EA007874B1 - Device for recording diffraction elements - Google Patents

Device for recording diffraction elements Download PDF

Info

Publication number
EA007874B1
EA007874B1 EA200500493A EA200500493A EA007874B1 EA 007874 B1 EA007874 B1 EA 007874B1 EA 200500493 A EA200500493 A EA 200500493A EA 200500493 A EA200500493 A EA 200500493A EA 007874 B1 EA007874 B1 EA 007874B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
lens
light beam
light
recording medium
recording
Prior art date
Application number
EA200500493A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA200500493A1 (en
Inventor
Александр Григорьевич Полещук
Аскар Асанбекович Кутанов
Виктор Павлович Бесмельцев
Игорь Алексеевич Снимщиков
Original Assignee
Александр Григорьевич Полещук
Аскар Асанбекович Кутанов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Григорьевич Полещук, Аскар Асанбекович Кутанов filed Critical Александр Григорьевич Полещук
Priority to EA200500493A priority Critical patent/EA007874B1/en
Publication of EA200500493A1 publication Critical patent/EA200500493A1/en
Publication of EA007874B1 publication Critical patent/EA007874B1/en

Links

Landscapes

  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

The invention relates to optical holography for recording diffraction optical elements and can be applied for manufacturing diffraction elements, rainbow holograms, for protecting goods and securities against counterfeit, in polygraphy. An apparatus for recording diffraction optical elements comprises an optically-coupled light source, a unit of beam deflection, the first lens, the unit of beam deflection comprises the first prism, a init of light beam separation, a focusing lens, a recording means, a drive for the recording medium movement and a control means electrically connected to the light source, the unit of beam deflection, the drive for the recording medium movement, the unit of beam deflection comprises the second lens and two reflex deflectors set sequentially along the optical axis, wherein the distance between the mirror plane of any of two deflectors and the light focusing point of the first lens is selected from the ratio:l<BTff/fdwherein B is o.1-0.5, T is a period of a diffraction element grating in the registered medium, fis the focus distance of the second lens, fis the focus distance of the first lens, fis the focus distance of the focusing lens, dis a light beam diameter at the inlet of the second lens.

Description

Изобретение относится к оптической голографии, предназначено для записи дифракционных элементов и может найти применение при изготовлении дифракционных элементов, радужных голограмм, при защите товаров и ценных бумаг от подделок, в полиграфии. Изобретение также может быть использовано в системах оптической памяти и оптической обработки информации.The invention relates to optical holography, is intended to record diffractive elements and can be used in the manufacture of diffractive elements, rainbow holograms, in the protection of goods and securities from fakes, in printing. The invention can also be used in optical memory systems and optical information processing.

Известно устройство для записи дифракционных элементов, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, модулятор, дифракционную решетку с приводом вращения, диафрагму, фокусирующий объектив, двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, компьютер (патент США № 5291317, МПК С02В 5/18 приоритет от 12.07.90, опубликован 01.03.94).A device for recording diffractive elements is known, comprising a laser, a modulator, a rotational drive diffraction grating, a diaphragm, a focusing lens, a two-coordinate photo-resistor plate moving device, a computer (computer patent US No. 5291317, IPC C02B 5/18 priority from 12.07, sequentially installed along the optical axis. .90, published 03/01/94).

Недостатками данного устройства являются низкая скорость записи дифракционных структур с различной пространственной ориентацией, обусловленная большим временем поворота дифракционной решетки относительно оси электрическим двигателем, а также низкое светопропускание, обусловленное ограниченной дифракционной эффективностью дифракционной решетки.The disadvantages of this device are the low recording rate of diffraction structures with different spatial orientation, due to the large time of rotation of the diffraction grating relative to the axis of the electric motor, as well as low light transmission, due to the limited diffraction efficiency of the diffraction grating.

Известно также устройство, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, электромеханический затвор, пространственный модулятор света, поляроид, проекционный объектив, пластинку с фоторезистом, двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, компьютер (патент России № 2207611, МПК 603Н01/26, приоритет от 30.07.2001, опубликован 27.06.2003).It is also known a device containing a laser, an electromechanical shutter, a spatial light modulator, a polaroid, a projection lens, a photoresist plate, a two-coordinate plate displacement device with a photoresist, and a computer (Russian patent No. 2207611, IPC 603Н01 / 26, priority from 30.07 .2001, published 06/27/2003).

Недостатками данного устройства являются ограниченное быстродействие пространственного модулятора света, его низкое светопропускание, обусловленное поглощением света в материале пространственного модулятора и поляроида, высокая стоимость и сложность всего устройства, сложность и высокая стоимость высокоразрешающей проекционной системы. Кроме того, существенным недостатком данного устройства является ограниченная лучевая стойкость пространственного модулятора света и поляроида, что препятствует применению данного устройства с мощными импульсными лазерами, работающими в ультрафиолетовом диапазоне.The disadvantages of this device are the limited speed of the spatial light modulator, its low light transmission caused by the absorption of light in the material of the spatial modulator and polaroid, the high cost and complexity of the entire device, the complexity and high cost of the high-resolution projection system. In addition, a significant disadvantage of this device is the limited radiation resistance of the spatial light and polaroid modulator, which prevents the use of this device with high-power pulsed lasers operating in the ultraviolet range.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, с помощью которого реализуется способ записи массива точечных голограмм (патент России № 2194296, МПК 603Н01/26, приоритет от 18.04.2001, опубликовано 10.12.2002). Данное устройство выбрано в качестве прототипа. Известное устройство для записи дифракционных элементов содержит оптически связанные источник света, узел отклонения пучка света, первую линзу, узел разделения пучка света, включающий в себя первую призму, фокусирующий объектив и регистрирующую среду, узел управления, электрически связанный с источником света, узлом отклонения пучка света и приводом перемещения регистрирующей среды.The closest to the claimed device is the device with which the method of recording an array of point holograms is implemented (Russian patent No. 2194296, IPC 603Н01 / 26, priority from 04/18/2001, published on December 10, 2002). This device is selected as a prototype. A known device for recording diffractive elements comprises an optically coupled light source, a light beam deflection assembly, a first lens, a light beam separation assembly including a first prism, a focusing lens and a recording medium, a control assembly electrically connected to the light source, a light beam deflection assembly and drive movement of the recording medium.

Недостатками данного устройства являются низкое светопропускание и, следовательно, большие световые потери, обусловленные низкой дифракционной эффективностью двухкоординатного акустооптического дефлектора (обычно 30-50%), высокая стоимость и сложность конструкции, связанная с высокой стоимостью акустооптических дефлекторов и их электронных приводов, большие габариты и сложность и высокое энергопотребление, большие искажения формируемой дифракционной картины, связанные с большой оптической толщиной материала звукопровода акустооптических дефлекторов. Акустооптические устройства отклонения затруднительно использовать в ультрафиолетовом диапазоне. Также в известном устройстве узел разделения пука света имеет сложную конструкцию, состоящую из четырех раздельных призм, и низкое светопропускание, обусловленное применением двух светоделительных элементов. Кроме того, существенным недостатком данного устройства является ограниченная лучевая стойкость акустооптических модуляторов, что препятствует применению данного устройства с мощными импульсными лазерами, работающими в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.The disadvantages of this device are low light transmission and, consequently, large light losses due to the low diffraction efficiency of the two-axis acousto-optic deflector (usually 30-50%), high cost and design complexity associated with the high cost of acousto-optic deflectors and their electronic drives, large dimensions and complexity and high power consumption, large distortions of the formed diffraction pattern associated with the large optical thickness of the acoustic duct acoustoopt deflectors. Acoustic-optic deviation devices are difficult to use in the ultraviolet range. Also in the known device, the light beam separation unit has a complex structure consisting of four separate prisms and low light transmission due to the use of two beam-splitting elements. In addition, a significant disadvantage of this device is the limited radiation resistance of acousto-optic modulators, which prevents the use of this device with high-power pulsed lasers operating in the ultraviolet (UV) range.

Перед авторами ставилась задача разработать устройство, имеющее минимальные потери световой энергии, в том числе и в диапазоне УФ, высокую лучевую стойкость всех компонентов, простоту и компактность оптической системы, высокое быстродействие записи дифракционных элементов, низкую стоимость и компактное исполнение с возможностью применения для прямой записи дифракционных элементов методом абляции или термоструктурных и термохимических изменений регистрирующей среды с применением мощных импульсных лазеров, генерирующих световое излучение в УФ и глубоком УФ диапазонах.The authors were tasked to develop a device that has minimal loss of light energy, including in the UV range, high radiation resistance of all components, simplicity and compactness of the optical system, high speed recording of diffraction elements, low cost and compact design with the ability to use for direct recording ablation or thermostructural and thermochemical changes of the recording medium using high-power pulsed lasers generating light from teaching in the UV and deep UV ranges.

Задача решается тем, что в устройстве для записи дифракционных элементов, содержащем оптически связанные источник света, узел отклонения пучка света, первую линзу, включающий в себя первую призму, узел разделения пучка света, фокусирующий объектив, регистрирующую среду, привод перемещения регистрирующей среды и узел управления, электрически связанный с источником света, узлом отклонения пучка света, приводом перемещения регистрирующей среды, узел отклонения пучка света выполнен в виде установленных последовательно вдоль оптической оси второй линзы и двух зеркальных дефлекторов, причем расстояние 1 между плоскостью зеркала любого из двух дефлекторов и точкой фокусировки света первой линзой выбрано из соотношенияThe task is solved by the fact that in a device for recording diffractive elements containing an optically coupled light source, a light beam deflection assembly, a first lens including a first prism, a light beam separation node, a focusing lens, a recording medium, a recording medium movement drive and a control node electrically connected with the light source, the light beam deflection node, the driving of the recording medium movement, the light beam deflection node is designed as installed in series along the optical axis and the second lens and two mirror deflectors, and the distance 1 between the plane of the mirror of either of the two deflectors and the focus point of the light by the first lens is selected from the relation

1<ВТГШ· где коэффициент В=0,1-0,5, Т - период решетки дифракционного элемента в регистрирующей среде, 1 фокусное расстояние второй линзы, 12 - фокусное расстояние первой линзы, 13 - фокусное расстояние фокусирующего объектива, ф - диаметр пучка на входе второй линзы. Зеркало хотя бы одного из дефлекторов выполнено с возможностью выполнения угла поворота большим, чем половина угловой апер1 <VGSH · where the coefficient B = 0.1-0.5, T is the period of the grating of the diffractive element in the recording medium, 1 is the focal length of the second lens, 1 2 is the focal length of the first lens, 1 3 is the focal length of the focusing lens, f - beam diameter at the entrance of the second lens. The mirror of at least one of the deflectors is arranged to perform a rotation angle greater than half the angle aper.

- 1 007874 туры второй линзы. Кроме того, зеркала дефлекторов выполнены с возможностью поворота в ортогональных плоскостях. Узел разделения пучка света выполнен дополнительно содержащим призму Порро. Призма установлена последовательно вдоль оптической оси с первой призмой. Причем первая призма содержит светоделительное покрытие на диагональной грани. Она склеена с диагональной гранью призмы Порро. Кроме того, узел выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси.- 1 007874 second lens tours. In addition, the mirrors of the deflectors are made with the possibility of rotation in orthogonal planes. The node separating the light beam is made additionally containing a Porro prism. The prism is installed in series along the optical axis with the first prism. Moreover, the first prism contains a beam-splitting coating on the diagonal face. It is glued to the diagonal facet of a Porro prism. In addition, the node is made with the possibility of rotation relative to the optical axis.

Технический эффект заключается в том, что заявляемое устройство обеспечивает высокоскоростную запись дифракционных элементов (голограмм) с помощью мощного импульсного лазера, причем может быть использован ультрафиолетовый лазер с длиной волны 250-360 нм, что позволяет реализовать метод прямой лазерной записи - формировать рельефную структуру голограмм непосредственно на поверхности заготовки.The technical effect is that the claimed device provides high-speed recording of diffractive elements (holograms) using a high-power pulsed laser, and an ultraviolet laser with a wavelength of 250-360 nm can be used, which makes it possible to implement a direct laser recording method - to directly form the holograms on the surface of the workpiece.

Заявляемое устройство иллюстрируется следующими графическими материалами.The inventive device is illustrated by the following graphics.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для записи дифракционных элементов.FIG. 1 shows a functional diagram of a device for recording diffractive elements.

На фиг. 2 изображены варианты положения пучков света во входной плоскости фокусирующего объектива и соответствующие интерференционные решетки в плоскости регистрирующей среды.FIG. 2 shows variants of the position of light beams in the input plane of the focusing lens and the corresponding interference gratings in the plane of the recording medium.

На фиг. 3 показано положение интерференционной решетки, образуемой двумя интерферирующими пучками света в плоскости регистрирующей среды.FIG. 3 shows the position of the interference grating formed by two interfering beams of light in the plane of the recording medium.

Заявляемое устройство состоит из источника света 1, второй линзы 2, двух зеркальных дефлекторов 3 и 4, первой линзы 5, узла разделения пучка света 6, включающего в себя призму Порро 7 и первую призму 8, содержащую светоделительное покрытие 9 на диагональной грани, склеенной с призмой Порро 7, фокусирующий объектив 10, регистрирующую среду 11 с приводом перемещения 12 и узел управления 13.The inventive device consists of a light source 1, a second lens 2, two mirror deflectors 3 and 4, a first lens 5, a light beam separation unit 6 including a Porro 7 prism and a first prism 8 containing a beam-splitting coating 9 on a diagonal face glued with Porro 7 prism, focusing lens 10, recording medium 11 with displacement drive 12 and control unit 13.

Устройство работает следующим образом. Пучок света от источника света 1 (например, импульсного лазера) с длиной волны λ и диаметром Ф1 поступает на вход узла отклонения пучка света, который состоит из второй линзы 2 и двух зеркальных дефлекторов 3 и 4. На выходе узла отклонения пучка света установлена первая линза 5. Расстояние между линзами 2 и 5 вдоль оптической оси выбрано таким образом, что фокальная плоскость линзы 5 совпадает с точкой δ фокусировки линзы 2 пучка света. Световой пучок А на выходе линзы 5 является коллимированным. Зеркало дефлектора 3 установлено перед точкой δ на расстоянии 11, а зеркало дефлектора 4 - на расстоянии 12 после точки δ. Под действием управляющего электрического сигнала иу зеркало дефлектора 3 поворачивается на угол <ру и отклоняет световой пучок вдоль оси ОУ. Под действием управляющего электрического сигнала их зеркало дефлектора 4 поворачивается на угол <ру и отклоняет световой пучок на соответствующий угол вдоль оси ОХ. Электрические сигналы подаются от блока управления 12. Линза 5 преобразует угловое отклонение пучка света в его линейное смещение вдоль осей координат X и Υ на величинуThe device works as follows. A beam of light from the light source 1 (for example, a pulsed laser) with a wavelength λ and a diameter of F 1 is fed to the input of the light beam deflection node, which consists of a second lens 2 and two mirror deflectors 3 and 4. The output of the light beam deflection node is set to first lens 5. The distance between lenses 2 and 5 along the optical axis is chosen so that the focal plane of lens 5 coincides with the point δ of focusing lens 2 of the light beam. The light beam A at the exit of the lens 5 is collimated. The deflector mirror 3 is set before the δ point at a distance of 1 1 , and the deflector mirror 4 - at a distance of 1 2 after the δ point. Under the action of a control electrical signal, and at the mirror of the deflector 3, it rotates by an angle <p y and deflects the light beam along the axis of the op-amp. Under the action of a control electrical signal and x, the mirror of the deflector 4 rotates through an angle <р y and deflects the light beam by a corresponding angle along the axis OX. Electrical signals are supplied from the control unit 12. Lens 5 converts the angular deviation of the light beam into its linear displacement along the coordinate axes X and Υ by

Χι=2φχί2 и ν2φ,Ρ (1) где £2 - фокусное расстояние объектива 5, £2>>1;, 12, фх, фу<<1.Χι = 2φ χ 2 and ν2φ, Ρ (1) where £ 2 is the focal length of the lens 5, £ 2 >>1; 1 2 , ф х х , ф у << 1.

Световой пучок А поступает на вход узла 7 разделения пучка света, выполненного с одним входным и двумя выходными зрачками. Узел разделения пучка света выполнен в виде установленных последовательно вдоль оптической оси призмы Порро 7 и первой призмы 8, причем призма 8 выполнена содержащей грань со светоделительным покрытием 9 и склеена с диагональной гранью призмы Порро 7. Призма Порро известна в литературе (Справочник конструктора оптико-механических приборов.//Под ред. Э. Панова, Машиностроение, Л., 1985). Световой пучок А делится на грани 9 на два пучка приблизительно пополам. Первый, прямой, пучок (А') проходит эту призму 8 без изменения направления. Второй пучок (А) испытывает четыре отражения (два вдоль оси ОХ и два вдоль оси ΟΥ) от граней призмы Порро 7 и выходит зеркально ориентированным по отношению к первому пучку. Оптические оси прямого и зеркального выходных пучков выполнены коллинеарными исходной оптической оси. Для обеспечения коллинеарности пучков узел разделения пучка света, состоящий из призм 7 и 8, выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси. При повороте и наклоне узла пучок А' не меняет направления, в то время как пучок А отклоняется соответственно повороту и наклону всего узла. Далее пучки А' и А поступают к фокусирующему объективу 10 и фокусируются в плоскости регистрирующей среды 11 на расстоянии δ2 от оптической оси, равном δ; ±2<р1М'; χ·1ί';; (2) где Ф ~ 'У1 + Фу , £3 - фокусное расстояние объектива 10, 1=1=1^ Знаки + и - указывают, что центры областей δ' и δ фокусировки пучков А' и А смещаются в разные стороны. Если расстояние 1 мало, то и смещение δ2 также будет мало. В результате интерференции двух сфокусированных пучков света в плоскости регистрирующей среды формируется синусоидальная интерференционная решетка. Эта интерференционная решетка последовательно во времени фиксируется регистрирующей средой 11, изменяющей свои свойства под действием света. Регистрирующая среда 11 с помощью привода 12 перемещается относительно области фокусировки δ' по командам от блока управления 13. При движении регистрирующей среды относительно объектива 10 на поверхности последней формируется (записывается) последовательность решеток. Для устранения смаза интерференционной решетки импульсы лазерного излученияThe light beam And is fed to the input of the node 7 of the separation of the beam of light, made with one input and two exit pupils. The node separating the light beam is made in the form of a Porro 7 prism and the first prism 8 installed in series along the optical axis, the prism 8 being made containing the face with the beam-splitting coating 9 and glued to the diagonal face of the Porro prism 7. Porma Prism is known in the literature (Reference Designer Optical Mechanical devices. / / Edited by E. Panov, Mashinostroenie, L., 1985). Light beam A is divided into two beams on face 9 approximately in half. The first, straight beam (A ') passes this prism 8 without changing the direction. The second beam (A) experiences four reflections (two along the OX axis and two along the axis) from the faces of the Porro 7 prism and leaves mirror-oriented with respect to the first beam. The optical axes of the direct and mirror output beams are collinear with the original optical axis. To ensure the collinearity of the beams, the light beam separation unit, consisting of prisms 7 and 8, is rotatable about the optical axis. When rotating and tilting a node, beam A 'does not change direction, while beam A deviates according to the rotation and tilt of the entire node. Next, the beams A 'and A arrive at the focusing lens 10 and are focused in the plane of the recording medium 11 at a distance δ 2 from the optical axis equal to δ ; ± 2 <p1M '; χ · 1ί '; / Ρ ; (2) where Ф ~ 'У 1 + Фу, £ 3 is the focal length of the lens 10, 1 = 1 = 1 ^ The + and - signs indicate that the centers of the δ' and δ regions of the focusing of the beams A 'and A are shifted in different directions. If distance 1 is small, then the offset δ2 will also be small. As a result of the interference of two focused light beams in the plane of the recording medium, a sinusoidal interference grid is formed. This interference grating is sequentially fixed in time by the recording medium 11, which changes its properties under the action of light. The recording medium 11 is moved by the actuator 12 relative to the focusing region δ 'by commands from the control unit 13. When the recording medium moves relative to the objective 10, a series of grids is formed (recorded) on the surface of the latter. To eliminate the blurring of the interference grating laser pulse

- 2 007874 имеют длительность τ, равную τ=οΤ/ν (3) где Τ - период интерференционной решетки, ν - скорость движения регистрирующей среды, с=0,1-0,01 постоянный коэффициент. При Т=1 мкм и ν=0,1 м/с длительность импульсов составляет τ~0,01 мкс. Частота следования импульсов Глаз определяется расстоянием Ь между отдельными решетками на регистрирующей среде:- 007874 have a duration τ equal to τ = Τ / ν (3) where Τ is the period of the interference grating, ν is the speed of movement of the recording medium, c = 0.1-0.01 is a constant coefficient. At T = 1 μm and ν = 0.1 m / s, the pulse duration is τ ~ 0.01 μs. The pulse repetition rate G lase is determined by the distance b between the individual gratings on the recording medium:

Γ..=ν/Γ (4)Γ .. = ν / Γ (4)

Например, при Ь=20 мкм частота следования импульсов лазера составляет Глаз=5 кГц и за 1 с предлагаемое устройство позволяет записывать 5000 интерференционных решеток (или голограмм). Наиболее подходящим источником света является твердотельный импульсный Νά:ΥΑΟ лазер с модулированной добротностью и утроением (или учетверением) частоты (И.И. Кондиленко, П.А. Коротков, А.И. Хижняк, Физика лазеров, Вища школа-84г., А.А. Иолтуховский, И.И. Куратев, Ю.В. Цветков, Твердотельные лазеры с накачкой лазерными диодами для лабораторного и промышленного применения, Лазер-Информ № 1-2, январь 2000г.). Световое излучение такого лазера представляет собой последовательность коротких (5-10 нс) и мощных импульсов света с частотой повторения от сотен герц до 10-50 кГц и длиной волны 355 или 268 нм. При записи дифракционного элемента узел управления 13 синхронизирует импульсное включение лазера 1 с перемещением регистрирующей среды 11 и управляет углом отклонения зеркал дефлекторов 3 и 4 в соответствии с заданной программой.For example, at b = 20 μm, the pulse repetition rate of the laser is G lase = 5 kHz, and in 1 second the proposed device allows you to record 5,000 interference gratings (or holograms). The most suitable light source is a solid-state pulsed Νά: ΥΑΟ Q-switched laser and tripling (or quadrupling) frequencies (I. Kondilenko, P. Korotkov, A. I. Khizhnyak, Laser Physics, Vishcha School-84g., A A. Ioltukhovsky, II Kuratev, Y. Tsvetkov, Solid-state lasers pumped by laser diodes for laboratory and industrial applications, Laser-Inform No. 1-2, January 2000). The light radiation of such a laser is a sequence of short (5-10 ns) and high-power light pulses with a repetition rate from hundreds of hertz to 10-50 kHz and a wavelength of 355 or 268 nm. When recording a diffractive element, the control unit 13 synchronizes the pulse switching on of the laser 1 with the movement of the recording medium 11 and controls the angle of deflection of the mirrors of the deflectors 3 and 4 in accordance with a given program.

Операция включения/выключения пучка света лазера при записи решеток осуществляется поворотом зеркала хотя бы одного из дефлекторов на угол больше половины угловой апертуры линзы 5 или фокусирующего объектива 10. При этом световой пучок блокируется апертурой фокусирующего объектива и не проходит к регистрирующей среде. Эта операция необходима, если при записи надо пропустить несколько решеток. Частота переключения быстродействующих зеркальных дефлекторов с размером зеркала 2x2 мм2 составляет около 5 кГц.The operation of switching on / off the laser light beam when recording gratings is performed by rotating the mirror at least one of the deflectors at an angle of more than half the angular aperture of the lens 5 or the focusing lens 10. The light beam is blocked by the aperture of the focusing lens and does not pass to the recording medium. This operation is necessary if you need to skip several arrays when recording. The switching frequency of high-speed mirror deflectors with a mirror size of 2x2 mm 2 is about 5 kHz.

В предлагаемом устройстве каждая интерференционная решетка может иметь заданные ориентацию и период. В качестве примера на фиг. 2 а, б, в показаны различные положения пучков света А' и А во входной плоскости фокусирующего объектива 10 и соответствующие интерференционные решетки в плоскости регистрирующей среды (фиг. 2 г, д, е). В исходном состоянии (иху=0) пучок света А' проходит через линию пересечения II и III квадрантов на расстоянии у! от оптической оси (фиг. 2а). Зеркальный пучок А в исходном состоянии лежит на пересечении I и IV квадрантов на расстоянии -х1 от оптической оси. Интерференционная картина имеет вид решетки, как показано на фиг. 2г. При подаче на дефлекторы 3 и 4 отличных от нуля управляющих сигналов их и иу пучки А' и А перемещаются, соответственно, в II и III и I и IV квадрантах, как показано на фиг. 2 б, в. В этом случае или уменьшается период интерференционной решетки (фиг. 2д), или меняется угол наклона 1д(0)=<р,./<ру (фиг. 2е).In the proposed device, each interference grating can have a specified orientation and period. As an example in FIG. 2 a, b, c show different positions of the light beams A 'and A in the input plane of the focusing lens 10 and the corresponding interference gratings in the plane of the recording medium (Fig. 2 d, e, f). In the initial state (and x = and y = 0), the beam of light A 'passes through the intersection line of the second and third quadrants at a distance of y! from the optical axis (Fig. 2a). The mirror beam A in the initial state lies at the intersection of the I and IV quadrants at a distance of x 1 from the optical axis. The interference pattern has the form of a lattice, as shown in FIG. 2g. When applied to deflectors 3 and 4 of nonzero control signals and x and y, beams A 'and A are moved, respectively, in II and III and I and IV quadrants, as shown in FIG. 2 b, c. In this case, either the period of the interference grating (Fig. 2e) is reduced, or the angle of inclination 1d (0) = <p,. / <P y (Fig. 2e) changes.

Основным условием правильной работы заявляемого устройства является точное совмещение между собой сфокусированных пучков А' и А в плоскости регистрирующей среды, так как интерференционная решетка образуется только в месте их пересечения. При наклоне любого из двух зеркал световой пучок на выходе объектива 5, смещаясь вдоль одной из координат, приобретает небольшой наклон, который приводит к возникновению погрешности положения (см. выражение (2)) интерференционной решетки в плоскости регистрирующей среды 11, как показано на фиг. 3. Сфокусированные пучки перекрываются не полностью, и интерференционная решетка возникает только в месте их пересечения. Диаметр светового пятна (кружек Эйри) в плоскости регистрирующей среды определяется какThe main condition for the correct operation of the claimed device is the exact combination of focused beams A 'and A in the plane of the recording medium, since the interference grating is formed only at the point of their intersection. When either of the two mirrors is tilted, the light beam at the output of the lens 5, moving along one of the coordinates, acquires a slight tilt, which leads to an error of position (see expression (2)) of the interference grating in the plane of the recording medium 11, as shown in FIG. 3. The focused beams do not overlap completely, and the interference grid arises only at the point of their intersection. The diameter of the light spot (Airy mugs) in the plane of the recording medium is defined as

Α«2,44λΓ3/ά2 (5) где б2=б|Г;/Г| - диаметр светового пучка А' или А на входе фокусирующего объектива 10, Г1 - фокусное расстояние объектива 2 (Г.С. Ландсберг. Оптика, М, Наука, 1976).Α «2.44λΓ 3 / ά2 (5) where b 2 = b | Γ ; / Y | - diameter of the light beam A 'or A at the input of the focusing lens 10, G 1 - focal length of the lens 2 (GS Landsberg. Optics, M, Nauka, 1976).

Отношение величины смещения δ=2δ2 светового пятна к его диаметруThe ratio of the magnitude of the displacement δ = 2δ 2 light spot to its diameter

Ε=δ/Α=1Χ161/(1,22λΓ1Γ2) (6) является относительной погрешностью и характеризует влияние наклона зеркала на относительное положение пятна.Ε = δ / Α = 1Χ161 / (1,22λΓ1Γ2) (6) is a relative error and characterizes the influence of the inclination of the mirror on the relative position of the spot.

Из выражения (6) следует, что для уменьшения погрешности Е необходимо уменьшать расстояние 1 и увеличивать фокусные расстояния £ и Г2. Величина 1 определяется габаритами зеркал дефлекторов и расстоянием между ними и не может быть выбрана произвольно. При заданной величине погрешности Е из выражения (6) следует, что расстояние между одним из зеркал и точкой 8 не должно превышать 1<1,22ΕλΓ1Γ2/Χ1ά1 (7)From the expression (6) it follows that in order to reduce the error E it is necessary to reduce the distance 1 and increase the focal lengths £ and T 2 . The value of 1 is determined by the dimensions of the deflector mirrors and the distance between them and cannot be chosen arbitrarily. For a given value of the error E from expression (6), it follows that the distance between one of the mirrors and point 8 should not exceed 1 <1.22ΕλΓ1Γ2 / Χ1ά1 (7)

Если допустимая величина относительного смещения лежит в пределах Ε=0,04-0,2, то при λ=0,35 мкм, Γι=150 мм, Г2=100 мм, х1=1 мм, б1 = 1 мм расстояние 1 не должно превышать 0,32-1,3 мм, что конструктивно выполнимо.If the permissible value of the relative displacement lies within пределах = 0.04-0.2, then at λ = 0.35 μm, Γι = 150 mm, G 2 = 100 mm, x 1 = 1 mm, b 1 = 1 mm distance 1 should not exceed 0.32-1.3 mm, which is constructively feasible.

С учетом того, что период Т интерференционной решетки (фиг. 2д) в записывающем пятне приблизительно равен Т^Г3/2хь выражение (7) для правильного выбора расстояния 1 можно окончательно записать в видеGiven the fact that the period T of the interference grating (Fig. 2d) in the recording spot is approximately equal to T ^ T 3/2 s expression (7) for the correct choice of the distance 1 can finally be written as

1<ВТГ1Г2/Г361 (8)1 <VTG1G2 / G 3 61 (8)

- 3 007874 где В=2,44Е=0,1-0,5.- 3 007874 where B = 2.44E = 0.1-0.5.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокоскоростную запись дифракционных элементов (голограмм) с помощью импульсного лазера. Отличительной чертой предложенного устройства является простота оптической схемы и отсутствие дорогостоящих и низкоэффективных акустооптических дефлекторов. Так как отсутствуют ограничения на светопропускание, в качестве источника излучения может быть использован ультрафиолетовый лазер с длиной волны короче 360 нм. Предложенное устройство отличается очень малыми потерями световой энергии в оптическом тракте, что позволяет использовать мощный источник импульсного излучения и реализовать метод прямой лазерной записи формировать рельефную структуру голограмм непосредственно на поверхности заготовки. Так как зеркальные дефлекторы имеют малые размеры, вес и малое потребление электрической энергии, предлагаемое устройство может быть выполнено малогабаритным, в виде компактной оптической головки. Дефлекторы могут быть выполнены по технологии микромеханики в пленочном исполнении.Thus, the proposed device provides high-speed recording of diffraction elements (holograms) using a pulsed laser. A distinctive feature of the proposed device is the simplicity of the optical scheme and the absence of expensive and inefficient acousto-optical deflectors. Since there are no restrictions on light transmission, an ultraviolet laser with a wavelength shorter than 360 nm can be used as a radiation source. The proposed device is distinguished by very small losses of light energy in the optical path, which makes it possible to use a powerful source of pulsed radiation and to implement the direct laser recording method to form the relief structure of holograms directly on the surface of the workpiece. Since the mirror deflectors are small in size, weight and low consumption of electrical energy, the proposed device can be made small-sized, in the form of a compact optical head. Deflectors can be made using micromechanics technology in film design.

Заявляемое устройство было проверено экспериментально. В качестве источника излучения использован импульсный лазер с утроением частоты (О-5\\йс11 1а§ег) типа ЬСЗ ПТЬ-374СВ средней мощностью 20 мВт, длиной волны 354 нм, длительностью импульсов около 5 нс. Быстродействующие зеркальные дефлекторы использовались типа 6220М (СатЬпбде Тес11по1оду. 1пс.) с максимальной частой до 5 кГц. Фокусные расстояния линз были выбраны в соответствии с приведенными ранее в тексте параметрами. В качестве регистрирующей среды использовались тонкие пленки хрома и кремния, нанесенные на стеклянные подложки методом магнетронного распыления. Были записаны изображения, содержащие дифракционные элементы (микроголограммы) диаметром около 10 мкм и периодом решетки от 0,8 до 1,4 мкм и с угловой ориентацией в диапазоне θ=0-90°. Запись осуществлялась методом прямой лазерной записи (испарение и термохимия). Скорость записи варьировалась от 500 до 4000 микроголограмм в секунду.The inventive device was tested experimentally. A pulsed laser with tripling of the frequency (O-5) 11 of the type LSC Pt-374SV with an average power of 20 mW, a wavelength of 354 nm, and a pulse duration of about 5 ns was used as a radiation source. High-speed mirror deflectors were used such as the 6220M (SatbtbdeTes11po1odu. 1ps.) With a maximum frequency of up to 5 kHz. The focal lengths of the lenses were selected in accordance with the parameters given earlier in the text. Thin films of chromium and silicon deposited on glass substrates by magnetron sputtering were used as a recording medium. Were recorded images containing diffraction elements (microholograms) with a diameter of about 10 microns and a grating period from 0.8 to 1.4 microns and with an angular orientation in the range θ = 0-90 °. Recording was carried out by direct laser recording (evaporation and thermochemistry). The recording speed ranged from 500 to 4000 micro-holograms per second.

Claims (5)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Устройство для записи дифракционных элементов, содержащее оптически связанные источник света, узел отклонения пучка света, первую линзу, включающий в себя первую призму, узел разделения пучка света, фокусирующий объектив, регистрирующую среду, привод перемещения регистрирующей среды и узел управления, электрически связанный с источником света, узлом отклонения пучка света, приводом перемещения регистрирующей среды, отличающееся тем, что узел отклонения пучка света выполнен в виде установленных последовательно вдоль оптической оси второй линзы и двух зеркальных дефлекторов, причем расстояние 1 между плоскостью зеркала любого из двух дефлекторов и точкой фокусировки света первой линзой выбрано из соотношения1. A device for recording diffraction elements containing an optically coupled light source, a light beam deflection unit, a first lens including a first prism, a light beam separation unit, a focusing lens, a recording medium, a recording medium moving drive, and a control unit electrically connected to a light source, a node deflecting the light beam, a drive moving the recording medium, characterized in that the node deflecting the light beam is made in the form of sequentially installed along the optical axis in one lens and two mirror deflectors, the distance 1 between the mirror plane of either of the two deflectors and the light focusing point of the first lens is selected from the relation 1'ВТ1'М3с1· где коэффициент В=0,1-0,5, Т - период решетки дифракционного элемента в регистрирующей среде, ί фокусное расстояние второй линзы, ί2 - фокусное расстояние первой линзы, ί3 - фокусное расстояние фокусирующего объектива, ф - диаметр пучка на входе второй линзы.1'ВТ1'М3с1 · where the coefficient В = 0.1-0.5, Т is the grating period of the diffraction element in the recording medium, ί the focal length of the second lens, ί 2 - the focal length of the first lens, ί 3 - the focal length of the focusing lens, f is the diameter of the beam at the entrance of the second lens. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркало хотя бы одного из дефлекторов выполнено с возможностью выполнения угла поворота большим, чем половина угловой апертуры второй линзы.2. The device according to claim 1, characterized in that the mirror of at least one of the deflectors is configured to perform an angle of rotation greater than half the angular aperture of the second lens. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала дефлекторов выполнены с возможностью поворота в ортогональных плоскостях.3. The device according to claim 1, characterized in that the deflector mirrors are rotatable in orthogonal planes. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел разделения пучка света выполнен дополнительно содержащим призму Порро, установленную последовательно вдоль оптической оси с первой призмой, причем первая призма выполнена содержащей светоделительное покрытие на диагональной грани и склеена с диагональной гранью призмы Порро.4. The device according to claim 1, characterized in that the unit for separating the light beam is further comprising a Porro prism mounted in series along the optical axis with the first prism, the first prism being made comprising a beam splitting coating on a diagonal face and glued to the diagonal face of the Porro prism. 5. Устройство по пп.1 и 4, отличающееся тем, что узел разделения пучка света выполнен с возможностью поворота относительно оптической оси.5. The device according to claims 1 and 4, characterized in that the light beam splitting unit is rotatable relative to the optical axis.
EA200500493A 2005-02-24 2005-02-24 Device for recording diffraction elements EA007874B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA200500493A EA007874B1 (en) 2005-02-24 2005-02-24 Device for recording diffraction elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA200500493A EA007874B1 (en) 2005-02-24 2005-02-24 Device for recording diffraction elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200500493A1 EA200500493A1 (en) 2006-10-27
EA007874B1 true EA007874B1 (en) 2007-02-27

Family

ID=42121413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA200500493A EA007874B1 (en) 2005-02-24 2005-02-24 Device for recording diffraction elements

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA007874B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1280560A1 (en) * 1985-10-22 1986-12-30 Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР Method of manufacturing diffraction optical elements
SU1582166A1 (en) * 1988-01-13 1990-07-30 Предприятие П/Я Р-6670 Apparatus for exposure of holographic diffraction gratings
RU1099747C (en) * 1983-03-29 1995-06-19 Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова Device for recording radial diffraction grating
EP1132758A1 (en) * 1998-11-04 2001-09-12 Xiaojing Shao Recording device for diffraction grating and method of recording stereo or plane image

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1099747C (en) * 1983-03-29 1995-06-19 Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова Device for recording radial diffraction grating
SU1280560A1 (en) * 1985-10-22 1986-12-30 Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР Method of manufacturing diffraction optical elements
SU1582166A1 (en) * 1988-01-13 1990-07-30 Предприятие П/Я Р-6670 Apparatus for exposure of holographic diffraction gratings
EP1132758A1 (en) * 1998-11-04 2001-09-12 Xiaojing Shao Recording device for diffraction grating and method of recording stereo or plane image

Also Published As

Publication number Publication date
EA200500493A1 (en) 2006-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR970003290B1 (en) Scene projector
Römer et al. Electro-optic and acousto-optic laser beam scanners
KR102132846B1 (en) Machining device and method for laser machining a surface
US5260798A (en) Pixel intensity modulator
US6268948B1 (en) Micromachined reflective light valve
EP1480441B1 (en) Method and apparatus for multi-track imaging using single-mode beams and diffraction-limited optics
US6252715B1 (en) Beam pattern contractor and focus element, method and apparatus
JP3408305B2 (en) Micromechanical light modulator and printing device with optical interlaced output
GB1581922A (en) System for modulating a light beam and scanning optical system incorporating it
US5621561A (en) Laser scanner incorporating variable focus mechanism for rapidly changing beam spot size
JP2024519298A (en) Air ionization display device and control method thereof
WO2018191630A1 (en) Systems and methods for beam steering using a micromirror device
WO2000019264A1 (en) Scanning head lens assembly
EP0277883B1 (en) Holographic deflection device
Poleshchuk et al. Microstructuring of optical surfaces: Technology and device for direct laser writing of diffractive structures
US20100188723A1 (en) Optical modulator with beam-pointing correction
EA007874B1 (en) Device for recording diffraction elements
EP1456840B1 (en) A solid state microoptical electromechanical system (moems) for reading a photonics diffractive memory
TWI694237B (en) Structure light projector and structure light depth sensor
JPH09197310A (en) Multibeam scanning device
JPH08262365A (en) Optical scanner
KR100855814B1 (en) Scanning apparatus for sequentially scanning light according to a switching signal
JPH01177510A (en) Image rotation actuator device and plural beam condensing optical device
JP2000507004A (en) Optical device with increased angular scanning range
KR20050042443A (en) Scanning apparatus using diffraction multi-beam