Концентратор светового излучения и способ изготовления голограммы для него

.Стребков сесоюзного Знамего проехнологиов тока 1 с) 1, Е, аСог 5423-430. еская гос.423. ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОРСМОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Армянское отделение Вго ордена Трудового Краснони научно-исследовательскоектно-конструкторского и тческого института источник"Во 1 аг Гпегру", 1978,21 Р 5,2, Кольерр и др. Оптичлография. М., "Мир", 1973,(54) КОНЦЕНТРАТОР СВЕТОВОГНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯМЬ ДЛЯ НЕГО(57) 1 Концентратор светового излучения в виде призмы, содержащийграни входа, отражения и выхода излучения, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения степенконцентрации, грань входа иэлучениимеет светочувствительный слой собъемной голограммой.1097563 2, Способ изготовления голограммы для концентратора по п.1 путемзаписи интерФеренционной картины насветочувствительном слое от плоскопараллельного опорного и плоскопарал-,лельного предметного пучков лазерного излучения, причем последний вводят через оптический элемент и слойиммерсионной жидкости, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения, оптический элемент устанавливают со стороны светочувствительного слоя ипредметный пучок вводят в призмупараллельно грани отражения излучения,3. Способ по п.2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона изготавливаемого концентратора, со стороныграни отражения через слой иммерсионной жидкости устанавливают второйоптический элемент, предметный пучок вводят в светочувствительный 1Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к концентраторамсветового излучения в виде призмыи способам изготовления голограМмыдля концентраторов,Известен концентратор световогоизлучения в виде призмы, содержащейграни входа, отражения и выхода излучения 1,В данном способе концентрацияосуществляется за счет многократныхполных внутренних отражений излучения, При этом коэФФициент концентрации определяется величиной угла полного внутреннего отражения, связанного с оптической плотностью материала, из которого изготовлена призма,увеличения коэФФициента концентрации можно добиться нанесением зеркального покрытия на грань отражения.Оцнако в этом случае коэфФициентконцентрации ограничен оптическойплотностью материала призмы.Известен способ изготовления голограммы путем записи интерФеренционной картины на светочувствительномслое от плоскопараллельного опорногои плоскопараллельного предметногопучков лазерного излучения, причемпоследний вводят через оптическийэлемент и слой иммерсиоыной жидкос 30 Кроме того, предметный пучок неможет концентрироваться, так как ввести его в пластину под углом полного внутреннего отражения без призмы с иммерсионной жидкостью невоз можно. Даже с призмой он, диФрагиро. ти 2,При этом опорный пучок направляют со стороны светочувствительного слоя, а на противоположную сторону слой под углом, большим угла полного внутреннего отражения, на границе 1 светочувствительного слоя и воздуха, а опорный пучок - норсально к грани входа излучения последовательно через каждый оптический элемент.4, Способ по п.3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения степени концентрации, предметный пучок вводят в призму, имеюяую в сечении Форму трапеции, под угломк грани отражения, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела призмы и воздуха, который определяют по Ъорлуле026 п6 де Ц - угол полного внутреннего отражения на границе разделапризмы и воздуха,К - угол между гранями входа иотражения призмы;й - максимальное число отраженийпучка концентрируемого излучения внутри призмы. пластины наносят слой иммерсионнойжидкости, устанавливают на негопризму и через нее направляют предметный пучок излучения.5 Когда предметный пучок достигаетграницы светочувствительный слой воздух, происходит полное внутреннее отражение. При интерФеренции опорно го пучка с падающим предметным пучком образуется отражательная голограмма, а при интерФеренции опорного пучка с отраженным предметным пучком одновременно образуется пропускающая голограмма. Однако пластина с такими голограммами не может концентрировать излучение, так как при направлении на нее пучка света, идентичного опорному пучку, часть пучка не проходит внутрь пластины, отражаясь на отражательной голограмме, а часть пучка, дирагировавшая на пропускающей голограмме, претерпевает полное внутреннее отражение на противоположной стороне пластины, становится идентичной предметному пучку и выходит из пластины.вав, реконструирует опорный пучок излучения и выходит из пластины, а недибрагировавшая его часть полностью отражается на границе светочувствительный слой - воздух и выходит из пластины через иммерсионный слой и призму.Цель изобретения - повышение степени концентрации призменного концентратора и расширение области применения способа изготовления голо граммы для использования в призменном концентраторе, расширение рабочего диапазона изготавливаемого концентратора и дальнейшее повышение его степени концентрации, 15Поставленная цель достигается тем, что грань входа излучения имеет светочувствительный слой с объемной голограммой, оптический элемент устанавливают со стороны светочувствительного слоя, и пред" метный пучок вводят в призму параллельно грани отражения излучения,Кроме того, со стороны грани отражения через слой иммерсионной жидкости устанавливают второй оптический элемент, предметный пучок вводят в светочувствительный слой под углол, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела светочувствительного слоя и воздуха, а опорный пучок - нормально к грани входа излучения последовательно через каждый оптический злелент, а предметный пучок вводят в призму, имеющую в сечении Форму трапеции, под угломк грани отражения, большим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела призмы и воздуха, который определяют по Формуле 40 20-Оф 2 м,п,О - угол полного внутреннегоотражения на границе раздела призмы и воздуха; 45угол между гранями входаи отражения призмы,максимальное число отражений луча пучка концентрируемого излучения внутри призмы,где На Фиг,1 показан концентратор в виде призмы и способ изготовления голограммы для него, при котором обес печивается высокая степень концентрации излучения в узкой области спектра, на Фиг.2 - концентратор в виде призмы, имеющей в сечении Форму трапеции, к способ изготовления 60 ,голограммы для него, при котором обеспечивается либо широкий спектр концентрируемого излучения, либо повышение концентрации в более узком спектре. 65 Концентратор светового излученияв виде призмы 1 (Фиг.1) содержитгрань 2 входа излучения, грань 3 отражения излучения и грань 4 выходаизлучения. Грань 2 входа излученияимеет светочувствительныйспй 5 собъемной голограммой,Способ изготовления голограммыдля концентратора осуществляется пу.тем записи интерФеренционной картины на светочувствительном слое 5(Фиг.1)от плоскопараллельного опорного пучка 6 и плоскопараллельногопредметного пучка 7 лазерного излучения, который вводят через оптический элемент 8 и 9 иммерсионной жидкости. Оптический элемент 8 устанавливают со стороны светочувствительного слоя 5, а предметный пучок 7вводят в призму 1 параллельно грани3 отражения излучения,Для расширения области спектраконцентрируемого излучения, со стороны грани 3 (Фиг.2). отражения через слой 10 иммерсионной жидкостиустанавливают второй оптический элемент 11, предметный пучок 12 вводятв светочувствительный слой 5 подуглом, большим угла полного внутреннего отражения, на границе разделасветочувствительного слоя 5 и воздуха, а опорный пучок 13 вводят нормально к грани 2 входа излучения последовательно через каждый оптическийэлемент 8 и 11,Для дальнейшего повышения степени концентрации в достаточно широкой области спектра (по сравнению спредыдущим вариантом спектр концентрируемого излучения сужается), предметный пучок 14 вводят в призму 15(Фиг,2), имеющую в сечении Форму трапеции, под углом к грани 3 отражения, большим угла полного внутреннего отражения, на границе разделапризмы 15 и воздуха, который определяют по ФормулевД 2 ю.п.Способ изготовления голограммы для концентратора и его работы осуществляется следующим образом.В случае изготовления голограммы для высокой концентрации излучения приэменньм в узкой области спектра, предметный пучок 7 (Фиг.1)вводят в призму 1 через оптический элемент 8, выполненный в виде прямой призмы, и слой 9 иммерсионной жидкости, нанесенный на светочувствительный слой 5, в свою очередь, размещенный на грани 2 входа излучения, Призма 1 имеет в сечении вид прямоугольного треугольника, а пучок 7 параллелен грани 3 отражения, Опорный пучок 6 вводится в призму 1 через оптический элемент 8 и слой 9 иммерсионной жидкости,но перпендикулярно грани 2нхода излучения и поверхности светочувствительного слоя 5. Объемная голограмма может быть как пропускающего, так и отражательного типа.Концентрируемое световое излучение, после однократной диАракции на объемной голограмме, без каких-либо переотражений выходит из грани 4 призмы, Поэтому угол между двумя боковыми гранями 2 и 3 призмы 1 не зависит от свойств объемной голограммы. Этим углом определяется угол между опорным пучком 6 и предметным пучком 7 во время образования голограммы и, следовательно, спектраль ная чувствительность объемной голограммы.При изготовлении голограммы для концентрации излучения призменным концентратором в широкой области спектра, на обе грани 2 и 3 призмы 15 фиг.2) наносят слои 9 и 10 иммерсионной жидкости и устанавливают оптические элементы 8 и 11, выполненные в виде прямых призм, Предметный пучок 12 направляют через оптический элемент 8 и слой 9 иммерсионной жидкости так, чтобы внутри свето. чувствительного слоя 5 угол между направлением распространения пучка 12 и нормалью к границе раздела 30 светочувствительного слоя 5 и слоя 9 иммерсионной жидкости был больше угла полного внутреннего отражения на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха. При образона нии пропускающей объемной голограммы опорный пучок 13 направляют через оптический элемент 8 и слой 9 иммерсионной жидкости предпочтительно перпендикулярно поверхности слоя 5 40 и грани 2 входа излучения. При образовании отражательной объемной голограммы опорный пучок 13 направляют через оптический элемент 11 и слой 10 иммерсионной жидкости перпендикулярно грани 2 входа излучения, По сравнению с пропускающей объемной голограммой, отражательная объемная голограмма обладает более высокой селективностью к длине волны и меньшей селективностью к углу падения восстанавливающего пучка.Ввод предметного пучка 12 в призму 15 под углом полного внутреннего отражения осуществляется за счет того,что на обе поверхности ее боковых 55 граней 2 и 3 наносят слои 9 и 10 иммерсионной жидкости и устанавливают вспомогательные призмы (оптические элементы 8 и 11) . Опорный пучок 13 и предметный пучок 12 образуют 60 при этом только пропускающую объемную голограмму, когда интерферирующие волны падают с одной стороны светочувствительного слоя 5, и отражательную - с противоположных 65 сторон, Объемная голограмма представляет собой объемную дифракционную решетку, содержащую периодически расположенные рассеивающие плоскости, которые делят пополам угол между направлениями распространения опорного и предметного пучка в светочунствительной среде, При этом угол между напраэлением распространения пучка и рассеивающей плоскостью является углом Брэгга, Если опорный пучок падает на такую голограмму под углом Брэгга, то он дийрагирует на рассеивающих плоскостях в направлении предметного пучка, так как именно в этом направлении происходит синфазное сложение рассеиваемых плоскостями световых волн и интенсивность дифрагированной волны имеет максимальную величину. Аналогично предметный пучок, падающий на голограмму под углом Брэгга, восстанавливает опорный пучок, Г 1 ри отклонении угла падения пучка от угла Брэгга интенсивность дийрагиронанной волны падает, Так, например, для угла Брэгга около 20 внутри желатиноного светочувствительного слоя толщиной 15 мкм, при угловом отклонении менее 2 , дифракционная эФофективность объемной пропускающей голограммы падает до нуля, В частности, предельное угловое отклонение 1 в радианах) для объемной пропускающей голограммы приблизительно определяется как отношение расстояния между интерйеренционными рассеивающими плоскостями к толщине светочувствительного слоя. При освещении концентратора с такой голограчмой пучком, идентичным опорному пучку 13, в светочувствительном слое 5 распространяется под углом полного внутреннего отражения восстановленный предметный пучок 12. Тем самым достигается ввод луча из оптически менее плотной среды ноздуха 1 в оптически более плотную среду светочувствительный слой 5 и материал призмы 15), под углом полного внутреннего отражения без использования вспомогательной призмы и иммерсионной жидкости, Вошедший в призму 15 луч отражается от противоположной боковой грани 3 призмы 15 и попадает на.объемную голограмму, зарегистрированную в светочувствительном слое 5. При этом необходимо, чтобы этот луч, после отражения на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха, падал на рассеивающие плоскости объемной дифракционной решетки с угловым отклонением от угла Брэгга, не меньшимуглового отклонения, при котором дифракционная эффективность объемной голограммы равна нулю. В этом1097563 131/18 одписн ВНИИПИТираж 4 ак л НПП "Патент",ород,ул.Проектная,г случае не восстанавливается выходящая из призмы 15 опорная волна ипроисходит полное внутреннее отражение луча на границе раздела светочувствительного слоя 5 и воздуха.С этой целью угол между боковымиконцентрирующими гранями 2 и 3 призмы 15 устанавливают не менее половины углового отклонения от углаБрэгге, при котором дифракционнаяэффективность объемной голограммыранна нулюПосле многократных переотражений световой поток, вошедшийв призму 15 с объемной голограммой,концентрируется на ее грани 4 выхода излучения, 15Если призма 15 (фиг.2) имеет всечении Форму трапеции, то концентрировать излученне можно на болееузкой грани призмы 15, параллельнойграни 4. 20Для этого предметный пучок 14вводят в призму 15 под углом к грани 3, превышающим угол полного внутреннего отражения на угол, равныйпроизведению числа актов отражения 25луча внутри призмы 15 на двойнойугол, составленный гранями 2 и 3.При этом световое излучение, иден.тичное по направлению предметномупучку 14, войдя в призму 15,.после 30многократных переотражений выходитиз узкой грани призмы 15, параллельной грани 4,При этом увеличивается степеньконцентрации, но сужается область 35спектра концентрируемого излучения.Снабжение концентратора в видепризмы 1 или 15 светочувствительнымслоем 5 с объемной голограммой позволяет уменьшить угол между гранью 402 входа и гранью 3 отражения излучения призмы 1 или 15 до величины порядка половины предельного углового отклонения от угла Брэгга, чтов свою очередь, повышает степеньконцентрации светового излучения,Способ изготовления гоЛограммыдля концентратора в виде призмы 15,при котором опорный пучок 13 или14 и предметный пучок 12 вводят вразличных сочетаниях относительностороны светочувствительного слоя 5,позволяет записать два типа объемной голограммы, а именно пропускающуюи отражательную, что, совместно с призмой 15, обеспечивает концентрацию излучения в широкой области спектра и, следовательно, расширя.ет рабочий диапазон изготавливаемого концентратора, Введение опорного пучка 6 и предметного пучка 7со стороны светочувствительного слоя5, при котором предметный пучок 7параллелен грани 3 отражения излучения призмой 1, позволяет изготовить узкополосный эФФективный концентратор и использовать для этогоспособ изготовления голограммы, что,в свою очередь, расширяет областьприменения способа,1Предлагаемый концентратор и способ изготовления голограммы для него дает возможность создавать концентраторы светового излучения вшироком диапазоне спектральной селективности. от узкополосных Фильтров-концентраторов, концентрирующих область спектра шириной в несколько нанометров, до концентраторов, практически не обладающихспектральной селективностью, Предлагаемые концентраторы могут найтиширокое применение в устройствахдля преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую.