуха в формуле (18) А > В примерно в 200 раз, а В > С в 100 раз, а так как при обработке по методу наименьших квадратов выравниваются абсолютные значения погрешностей, то относительная погрешность в определении коэффициента А будет меньше, чем относительные погрешности коэффициентов В и С.

Действительно, если сравнить коэффициенты А, В и С в различных формулах дисперсии, то получится, что значения коэффициента А расходятся между собой на 0,1 %, в то время как расхождение значений В достигает 20 % и С - 100 %. Отсюда можно сделать вывод, что существующие методы измерения дисперсии воздуха наименее точно определяют значение коэффициентов В и С, т. е. коэффициентов, характеризующих дисперсию вещества.

Экспериментальные определения дисперсии и показателя преломления воздуха осуществлялись на специальной установке, состоящей из интерферометра Майкельсона, скрещенного со спектрографом [4]. В измерительное плечо интерферометра помещалась стальная метровая камера с сухим, лишенным углекислоты воздухом. Меняя разность хода в интерферометре и одновременно регистрируя спектрограмму, можно было фиксировать картину «интерференционных крюков» для видимой области спектра.

Дальнейшее развитие эта работа получила при создании лазерных интерферометров для определения показателя преломления воды и плотности морской воды в океане. Обычно плотность морской воды в океане определяют по температуре, удельной электропроводности и гидростатическому давлению. Интерференционный метод определения плотности позволяет повысить пространственное разрешение и достоверность определения тонкой структуры гидрофизического поля в океане. Созданный нами для этих целей глубоководный зондирующий комплекс «Океан» решил эту задачу.

2. Дифракционные компоненты и системы

Изготовление дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с микрорельефом сложной топологии базируется на применении современных фотолитографических технологий. Многие методы, которые в свое время революционизировали микроэлектронику, теперь с успехом используются для изготовления оптики. Электронно-лучевая литография и сухое травление широко применяются для синтеза новых компонентов. Попиксельная лазерная запись дифракционной картины в фоторезисте, осуществляемая на современных лазерных генераторах изображений, дает возможность экономически эффективно записывать оригиналы ДОЭ. Дальнейшее тиражирование готового изделия может быть осуществлено методами фотолитографии, фотополимеризации, инжекционного литья под давлением и т. д.

Дифракционная оптика предоставляет новые возможности в улучшении качества изображения, сокращении числа компонентов, снижении цены и веса прибора. Благодаря чрезвычайно широким возможностям в реализации волновых и энергетических преобразований света области ее применения непрерывно расширяются: оптические линии связи, различные датчики, кассовые аппараты, принтеры, устройства для чтения товарного кода, знаки защиты денег, товаров и ценных бумаг, лазерные операционные инструменты и др.

В последние годы появилось несколько новых направлений, которые дали возможность совершить качественный скачок в управлении светом, например, при синтезе ДОЭ с глубоким рельефом [42]. В этом случае оптические элементы совмещают в себе достоинства классической (рефракционной) оптики (ахроматичность) с гибкостью дифракционной. ДОЭ с глубоким рельефом позволяют фокусировать и преобразовывать обычный «белый» свет. Глубина рельефа таких ДОЭ должна плавно изменяться в диапазоне от нуля до десятков микрон.

Изготовление дифракционных микроструктур -сложная техническая задача. В настоящее время используются несколько основных способов изготовления ДОЭ: оптические (интерференционные или голографические), алмазное точение, запись сканирующим пучком (электронным или лазерным). Оптические методы широко применялись на раннем этапе развития дифракционной оптики. Возможности этих методов ограничены в основном изготовлением круговых или линейных зонных пластинок с киноформным профилем. Алмазное точение - хорошо зарекомендовавший себя и широко применяемый процесс для изготовления высокоточных оптических поверхностей в металлах, полимерах и кристаллах. Этот метод позволяет получать фазовый профиль с «блеском». Однако область применения алмазного точения ограничена изготовлением элементов с аксиальной симметрией. Сканирующие методы прямой лучевой записи являются наиболее универсальными и широко используются в микро-

электронике. Эти методы основаны на сканировании сфокусированным амплитудно-модулированным лазерным или электронным пучком поверхности подложки, покрытой регистрирующим слоем. Записывающий пучок перемещается по заданным траекториям. Траектории являются прямыми линиями (для прямоугольной системы координат) или кругами и спиралями (для полярной системы координат).

Разработка методов изготовления дифракционных оптических элементов была начата в ИАиЭ СО РАН в середине 70-х годов [24-27,43-48]. Основные усилия были направлены на создание прецизионных круговых лазерных систем записи (КЛ3С) дифракционных структур и разработку термохимической технологии получения фотошаблонов в тонких пленках хрома. Аналогичные системы были созданы в исследовательских центрах США и Японии значительно позднее.

2.1. Лазерная система для изготовления ДОЭ

Большинство оптических систем обладает вращательной симметрией относительно оптической оси, поэтому разработанные нами устройства предназначены для изготовления ДОЭ в полярной системе координат. При изготовлении элемента подложка со светочувствительным материалом непрерывно вращается (рис. 7а), в то время как записывающий луч медленно движется в радиальном направлении, от периферии до самого центра. В 80-х годах с помощью КЛЗС первого поколения [24-27] (рис. 7б) были изготовлены ДОЭ диаметром до 200 мм и минимальными размерами структуры, равными 1,0 - 1,5 мкм. Точность выполнения топологии рисунка составляла 0,3 мкм.

Рис. 7

Изготавливались корректоры аберраций, зонные пластинки, линзы Рэлея-Вуда, линзаконы, мастер диски магнитооптической памяти, круговые прецизионные шкалы с числом делений до 5106 и корректоры волновых фронтов для контроля зеркал телескопов. В 1994 году была пущена в эксплуатацию КЛЗС второго поколения [49-52]. Она стала прототипом коммерческой версии, названной CLWS-300C (рис. 7в), разработанной нами совместно с Конст-рукторско-технологическим институтом научного приборостроения СО РАН. Системы CLWS-300C в настоящее время успешно работают в нескольких научных и производственных центрах России, Германии, Италии, Китая. В 2005 г. в ИАиЭ СО РАН была создана система третьего поколения (CLWS-200), отличающаяся малыми габаритами и высокой точностью (рис. 7г). Результаты, представленные здесь, получены на различных КЛЗС, созданных в ИАиЭ СО РАН с 1978 по 2008 гг.

2.2. Технологии изготовления ДОЭ

Задача изготовления чисто фазового ДОЭ с функцией пропускания Т(х) = ехр [-уф(х)] решается путем формирования рельефа с глубиной к(х) = ф (х)/к(п-1), где к=2п/1, 1 - длина волны, п - коэффициент преломления материала оптической подложки. Известно несколько способов формирования такого рельефа. Нами исследовались многоуровневый метод (метод квантования фазы), полутоновой метод, фоторастровый метод, метод прямой записи. Большинство этих методов основано на применении фотолитографических процессов

с использованием одного или нескольких фотошаблонов. Традиционный способ изготовления фотошаблонов ДОЭ (а также микросхем) основан на экспонировании (лазерным или электронным лучом) слоя фоторезиста, нанесенного на пленку хрома, проявлении фоторезиста, а затем травления пленки хрома в образовавшихся окнах. Нам удалось существенно упростить этот процесс за счет использования термохимического действия лазерного излучения на тонкие пленки хрома.

2.3. Технологии изготовления хромовых фотошаблонов ДОЭ

В процессе записи дифракционной структуры при лазерном облучении пленки хрома происходит образование тонкого слоя окисла, который играет роль защитной маски. Обработка пленки в селективном травителе позволяет удалить необлученный хром. Следовательно, этот эффект позволяет реализовать негативный метод записи шаблона ДОЭ без применения фоторезиста [27, 45, 49, 50].

При выборе экспозиции и условий экспонирования пленки, на периферии синтезируемого элемента обычно записывается серия дорожек с шагом, превышающим диаметр сфокусированного пятна. Мощность лазерного пучка от дорожки к дорожке постоянно возрастает. При большой мощности происходит частичное испарение материала пленки (область 1 на рис. 8) и образование «брустверов», защищенных оксидом хрома.

Скорость движения пучка, см/с

Рис. 8

Уменьшение мощности пучка приводит к прекращению плавления и образованию «скрытого» изображения (термохимическая запись), которое проявляется после травления (область 2). При дальнейшем снижении мощности лазерного излучения его действие на пленку хрома прекращается и «скрытое» изображение не образуется (область 3). Появление достаточно устойчивого к действию тра-вителя слоя окисла происходит при плотности мощности пучка (2-8)-106 Вт/см2 (мощность излучения 10 - 40 мВт, диаметр записывающего пятна 0,8 мкм). Так как процесс записи тепловой, длина волны лазера существенной роли не играет. Обычно для записи

использовалась длина волны 488 нм аргонового лазера. Зависимость положения области «скрытого» изображения от скорости движения пленки хрома относительно сфокусированного пучка лазера показана на рис. 8. Из приведенного графика следует, что ширина рабочей области 2 возрастает с увеличением относительной скорости движения подложки, т. е. с уменьшением времени экспозиции пленки.

Эффект образования «скрытого» изображения имеет место при любом способе и технологии напыления пленок хрома. Однако наилучшие результаты в смысле разрешения и наибольшей ширины области термохимических изменений (область П) были получены при катодном распылении в атмосфере аргона. Пространственное разрешение записи в этом случае превышает 1200 мм-1. Высокая плотность и аморфность пленки хрома обеспечивают однородность границ фрагментов рисунка без образования кристаллитов, но для записи на них требуется более высокая мощность лазерного пучка, чем для пленок хрома, полученных испарением. Пленки хрома, нанесенные испарением в вакууме, позволяют получить пространственное разрешение, равное 700 - 1000 мм-1.

2.4. Полутоновой метод изготовления ДОЭ на пленках аморфного кремния

Наши усилия были направлены на поиск технологий, позволяющих получить непрерывный фазовый профиль ДОЭ без использования комплекта шаблонов [53]. Один из путей заключается в использовании полутонового фотошаблона с функцией оптического пропускания пропорциональной фазовой функции конечного ДОЭ. Для лазерной записи полутоновых изображений, необходимых для создания полутоновых фотошаблонов, были исследованы пленки аморфного кремния толщиной 50 - 200 нм. Пленки напылялись на стеклянную подложку методом ион-но-плазменного распыления в атмосфере аргона. Температура подложки не превышала 60 С°, скорость напыления составляла 1,5 - 2 нм/с.

Было установлено, что воздействие лазерного излучения приводит к просветлению пленок. На рис. 9а показано изменение спектров пропускания и отражения для пленки толщиной 200 нм при различной мощности записывающего пучка: 1 - до облучения; 2 - мощность пучка 9 мВт; 3 - мощность пучка 13 мВт; скорость сканирования 53 см/с. Степень просветления зависит от мощности записывающего пучка и скорости сканирования. Имеется приблизительно линейная часть зависимости, которую можно использовать для записи полутоновых изображений. Контраст записи, понимаемый как отношение пропускания облученной пленки к пропусканию исходной пленки (Тг / Та ), может достигать 1:10 для 1 = 436 нм.

На аморфном кремнии нам удалось записать структуры, имеющие предельное (для лазерной записи в видимой области спектра) пространственное разрешение, равное 1600 мм-1.

460 500 540 X, нм

'О

<¡>0,5 ¡ft*

g 0,3 Î0.2 $0,1

о

2

h

J

б)

10 20 30 40 50 60 Мощность, мВт

Рис. 9

2.5. Полутоновой метод изготовления ДОЭ на LDW-стеклах

При поиске новых технологий для прямой лазерной записи полутоновых фотошаблонов мы обратили внимание на LDW-стекло, предоставленное нам для исследований фирмой «Canyon Materials», США.

Заготовки LDW-стекол подвергаются ионному обмену для введения ионов серебра в структуру бо-росиликатного стекла. Последующее облучение электронным пучком приводит к образованию металлических частичек серебра, резко повышающих оптическое поглощение поверхностного слоя стекла. Сфокусированный лазерный пучок осуществляет тепловое стирание окрашенных частичек. Пропускание стекла зависит от мощности пучка и его можно менять от первоначального значения, равного 0,1 - 5 %, до 70 - 80 % (рис. 9б). Полученный полутоновой рисунок в LDW-стекле можно затем перевести в фоторезист методом обычной контактной фотолитографии. Для получения рельефа достаточной глубины необходимо, чтобы контраст полученного рисунка лежал в пределах от 3 до 15. Эта величина без труда достигается при использовании LDW-стекол. На заготовках из стекла LDW-HR были записаны полутоновые фотошаблоны киноформных линз. Затем методом контактной печати полутоновой рисунок переносился в слой фоторезиста толщиной 2 мкм. Для пилообразных структур с периодом 8 мкм дифракционная эффективность достигала 80%, а для более крупных периодов - 95% [54]. Полная дифракционная эффективность линзы (параметры: диаметр - 10,6 мм, фокусное расстояние - 82 мм, длина волны - 514 нм) составила 85%.

2.6. Дифракционные компоненты Возможности новых технологий и КЛЗС иллюстрируются на нескольких примерах синтеза различных ДОЭ.

2.6.1. Синтезированные голограммы для контроля оптических поверхностей

Для контроля формы плоских и сферических поверхностей в оптическом производстве широко применяют пробные стекла. Наборы пробных стекол изготавливаются с предельной для рефракционной оптики точностью. Отступления формы эталонных пробных стекол от заданной (ГОСТ 2786-62) обычно не превышают 1/20 (~ 30 нм). Это предельная для традиционной оптики точность. Контролировать с аналогичной точностью несферические поверхности - задача трудная и далекая от решения. Одним из практических путей ее решения является создание синтезированных голограмм (СГ), формирующих при освещении асферический волновой фронт, как показано на рис. 10.

Линзовый корректор

а)

б)

Рис. 10

В оптике для преобразования плоского волнового фронта W1 в асферический W2 обычно применяют линзовый корректор (рис. 10а), который состоит из нескольких компонентов и достаточно сложен в расчете и изготовлении. СГ выполняют роль «синтетических пробных стекол» и применяются в интерферометрах для контроля асферической оптики как компенсаторы или «нуль-корректоры». Падающий на них плоский волновой фронт преобразуется в асферический (рис. 10б), форма которого совпадает с расчетной формой контролируемой поверхности. После отражения от контролируемой поверхности оптическое излучение в обратном ходе снова проходит СГ и интерферирует с плоским опорным волновым фронтом в интерферометре. Полученная таким путем интерферограмма несет информацию о форме асферической поверхности. К «синтетическому пробному стеклу» предъявляются жесткие требования по точности, аналогичные требованиям для компонентов классической оптики. Отступления от теоретической формы гене-

рируемого волнового фронта не должны превышать 1/20. Оборудование и технологии, развитые нами, доказали реализуемость этого жесткого требования на практике. Лазерные дифракционные интерферометры, предназначенные для контроля сферических и асферических поверхностей, были построены с применением изготовленных нами СГ [55].

2.6.2. Бифокальные интраокулярные линзы

Традиционные искусственные хрусталики глаза являются однофокусными и имеют ограниченный диапазон псевдоаккомодации, поэтому после имплантации требуется дополнительное улучшение зрения при помощи очков. Расширение объема аккомодации возможно с двухфокусными линзами, состоящими из рефракционной и дифракционной частей. Гибридный искусственный хрусталик - это тандем стандартной рефракционной линзы и фазовой зонной пластинки Френеля. В 0-м дифракционном порядке зонная пластинка не работает и интраокулярная линза подобна обычному рефракционному хрусталику, аккомодированному на бесконечность. В +1-м порядке появляется дополнительная оптическая сила, и гибридная линза становится способной проецировать на сетчатку близкие предметы. Наличие двух фокусов приводит (при дальнем и ближнем зрении) к образованию расфокусированного изображения, наряду со сфокусированным. Как показывают клинические испытания, расфокусированное изображение исключается при обработке зрительной информации в соответствующих разделах головного мозга.

Матрицы линз, разработанные в ИАиЭ СО РАН, изготавливались с помощью различных технологий, в том числе и рентгеновской теневой литографии [48]. Тиражирование производилось методом фотополимеризации (рис. 11 а).

Испытания линз (рис. 116), матрица которых была изготовлена методом прямой лазерной записи, подтвердили, что их волновые аберрации лежат в пределах 0,8 1 при среднеквадратической погрешности 0,18 1, что полностью соответствует требованиям Международного стандарта ISO/DIS 11979-2. В настоящее время бифокальные интраокулярные линзы типа МИОЛ АККОРД получили сертификат Минздрава РФ и выпускаются серийно. За последние несколько лет успешно проведено несколько сотен операций по имплантации этого типа искусственного хрусталика [56-59].

2.6.3. Линзакон

Круговая зонная пластинка, осуществляющая преобразование сферической волны в коническую или тороидальную, названа нами линзаконом [41, 60]. При выполнении проективных преобразований линзакон трансформирует точку, расположенную в пространстве предметов, в кольцо в пространстве изображений, т. е. относится к классу элементов с кольцевым импульсным от-

кликом. Границы зон линзакона выполняются в соответствии с соотношением

Ат2 + Вг = к1 ,

где г - радиус к-ой зоны, 1 - длина волны, для которой рассчитана пластинка.

6 ММ

Рис. 11

Первый член (Аг2) представляет собой стрелку прогиба сферической волны, а второй (Вг) - конической или тороидальной волны. Коэффициенты А и В определяют оптические силы сферической и конической волн. При освещении линзакона источником света, находящимся в фокусе, за элементом в центре поля наблюдается яркая «световая линия», вытянутая вдоль оптической оси и имеющая постоянный диаметр вдоль трассы, расчетная длина которой зависит от оптической силы конической волны. Этот пучок, называемый «бесселевым пучком», существенно изменяет свои параметры при смещении источника из расчетного положения (т.е. фокуса). При движении источника к элементу длина «шнура» возрастает, его диаметр перестает быть постоянным и увеличивается по мере удаления экрана от элемента. Смещение источника в сторону от элемента сокращает длину «шнура», его толщина уменьшается или, точнее, вырождается по мере удаления от элемента. Картина нелокализованных полос Френеля, центром которой является этот пучок, образуется за счет интерференции конической волны пучка +1-го порядка. На рис. 12 представлены фотографии поля за линзаконом на расстоянии от 20 до 100 м.

Рис. 12

На базе линзакона нами были предложены и исследованы оптические системы, которые представлены ниже.

2.6.4. Дифракционный интерферометр для выявления фазовых неоднородностей

Интерферометр [41] (рис. 13) предназначен для контроля асимметричных фазовых объектов. Плоский волновой фронт Ж поступает на ДОЭ 1 и дифрагирует на нем. Волновой фронт 0-го порядка дифракции проходит исследуемый объект 2 и искажается, приобретая его форму. Задняя фокальная плоскость ДОЭ 1, передняя фокальная плоскость линзакона 3 и плоскость фазового объекта совмещаются. Световой пучок +1-го порядка дифракции проходит объект без искажений и поступает к линзакону 3, дифрагирует на нем таким образом, что волновой фронт на его выходе в +1-ом порядке дифракции образует коническую волну Ж2. За линзаконом 3 прошедший фазовый объект 2 волновой фронт нулевого порядка дифракции Ж1 интерферирует с конической волной Ж2, формируя кольцевые полосы равной ширины. Картина круговых интерференционных полос, искаженных фазовым объектом (стеклянная пластина с дефектом), показана на рис. 13б.

ш

б)

Рис. 13 2.6.5. Лазерная «струна»

Данный прибор [61] предназначен для контроля прямолинейности больших станин станков и элементов строительных сооружений. В приборе лин-закон создавал «Бесселев шнур» при освещении ДОЭ излучением полупроводникового лазера. Длина шнура составляла от 2 до 60 м, а его толщина - от 50 до 600 мкм. При контроле объектов, которые необходимо выставлять вдоль одной линии, использовали ПЗС камеру. Смещение положения центра пятна относительно камеры характеризовало отступление от прямой линии. Прибор позволял контролировать отступление от прямой линии с погрешностью 5 мкм на метр.

2.6.6. Дифракционный интерферометр для контроля формы поверхности

Зонная пластинка является основным оптическим элементом дифракционного интерферометра с общим ходом опорного и измерительного пучков. Выполняя роль синтетического пробного стекла, ЗП формирует опорный волновой фронт. Интерес к таким интерферометрам обусловлен возможностью создания интерферометра без применения высококачественных и дорогих объективов и разделительных пластин; существенным снижением влияния вибраций и температурных колебаний; возможностью применения квазимонохроматических и протяженных источников излучения [62-64].

Интерферометр [63, 64] (рис. 14) состоит из двух основных элементов - зонной пластинки 1 и контролируемой поверхности 2. В наблюдательную часть входит выходная диафрагма 3, выполняющая функции пространственного фильтра, объектив 4 и видеокамера 5. В интерферометр поступает сходящийся пучок света от источника 6 через линзу 7 и светоде-лительную пластинку 8. Часть пучка, образующая опорную волну, проходит через зонную пластинку без отклонения (нулевой порядок дифракции) и фокусируется в центре зеркала в точке А1.

б;

Рис. 14

Другая часть, образующая измерительную волну, дифрагирует в +1-й порядок и фокусируется в точке А2. После отражения от зеркала оба пучка собираются в точке А3, при этом опорный пучок дифрагирует на зонной пластинке в +1-й порядок, а измерительный проходит без отклонения. После объектива 4 опорный [0, +1] и измерительный [+1, 0] пучки ре-комбинируют, образуя в плоскости видеокамеры 5 интерференционную картину, несущую информацию о форме поверхности зеркала. Если расстояние между зонной пластинкой и зеркалом точно равно радиусу кривизны, то расстояния точек А2 и А3 от зонной пластинки равны соответственно:

¿2 = /Я/(Я + /) и ¿3 = /Я/(Я - /),

где /- фокусное расстояние ЗП, Я - радиус кривизны исследуемого зеркала 2. На рис. 15 представлено поле интерференции при контроле сферической поверхности (рис. 15а-в) и параболической (рис. 15г-е).

Интерферирующие пучки 0-го и +1 порядков происходят из одного первичного луча, поэтому полосы могут наблюдаться при протяженном источнике и в белом свете, поскольку разность хода интерферирующих пучков близка к нулю. Экспериментально исследовался интерферометр с амплитудными и фазовыми ЗП, имеющими /= 25, 50 и 100 мм и диаметр 10 - 25 мм. В качестве источника света использовался полупроводниковый лазер (650 нм) и лампа накаливания (КГМ). На рис. 14б приведена интерферограмма сферического зеркала //В = 4,5, полученная с источником белого света. Для наглядности на интерферограмме оставлено изображение 5 спирали лампы 6. Обычно это изображение отфильтровывается. Использование «белого» источника света позволяет получить высококонтрастную интерферограмму без спеклов. Метрологические испытания показали, что погрешности интерферометров не превышали значений 1/20.

Рис. 15

Выводы

Завершая этот обзор работ, выполненных в основном в ИАиЭ СО РАН, отметим несколько ключевых моментов важных, на наш взгляд, для развития интерференционной и дифракционной оптики.

Разработана «гибридная» теория лазерных интерферометров на основе представлений геометрической и волновой оптики.

Предложены, обоснованы и созданы действую -щие образцы оптических систем: интерферометров перемещений (0 - 60 м) с точностью 0,1 мкм/м; интерферометров для определения прямолинейности, плоскостности и угловых поворотов с пределами измерений (0 - 50 м) и погрешностью 0,5 мкм/м; до-плеровских интерферометров с диапазоном измерения скорости 10-4-102 м/с. и погрешностью 0,15 %; дифракционных интерферометров с совмещенными ветвями для контроля формы поверхности зеркал (апертура до 1:1) с погрешностью 1/20; интерферометров для определения показателя преломления, дисперсии и плотности прозрачных сред с относительной погрешностью в 2-10-8. Результаты многолетних испытаний и применений указанных систем свидетельствуют о том, что их метрологические характеристики превосходят или не уступают характеристикам лучших мировых аналогов.

Разработаны лазерные гравиметры семейства ГАБЛ для определения абсолютного значения ускорения силы тяжести. Результаты Международных сличений гравиметров (г. Париж) показали, что разница в измеряемых значениях ускорения силы тяжести не превышает 10-8 м/с2. Получены новые экспериментальные результаты об абсолютном значении ускорения силы тяжести на обширной территории Земли в диапазоне широт от +68° (Финляндия) до -43° (Тасмания).

Создание КЛЗС стимулировало исследовательские работы, направленные на разработку новых технологий синтеза ДОЭ. Изготовление элементов в полярной системе координат оказалось продуктивным и выявило ряд важных преимуществ по сравнению с традиционными системами записи. Точность воспроизведения формы волнового фронта ДОЭ достигла 1/20, что соответствует наивысшим стандартам классической оптики.

Исследованы новые материалы для прямой лазерной записи структуры ДОЭ: тонкие пленки хрома, аморфного кремния и поверхностно-модифицированные стекла. В новых материалах достигнуто рекордное для лазерной записи пространственное разрешение 1600 мм-1. Полутоновые фотошаблоны дали возможность изготовить ДОЭ с дифракционной эффективностью, достигающей 95%.

Теоретически и экспериментально исследованы закономерности формирования светового поля компьютерно-синтезированными зонными пластинками. Показано, что:

а) дифракционные структуры можно рассматривать как интерферометры, осуществляющие деление и рекомбинацию лазерных пучков для образования поля интерференции в дальней зоне;

б) дифракционные элементы, предназначенные для контроля формы асферических зеркал и для ак-сиконной фокусировки лазерных пучков, позволяют восстанавливать волновой фронт с отступлениями от заданной формы, не превышающими 1/20, и формировать «Бесселев шнур» длиной до 100 м.

Предложен и рассчитан новый дифракционный искусственный хрусталик глаза, позволяющий за счет глубины профиля и изменения топологии круговых зон микрорельефа исключить хроматизм и сферическую аберрацию, а в необходимых случаях увеличить глубину фокусировки и осуществить излом оптической оси.

Литература

1. Лазерные доплеровские измерители скорости / Ю.Г. Василенко, Ю.Н. Дубнищев, В.П. Коронкевич,

B.С. Соболев, А.А. Столповский, Е.Н. Уткин - Новосибирск: Наука, 1975.

2. Коронкевич, В.П., Соболев, В.С., Дубнищев, Ю.Н. Лазерная интерферометрия - Новосибирск: Наука, 1983.

3. Коронкевич, В.П., Ханов, В.А. Лазерные интерферометры и их применение // Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1984.

4. Коронкевич, В.П., Карташев, А.И. Интерферометр для относительных измерений концевых мер от 100 до 1000 мм // Измерительная техника. - 1957. - № 5. - С. 9-10.

5. Коронкевич, В.П., Голубкова, В.П. Интерференционный метод определения параллельности больших концевых мер длины // Измерительная техника. -1961. - № 5. - С. 5-7.

6. Коронкевич, В.П., Голубкова, В.П. Новый метод определения непараллельности плоскопараллельных концевых мер длины // Измерительная техника. -1962. - № 4. - С. 7-8.

7. Коронкевич, В.П., Трулев, Ю.И. Счетчик интерференционных полос для измерения небольших длин // Измерительная техника. - 1959. - № 8. - С. 5-7.

8. Коронкевич, В.П., Скидан, В.В., Афанасьев, В.А. Контактный интерферометр с расширенным пределом измерений // Измерительная техника. - 1960. - № 6. - С. 2-5.

9. Коронкевич, В.П., Ленкова, Г.А. Лазерный интерферометр для измерения длины // Автометрия. - 1971. -№ 1. - С. 4-9.

10. Коронкевич, В.П., Голубкова, В.П. Двойной лазерный интерферометр для определения положения объектов // Оптико-механическая промышленность. -1971. - № 4. -

C. 29-31.

11. Коронкевич, В.П., Ленкова, Г.А. Применение лазерных интерферометров для точных измерений // Автометрия. -1972. - № 6. - С. 69-75.

12. Laser interferometers for measurem,ment and determining position object / V.P. Golubkova, V.P. Koronkevich [and other] // Арр1. Ор! - 1972. - V. 11, No 2. - P. 359-361.

13. Коронкевич, В.П., Ханов, В.А. Современные лазерные интерферометры перемещений // Автометрия. -1982. - № 6. - С. 11-27.

14. Коронкевич, В.П. Кирьянов, В.П. Лазерный интерферометр с низкочастотной фазовой модуляцией // Квантовая электроника. - 1982. - Т. 9. -№ 7. -С. 1301-1308.

15. Коронкевич, В.П. Кирьянов, В.П. Лазерные интерферометры перемещений // Автометрия. - 1998. - № 6. - С. 65-84.

16. Коронкевич, В.П., Ханов, В.А. Анализ методов измерения при помощи лазерных интерферометров // Измерительная техника. - 1979. - № 12. - С. 23-24.

17. Многофункциональный лазерный измеритель перемещений ИПЛ-10. Лазерные интерферометры / В.М. Ведерников, В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич, Г.А. Ленкова - Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1978. - С. 10-41.

18. Коронкевич, В.П. Измерение перемещений и скоростей на основе двухчастотного лазера - Труды Всесоюзной конференции по газовым лазерам. - Рязань: Издание НИИГРП, 1974.

19. А. с. 302982 СССР. Лазерный измеритель перемещений / В.П. Коронкевич, В.П. Кирьянов, И.Ф. Клисто-рин, Г.А. Ленкова, А.И. Лохматов, А.М. Шербаченко -Бюллетень ОИПТЗ №43. - 1973.

20. Коронкевич, В.П., Ханов, В.А. Анализ результатов испытаний лазерного преобразователя МПЛП на станке с ЧПУ // Препринт ИАЭ СО АН СССР. - Новосибирск, 1985. - № 296.

21. Коронкевич, В.П., Ханов, В.А. Исследование токарного станка с ЧПУ, оснащенного лазерными преобразователями перемещений ИПЛП // Препринт ИАиЭ СО АН СССР. - Новосибирск, 1987. - № 324.

22. А. с. 1768975 СССР. Способ создания интерференционных полей с фазовым сдвигом от 0 до 180° / В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич, Г.А. Ленкова,

A.И. Лохматов, Г.Г. Тарасов // Бюллетень ОИПОТЗ №38. - 1992. - Патент РФ № 1768975, МКИ G01.

23. А. с. 469359 СССР. Способ измерения линейных перемещений / В.М. Ведерников, В.П. Кирьянов [и др.] -Бюллетень ОИПОТЗ №16. - 1975.

24. Киноформы. Оптическая система для синтеза элементов / А.Г. Полещук, В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич,

B.И. Наливайко // Препр. ИАиЭ СО АН СССР. - Новосибирск, 1979.

25. Синтез оптических элементов с осевой симметрией прецизионным лазерным фотопостроителем / В.М. Ведерников, В.П. Вьюхин, В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич, Ф.И. Кокоулин, А.Г. Полещук, А.И. Лохматов, В.И. Наливайко, Г.Г. Тарасов, А.М. Щербаченко, Ю.И. Юрлов // Труды Всес. конф. «Формирование изображения и методы его коррекции», Могилев, 1979. - Могилев: ИФ АН БССР, 1979. - С. 68-69.

26. Прецизионный фотопостроитель для синтеза оптических элементов / В.М. Ведерников, В.П. Вьюхин, В.П. Кирьянов, В.П. Коронкевич, Ф.И. Кокоулин, А.Г. Полещук, А.И. Лохматов // Автометрия. - 1981. - № 3. - С. 3-17.

27. Fabrication of kinoform optical elements / V.P. Kyrianov, V.P. Koronkevish, F.I. Kokoulin, A.G. Poleshchuk, I.G. Pal-chikova, A.G. Sedukhin, A.M. Sherbachenko, E.G. Churin // Optik. - 1984. - V. 67, No 3. - P. 257-267.

28. Коронкевич, В.П0., Арнаутов, Г.Н. Высокоточный лазерный гравиметр // Автометрия. - 1972. - № 5. -

C. 29-38.

29. Absolute laser gravimeter / G. Arnautov, L. Gik, E. Ka-lish, V. Koronkevitch, Yu. Nesterikhin, Yu. Stus //

IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1973. - No 6.

- P. 678-679.

30. High precision laser gravimeter / G.P. Arnautov, V.P. Ko-ronkevich [and other] //Арр1. Opt. - 1974. - V. 13, No 2.

- P. 310-313.

31. Коронкевич, В.П., Арнаутов, Г.П., Гик, Л.Д. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести // Метрология. - 1976. - № 2.

32. Обеспечение высокой точности измерений абсолютного значения ускорения силы тяжести баллистическим гравиметром / Г.П. Арнаутов, Л.Д. Гик, В.П. Коронкевич [и др.] // Геология и геофизика. -

1978. - № 3. - С. 108-111.

33. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести лазерным баллистическим гравиметром / Г.П. Арнаутов, Л.Д. Гик, В.П. Коронкевич [и др.] // Квантовая электроника. - 1979. - Т. 6, № 3. - С. 560-567.

34. Коронкевич, В.П., Арнаутов, Г.П., Стусь, Ю.Ф. Абсолютный лазерный баллистический гравиметр // Препринт ИАиЭ СО АН СССР. - Новосибирск. -1981. - № 196.

35. Неприливные измерения гравитационного поля Земли в разнесенных по долготе точках / Г.П. Арнаутов, В.П. Коронкевич [и др.] // Доклады АН СССР. - 1985.

- Т. 280. - С. 1084-1086.

36. Коронкевич, В.П., Соболев, В. С. Двадцать лет лазерной доплеровской анемометрии // Автометрия. - 1985.

- № 1. - С. 77-96.

37. Коронкевич, В.П., Арнаутов, Г.П., Гик, Л.Д. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести // Метрология. - 1976. - № 2.

38. Фурье-анализ лазерных доплеровских устройств / В.П. Коронкевич, Г.А. Барилл [и др.] // Автометрия. -1973. - № 5. - C. 41-47.

39. Коронкевич, В.П., Голубкова, В.П. Новый метод определения непараллельности плоскопараллельных концевых мер длины // Измерительная техника. -1962. - C. 7-8.

40. Коронкевич, В.П., Голубкова, В.П. Двойной лазерный интерферометр для определения положения объектов // Оптико-механическая промышленность. -1971. - № 5. - С. 29-31.

41. Lensakon / V.P. Koronkevich, E.G. Churin [and other] // Appl. Opt. - 1995. - V. 34, No 25. - P. 5761-5772.

42. New fabrication method for diffractive optical elements with deep phase relief / V.P. Korolkov, V.P. Koronkevich [and other] // Proc. of SPIE. - 1997. - V. 3010. - P. 180-191.

43. Коронкевич, В.П., Полещук, А.Г. Устройство для записи синтезированных оптических элементов на подвижном носителе - Труды III Всес. конф. по голографии, Ульяновск. - Ленинград: ЛИЯФ, 1978. - С. 83-84.

44. Коронкевич, В.П., Ленкова, Г.А., Михальцова, И.А. Киноформные линзы. Ч.2. Изготовление линз и исследование их оптических характеристик // Автометрия. -

1979. - № 1. - С. 75-83.

45. Лазерная термохимическая технология синтеза оптических элементов в пленках хрома / В.П. Коронкевич,

A.Г. Полещук, Е.Г. Чурин, Ю.Н. Юрлов // Квантовая электроника. - 1985. - Т. 12, № 4. - С. 755-761.

46. Киноформные оптические элементы: методы расчета, технология изготовления и практическое применение /

B.П. Корольков, В.П. Коронкевич, И.А. Михальцова, И.Г. Пальчикова, А.Г. Полещук, А.Г. Седухин, Е.Г. Чурин //Автометрия. - 1985. - № 1. - С. 4-25.

47. Коронкевич, В.П. Пальчикова, И.Г. Полещук, А.Г. Считывание информации с компакт-дисков лазерной головкой с дифракционной оптикой // Квантовая электроника. - 1988. - Т. 15, № 10. - С. 2128-2134.

48. Использование рентгеновской литографии для создания дифракционных оптических элементов с глубоким фазовым профилем / В.П. Коронкевич [и др.] // Тезисы докладов РСНЭ'97

- М.: Издание ТОО «Арт», 1997. - С. 570.

49. Fabrication of diffractive optical elements by laser writing with circular scanning / V.P. Koronkevich, V.P. Kiryanov, V.P. Korolkov, A.G. Poleshchuk, V.A. Cherkashin A.A. Ha-risov // Proc. of SPIE. - 1995. - V. 2363. (5th Intern. Workshop on Digital Image Processing and Computer Graphics) - P. 290-297.

50. Processing parameters optimization for thermochemical writing of DOEs on chromium films / V.A. Cherkashin, E.G. Churin, J.H. Burge, V.P. Korolkov, A.G. Poleshchuk, A.A. Kharisov, V.P. Koronkevich // Proc. of SPIE. -1997. - V. 3010 (Diffr. and Holographic Device Technologies and Applications IV). - P. 168-179.

51. Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат - анализ погрешностей изготовления и их измерение / В.П. Коронкевич, В.П. Корольков, А.Г. Полещук, А.А. Харисов, В.В. Черкашин // Автометрия. - 1997. - № 6. - C. 42-56.

52. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure / A.G. Poleshchuk, E.G. Churin, V.P. Koronkevich, V.P. Korolkov, A.A. Kharisov, V.A. Cherkashin, V.P. Kirianov, A.V. Kirianov, S.A. Kokarev, A.G. Verhoglad // Appl. Optics. - 1999. - V. 38, № 8. - P. 1295-1301.

53. Коpонкевич, В.П., Корольков, В.П., Полещук, А.Г. Лазеpные технологии в дифpакционной оптике // Автометpия. - 1998. - № 6. - С. 38-46.

54. Poleshchuk, A. G., Koronkevich, V.P, Korolkov, V.P. Laser technologies in diffractive optics // Proc. of SPIE. - 1998.

- V. 3733. (IcONO '98: Nonlinear Optical Phenomena and Coherent Optics in Information Technologies). - P. 417-427.

55. 3D лазерные информационные технологии; / Полещук,

A.Г., Коронкевич, В. П. Лазерные методы трехмерного микроструктурирования оптических поверхностей // под. ред П.Е. Твердохлеба Новосибирск: ИАЭ, 2003. -C. 243-310.

56. Исследование оптического качества интраокулярных линз / Г.А. Ленкова, В.П. Коронкевич, И.Л. Искаков,

B.П. Косых, В.А. Лабусов // Автометрия. - 1997. -№ 3. - С. 18-29.

57. Бифокальная дифракционно-рефракцонная интраоку-лярная линза / В.П. Коронкевич, Г.А. Ленкова, И.А. Ис-каков [и др.] //Автометрия. - 1997. - № 6. - C. 26-41.

58. Пат. 2186417 Российская Федерация. Дифракционная интраокулярная линза. / Коронкевич В.П., Ленкова Г.А., Искаков И.А., Федоров С.Н. - опубл. 27.07.2002 г.

59. Дифракционно-рефракционные интраокулярные линзы / Г.А. Ленкова, В.П. Корольков, В.П. Коронкевич, Р.К. Насыров, А.С. Гутман, И.А. Искаков, В.М. Тре-ушников // Автометрия. - 2008. - Т. 44, № 4. - С. 75-88.

60. Application of diffractive optical elements in laser metrolology / A.G. Poleshchuk, V.P. Koronkevch, V.P. Korolkov, Sedukhin A.G. // Proc. of SPIE. - 2002. - V. 4900 (Seventh International Symposium on "Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life". Novosibirsk, Russia, September 2002). - P. 841 -851.

61. Дифракционный элемент для обострения лазерных лучков / В.П. Коронкевич [и др.] // Автометрия. -1994. - № 3. - С. 57-68.

62. Коронкевич, В.П., Ленкова, Г.А. Дифракционный интерферометр // Автометрия. - 1984. - № 3. - С. 61-67.

63. Коронкевич, В.П., Ленкова, Г.А., Маточкин, А.Е. Синтетическое пробное стекло // Автометрия. - 2002.

- Т. 38, № 3. - С. 20-32.

64. Пат. 2240503 Российская Федерация. Дифракционный интерферометр (варианты) / В.П. Коронкевич, Г.А. Ленкова - (приоритет 31.03.2003).

References

1. Laser Doppler velocimeters / Yu.G. Vasilenko, Yu.N. Dub-nishchev, V.P. Koronkevich, V.S. Sobolev, A.A. Stolpov-skyi , E.N. Utkin - Novosibirsk: "Nauka", 1975.

2. Koronkevich, V.P., Sobolev, V.S., Dubnishchev, Yu.N.

Laser interferometry. - Novosibirsk: "Nauka", 1983.

3. Koronkevich, V.P., Khanov, V.A. Laser interferometers and their applications - Novosibirsk: Publication of IAE SB RAS USSR, 1984.

4. Koronkevich, V.P., Kartashev, A.I. Interferometer for the relative measurements of gaging rods between 100 and 1000 milimeters // Measurement technology. - 1957. -No 5. - P. 9-10.

5. Koronkevich, V.P., Golubkova, V.P. Interferometric method for determing the parallelism of long gaging rods // Measurement technology. - 1961. - No 5. - P. 5-7.

6. Koronkevich, V.P., Golubkova, V.P. New method for determing the nonparallelism of plane-parallel gaging rods // Measurement technology. - 1962. - No 4. - P. 7-8.

7. Koronkevich, V.P., Trulev, Yu.I. Counter of interfer-ometric fringes for measuring short lengths // Measurement technology. - 1959. - No 8. - P. 5-7.

8. Koronkevich, V.P., Skidan, V.V., Afanasyev, V.A. Contact interferometer with widened measurement limits // Measurement technology. - 1960. - No 6. - P. 2-5.

9. Koronkevich, V.P., Lenkova, G.A. Laser interferometer for length measurments // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1971. - No 1. - P. 4-9.

10. Koronkevich, V.P., Golubkova, V.P. Twin laser interferometer for determing objects' positions // Sov. J. Opt. Technol. - 1971. - No 4. - P. 29-31.

11. Koronkevich, V.P., Lenkova, G.A. Application of laser interferometers for precise measurements, // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1972. - No 6.

- P. 69-75.

12. Golubkova, V.P. Laser interferometers for measurements and determining object's position / V.P. Golubkova, V.P. Koronkevich [etc.] // Appl. Opt. - 1972. - V. 11, N 2. -P. 359-361.

13. Koronkevich, V.P., Khanov, V.A. Modern laser interferometers of displacements // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1982. - No 6. - P. 11-27.

14. Koronkevich, V.P. Kiryanov, V.P. Laser interferometer with low-frequency phase modulation // Quantum electronics. - 1982. - Vol. 9, No 7. - P. 1301-1308.

15. Koronkevich, V.P. Kiryanov, V.P. Laser interferometers of displacements // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1998. - No 6. - P. 65-84.

16. Koronkevich, V.P., Khanov, V.A. Analysis of measuring techniques with the help of laser interferometer // Measurement technology. - 1979. - No 12. - P. 23-24.

17. Vedernikov, V.M. Multifunctional laser displacement sensor IPL-10 / V.M. Vedernikov, V.P. Kiryanov, V.P. Koronkevich, G.A. Lenkova - In Book: Laser interferometers

- Novosibirsk: IAE SB RAS USSR, 1978. - P. 10-41.

18. Koronkevich, V.P. Measurement of displacements h velocities with a two-frequency laser // Proc. All Union Conf. on gas lasers - Ryazan: Publication of NIIGRP, - 1974.

19. Laser sensor of displacements / V.P. Koronkevich, V.P. Kiryanov, I.Ph. Klistorin, G.A. Lenkova, A.I. Lokhmatov, A.M. Shcherbachenko - Author's certificate of USSR No 302982. - Bull. OIPTZ No43, 1973.

20. Koronkevich, V.P., Khanov, V.A. Analyzing the tests of a laser transducer MPLP for NC machine tool // Novosibirsk: Preprint of IAE SB RAS of USSR. - No 296. - 1985.

21. Koronkevich, V.P., Khanov, V.A. Examination of an NC lathe equipped with laser transducers of displacements IPLP // Novosibirsk: Preprint of IAE SB RAS of USSR. -1987. - No 324.

22. Method of reproduction of interferometric fields with a phase shift between 0 and 180° / V.P. Kiryanov, V.P. Koronkevich, G.A. Lenkova, A.I. Lokhmatov , G.G. Tarasov // Author's certificate of USSR No 1768975, Bull. OIPTZ No 38. - 1992. // Patent of Russian Federation, No 1768975, MKI G01.

23. Vedernikov, V.M. Method of measurements of linear displacements / V.M. Vedernikov, V.P. Kiryanov [and other] // Author's certificate of USSR, No 469359. - Bull. OI-POTZ, No 16. - 1975.

24. Kinoforms. Optical system for synthesizing elements / A.G. Poleshchuk, V.P. Kiryanov, V.P. Koronkevich, V.I. Na-livaiko // Novosibirsk: 1979. - (Preprint 99 / IAE SB RAS USSR).

25. Synthesizing optical elements with axial symmetry by a precise laser photoplotter / V.M. Vedernikov, V.N. Vyu-khin, V.P. Kiryanov, V.P. Koronkevich, F.I. Kokoulin, A.G. Poleshchuk, A.I. Lokhmatov, V.I. Nalivaiko, G.G. Tarasov, A.M. Shcherbachenko, Yu.I. Yurlov // Proc. All Union conf. «Formation of images and methods of their corrections», Mogilev, 1979. - Mogilev: Inst Phys. AS BSSR, 1979. - P. 68-69.

26. Precise photoplotter for the synthesis of optical elements / V.M. Vedernikov, V.N. Vyukhin, V.P. Kiryanov, V.P. Koronkevich, F.I. Kokoulin, A.G. Poleshchuk, A.I. Lokh-matov // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1981. - No 3. - P. 3-17.

27. Fabrication of kinoform optical elements / V.P. Kyrianov, V.P. Koronkevish, F.I. Kokoulin, A.G. Poleshchuk, I.G. Palchikova, A.G. Sedukhin, A.M. Sherbachenko, E.G. Churin // Optik. - 1984. - Vol. 67, No 3. - P. 257-267.

28. Koronkevich, V.P., Arnautov, G.P. High precision laser gravimeter // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1972. - No 5. - P. 29-38.

29. Arnautov, G.P., Koronkevich, V.P. Absolute laser gra-vimeter // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1973. -No 6.

30. High precision laser gravimeter / G.P. Arnautov, V.P. Koronkevich [etc.] // Appl. Opt. - 1974. - Vol. 13, No 2. -P. 310-313.

31. Koronkevich, V.P., Arnautov, G.P., Gick, L.D. Measurement of absolute magnitude of free fall acceleration. // Metrology. - 1976. - No 2.

32. Arnautov, G.P. Providing a high accuracy of measurements of the absolute magnitude of free fall acceleration by a ballistic gravimeter / G.P. Arnautov, L.D. Gick, V.P. Ko-ronkevich [et al.] // Geology and geophysics. - 1978. -No 3. - P. 108-111.

33. Arnautov, G.P. Measurement of the absolute magnitude of free fall acceleration by a laser ballistic gravimeter / G.P. Arnautov, L.D. Gick, V.P. Koronkevich [et al.] // Quantum electronics. - 1979. - Vol 6, No 3. - P. 560-567.

34. Koronkevich, V.P., Arnautov, G.P., Stus, Yu.F. Absolute laser ballistic gravimeter - Novosibirsk: Preprint of IAE SB RAS of USSR, 1981. - No 196.

35. Tideless measurements of the gravitational field of the Earth in longitudinally separated points / G.P. Arnautov, V.P. Koronkevich [et al.] // Reports of AS of USSR. -1985. - Vol 280. - P. 1084-1086.

36. Koronkevich, V.P., Sobolev, V.S. Twenty years of laser Doppler anemometry // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1985. - No 1. - P. 77-96.

37. Koronkevich, V.P., Arnautov, G.P. Gick, L.D. Measurement of the absolute magnitude of free fall acceleration // Metrology. - 1976. - No 2.

38. Fourier-analysis of laser Doppler devices / V.P. Koron-kevich, G.A. Barill [et al.] //Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1973. - No 5. - P. 41-47.

39. Koronkevich, V.P., Golubkova, V.P. New method of de-terming the nonparallelism of plane-parallel gaging rods // Measurement technology. - 1962. - P. 7-8.

40. Koronkevich, V.P., Golubkova, V.P. Twin Laser interferometer for determing the objects' position // Sov. J. Opt. Technol. - 1971. - No 5. - P. 29-31.

41. Lensakon / V.P. Koronkevich, E.G. Churin [etc.] // Appl. Opt. - 1995. - Vol. 34, No 25. - P. 5761-5772.

42. New fabrication method for diffractive optical elements with deep phase relief / V.P. Korolkov, V.P. Koronkevich [etc.] // Proc. of SPIE. - 1997. - Vol. 3010. - P. 180-191.

43. Koronkevich, V.P., Poleshchuk, A.G. Set up for writing synthesized optical elements on a sliding carrier - Proc. III All Union conf. on holography - Ulyanovsk; Leningrad: LINP, 1978. - P. 83-84.

.a3epHhie HHTep^epoMeTpuqecKue H gu^pa^HOHHhie cucTeMM

B.n. KopoHKeBuq

44. Koronkevich, V.P., Lenkova, G.A., Mikhaltsova, I.A.

Kinoform lenses. Part 2. Fabrication of lenses and studying their optical performances // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1979. - No 1. - P. 75-83.

45. Laser termochemical technology of synthesizing optical elements in chromium films / V.P. Koronkevich, A.G. Po-leshchuk, E.G. Churin, Yu.I. Yurlov // Quantum electronics. - 1985. - Vol. 12, No 4. - P. 755-761.

46. Kinoform optical elements: Methods of design, fabrication technologies, and practical application / V.P. Korolkov, V.P. Koronkevich, I.A. Mikhaltsova, I.G. Palchikova, A.G. Poleshchuk, A.G. Sedukhin, E.G. Churin // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing 1985.-No1.- P. 4-25.

47. Koronkevich, V.P. Palchikova, I.G. Poleshchuk, A.G.,

Information read out from compact disks by a diffractive-opics-based pick-up // Quantum electronics. - 1988. -Vol. 15, No 10. - P. 2128-2134.

48. Application of X-ray lithography for fabrication of diffrac-tive optical elements with deep phase profile / Koronkevich V.P. [et al.] - Theses of reports RSNE'97 (Moscow-Dubna, 25 -29 May 1997): M.: Publication of «Art», 1997. - P. 570.

49. Fabrication of diffractive optical elements by laser writing with circular scanning / V.P. Koronkevich, V.P. Kiryanov, V.P. Korolkov, A.G. Poleshchuk, V.A. Cherkashin, A.A. Ha-risov // Proc. of SPIE (5th Intern. Workshop on Digital Image Processing and Computer Graphics). - 1995. -Vol. 2363. - P. 290-297.

50. Processing parameters optimization for thermochemical writing of DOEs on chromium films / V.A. Cherkashin, E.G. Churin, J.H. Burge, V.P. Korolkov, A.G. Poleshchuk, A.A. Kharisov, V.P. Koronkevich // Proc. of SPIE (Diffr. and Holographic Device Technologies and Applications IV). - 1997. - Vol. 3010. - P. 168-179.

51. Synthesizing diffractive optical elements in the polar coordinate system - Analysis of fabrication errors and their measurements / V.P. Koronkevich, V.P. Korolkov, A.G. Poleshchuk, A.A. Kharisov, V.V. Cherkashin // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. -1997. - No 6. - C. 42-56.

52. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure / A.G. Poleshchuk, E.G. Churin, V.P. Koronkevich, V.P. Korolkov, A.A. Kharisov, V.A. Cherkashin, V.P. Kirianov, A.V. Kirianov, S.A. Kokarev, A.G. Verhoglad // Appl. Optics. - 1999. - Vol. 38, No 8. - P. 1295-1301.

53. Koronkevich, V.P., Korolkov, V.P., Poleshchuk, A.G.

Laser technologies in diffractive optics // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1998. - No 6. -P. 38-46.

54. Poleshchuk, A. G., Koronkevich, V.P, Korolkov, V.P.

Laser technologies in diffractive optics // Proc. of SPIE (ICONO '98: Nonlinear Optical Phenomena and Coherent Optics in Information Technologies). - 1998. - Vol. 3733. - P. 417-427.

55. 3D Laser information technologies. Ed. by Tverdokhleb P.E. - Chapter 5. Laser methods for 3D microstructuring of optical surfaces / A.G. Poleshchuk, V.P. Koronkevich -Novosibirsk: IAE SB RAS, 2003. - P. 243-310.

56. Studying the optical quality of intraocular lenses / G.A. Lenkova, V.P. Koronkevich, I.A. Iskakov, V.P. Ko-sykh, V.A. Labusov //Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1997. - No 3. - P. 18-29.

57. Bifocal diffractive-refractive intraocular lens / V.P. Koronkevich, G.A. Lenkova, I.A. Iskakov [et al.] // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1997. -No 6. - P. 26-41.

58. Diffractive-refractive intraocular lens / V.P. Koronkevich , G.A. Lenkova, I.A. Iskakov, S.N. Fedorov // Patent of Rus. Fed. No 2186417. - 27.07.2002.

59. Diffractive-refractive intraocular lenses / G.A. Lenkova, V.P. Korolkov, V.P. Koronkevich, R.K. Nasyrov, A.S. Gut-man, I.A. Iskakov, V.M. Treushnikov // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2008. - Vol. 44, No 4, - P. 75-88.

60. Application of diffractive optical elements in laser metrology / A.G. Poleshchuk, V.P. Koronkevch, V.P. Korolkov, A.G. Sedukhin //Proc. of SPIE. - 2002. - Vol. 4900 (Seventh International Symposium on "Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life". Novosibirsk, Russia, September 2002). - P. 841-851.

61. Diffractive element for sharpening laser beams / V.P. Koronkevich [et al.] // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1994. - No 3. - P. 57-68.

62. Koronkevich, V.P., Lenkova, G.A. Diffraction interferometer // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 1984. - No 3. - P. 61-57.

63. Koronkevich, V.P., Lenkova, G.A., Matochkin, A.E. Synthetic test glass // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2002. - Vol. 38, No 3. - P. 20-32.

64. Koronkevich, V.P., Lenkova, G.A. Diffraction interferometer (vertions) - Patent of Rus. Fed. No 2240503 (priority of 31.03.2003).

LASER INTERFEROMETRIC AND DIFFRACTIVE SYSTEMS

\Voldemar Petrovich Koronkevich chief research scientist, compiler's: Alekcandr Grigorievich Poleshuk,

Institute of Automation and Electrometry SB RAS

Abstract

The results of the main research works are summarized, which were done by the author for over than 50 years. A major problem is set up and solved for the development and practical implementation of laser interferometric and diffractive systems designed for a wide range of specific applications in the field of scientific investigations and industrial technologies.

Key words: laser interferometers, diffractive optical elements.

В peöaKU,uw nocmynuna 25.09.2009 г.