ГОСТ Р 58565-2019 Оптика и фотоника. Дифракционная оптика. Термины и определения

ГОСТ Р 58565-2019
(ИСО 15902:2004)

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Оптика и фотоника

ДИФРАКЦИОННАЯ ОПТИКА

Термины и определения

Optics and photonics. Diffractive optics. Terms and definitions

ОКС 17.180.01

Дата введения 2020-09-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" (ФГУП "НИИФООЛИОС ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 296 "Оптика и фотоника"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 сентября 2019 г. N 817-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 15902:2004* "Оптика и фотоника. Дифракционная оптика. Словарь" (ISO 15902:2004 "Optics and photonics - Diffractive optics - Vocabulary", MOD) путем включения в текст стандарта дополнительных фраз и положений для учета потребностей национальной экономики Российской Федерации и особенностей российской национальной стандартизации, выделенных курсивом, а также путем изменения его структуры для приведения в соответствие с правилами, установленными в ГОСТ 1.5 (подразделы 4.2 и 4.3).

________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - .

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного стандарта приведено в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 Некоторые элементы настоящего стандарта могут быть объектами патентных прав. Международная организация по стандартизации (ИСО) не несет ответственности за установление подлинности каких-либо или всех таких патентных прав

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Установленные настоящим стандартом термины расположены в систематизированном порядке, отражающем систему понятий в области дифракционной оптики.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Для стандартизованных терминов 2.2.1, 2.2.7, 2.2.9 и 2.2.10 приведены в качестве справочных их краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования.

Установленные определения допускается при необходимости изменять, вводя в них производные признаки, раскрывая значения используемых в них терминов, указывая объекты, относящиеся к определенному понятию. Изменения не должны нарушать объема и содержания понятий, определенных в настоящем стандарте.

Стандартизованные термины набраны полужирным шрифтом, их краткие формы, в том числе представленные аббревиатурой, и/или общепринятые условные обозначения - светлым.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает основополагающие термины и определения в отношении дифракционной оптики и дифракционных оптических элементов для распространения волн в свободном пространстве. Цель настоящего стандарта - предоставление согласованной общей терминологии, которая уменьшит двусмысленность и непонимание и, тем самым, будет способствовать развитию сферы дифракционной оптики.

2 Термины и определения

2.1 Определение дифракционной оптики и ее разделов

2.1.1 дифракционная оптика (diffractive optics): Раздел оптики, посвященный изучению дифракции и созданию на этой основе дифракционных оптических элементов.

2.1.2 бинарная оптика (binary optics): Раздел дифракционной оптики, оптические компоненты которой обладают двумя значениями комплексного амплитудного коэффициента пропускания.

2.1.3 голограммная оптика (holographic optics): Раздел дифракционной оптики, в котором в качестве оптических элементов рассматривают, изучают и используют голограммы для преобразования фронта падающей волны в конкретный геометрический фронт.

2.2 Дифракционные оптические элементы и их виды

2.2.1 дифракционный оптический элемент; ДОЭ (diffractive optical element; DOE): Оптический элемент, осуществляющий преобразование проходящего (отраженного) оптического излучения в результате дифракции на его микроструктуре с постоянным или с изменяющимся по заданному закону периодом.

2.2.2 амплитудный дифракционный оптический элемент (amplitude diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, дифракционная микроструктура которого осуществляет амплитудную модуляцию проходящего (отраженного) через него оптического излучения.

2.2.3 фазовый дифракционный оптический элемент (phase diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, дифракционная микроструктура которого осуществляет фазовую модуляцию проходящего (отраженного) через него оптического излучения.

2.2.4 пропускающий дифракционный оптический элемент (transmission diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его прохождении через этот элемент.

2.2.5 отражательный дифракционный оптический элемент (reflection diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, осуществляющий преобразование падающего оптического излучения при его отражении от этого элемента.

2.2.6 активный дифракционный оптический элемент (active diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, дифракционные характеристики которого могут динамически изменяться.

2.2.7 голограммный оптический элемент; ГОЭ (holographic optical element; HOE): Дифракционный оптический элемент, изготавливаемый как методами интерференции световых волн, так и методами лазерной и электронной литографии.

2.2.8 синтезированный дифракционный оптический элемент (computer generated diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, выполненный в виде синтезированной голограммы (СГ), спроектированный на компьютере и изготовленный под управлением компьютера.

Примечания

1 Синтезированная голограмма: Голограммный транспарант, полученный моделированием голографического процесса с использованием вычислительной техники.

2 Осевая синтезированная голограмма: Синтезированная голограмма, эквивалентная физической голограмме Габора.

3 Внеосевая синтезированная голограмма: Синтезированная голограмма, эквивалентная голограмме Лейта.

4 Киноформ-голограмма: Фазовая синтезированная голограмма с углом "блеска".

5 Синтезированный дифракционный оптический элемент обычно изготавливают с использованием механического метода (с применением специального алмазного лезвийного инструмента), метода сфокусированного лазерного пучка или метода литографии, в том числе с использованием электронных и ионных технологий.

2.2.9 синтезированный голограммный оптический элемент; СГОЭ (computer generated hologram optical element; CGHOE): Голограммный оптический элемент, выполненный в виде синтезированной голограммы*.

________________

* Термин добавлен в связи с широким практическим применением голограмм такого типа.

2.2.10 бинарный оптический элемент; БОЭ (binary optical element; BOE): Амплитудный и/или фазовый дифракционный оптический элемент с бинарной структурой поверхностного рельефа (см. 2.1.2).

2.3 Конструкция дифракционных оптических элементов

2.3.1 Общие сведения

2.3.1.1 подложка дифракционного оптического элемента (substrate for diffractive optical elements): Материальный носитель дифракционной микроструктуры.

Примечание - Микроструктура может быть выполнена (размещена) на поверхности подложки или в ее объеме.

2.3.1.2 дифракционная решетка (grating): Пространственная структура с постоянным или изменяющимся по заданному закону периодом полос (элементарных элементов).

2.3.2 Фазовая структура

2.3.2.1 фазовый профиль (phase profile): Фазовый сдвиг, в пределах каждого периода микроструктуры дифракционного оптического элемента, вносимый в проходящее через дифракционный оптический элемент или отраженное от него оптическое излучение.

Примечание - Фазовый сдвиг описывается заданным математическим выражением, в соответствии с которым изменяется пространственное распределение фазы падающего оптического излучения.

2.3.2.2 рельефно-фазовый дифракционный оптический элемент (surface relief diffractive optical element): Оптический элемент, дифракционная эффективность и рабочий спектральный диапазон которого определяются дисперсионными свойствами материалов этого оптического элемента и геометрией рельефа.

Примечание - Рельеф может быть локализован внутри подложки или на ее поверхности.

2.3.2.3 Q-фактор; Q (Q-factor; Q): Значение добротности, вычисляемое для периодической структуры с синусоидальным профилем показателя преломления по формуле

, (1)

где - длина волны в воздухе, нм;

T - толщина решетки, мкм;

- средний показатель преломления решетки;

- период дифракционной решетки, мкм.

Примечание - Данное значение применяют для категорирования дифракционных оптических элементов по соотношению толщины слоя и периода микроструктуры дифракционного оптического элемента.

2.3.2.4 двумерный дифракционный оптический элемент (thin diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, формирующий не менее трех дифракционных порядков, при этом усредненный период дифракционной микроструктуры этого оптического элемента много больше толщины рабочего слоя.

Примечание - Для двумерного дифракционного оптического элемента с синусоидальным профилем показателя преломления это значение выражается как Q<1.

2.3.2.5 трехмерный дифракционный оптический элемент (thick diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент, формирующий преимущественно один дифракционный порядок (с выполнением условия Брэгга), при этом усредненный период дифракционной микроструктуры этого оптического элемента много меньше толщины рабочего слоя.

Примечание - Для трехмерного дифракционного оптического элемента с синусоидальным профилем показателя преломления это значение выражается как Q>>1.

2.3.2.6 объемно-фазовый дифракционный оптический элемент (volume phase diffractive optical element): Трехмерный дифракционный оптический элемент, дифракция в котором образуется за счет заданного пространственного распределения показателя преломления.

2.3.2.7 фазовый сдвиг (phase step): Заданный сдвиг фазы в бинарной фазовой структуре.

2.3.2.8 бинарная фазовая структура (binary phase structure): Дискретная фазовая структура, которая имеет одну заданную (постоянную) разность фаз.

2.3.2.9 многоуровневая фазовая структура (multi-level phase structure): Фазовая структура, которая имеет более двух фазовых уровней в пределах одного периода.

2.3.2.10 дифракционный оптический элемент с углом "блеска" (blazed diffractive optical element): Дифракционный оптический элемент с поверхностным рельефом, который может концентрировать энергию дифрагированного света в заданном порядке или порядках дифракции при помощи призматической структуры за один период.

2.3.2.11 дифракционная решетка с "глубоким" рельефом (deep grating): Решетка с поверхностным рельефом, фазовая глубина которого многократно превышает 2.

2.3.2.12 структура с несколькими порядками дифракции (multi-diffraction-order structure): Дифракционный оптический элемент, который содержит части, создающие различные порядки дифракции.

Примечание - Если части формируют концентрические зоны, данная структура, как правило, называется либо гармонической структурой Френеля, либо структурой надзоны.

2.3.3 Периодическая структура

2.3.3.1 период (period ): Самая короткая длительность повтора в периодической пространственной структуре дифракционного оптического элемента.

Примечание - Для решетки с поверхностным рельефом период показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схематическое представление решетки с поверхностным рельефом

2.3.3.2 локальный период (local period): Локальное значение периода , определяемое в рамках функции вектора положения х на дифракционной поверхности.

2.3.3.3 пространственная частота (spatial frequency): Число модуляций на единицу длины (т.е. пропорционально обратной величине периода).

2.3.3.4 локальная пространственная частота v(x) [local spatial frequency v(x)]: Обратная величина локального периода, вычисляемая по формуле

, (2)

где v(x) - локальная пространственная частота, определяемая в рамках функции вектора положения х на дифракционной поверхности, мм;

- период, определяемый в рамках функции вектора положения х на дифракционной поверхности, мкм.

2.3.3.5 субволновая структура (subwave length structure): Периодическая структура, значение периода которой меньше , где n - это показатель преломления структуры.

Примечания

1 В зависимости от угла падения субволновая структура может не создавать дифракционное оптическое излучение, кроме оптического излучения нулевого порядка. В таком случае элемент не является дифракционным оптическим элементом.

2 Часто используется название "решетка нулевого порядка", "поверхность с антиотражающей структурой" или "SWS".

2.3.3.6 структура с линейно изменяющимся периодом (chirped structure): Периодическая структура, период которой изменяется постепенно.

Примечание - Решетка, период которой изменяется постепенно, называется решеткой с линейно изменяющимся периодом.

2.3.3.7 K-вектор, вектор решетки K (K-vector K): Вектор, абсолютное значение которого составляет , а направление является параллельным направлению периодичности решетки.

Примечания

1 K-вектор также называется вектором решетки.

2 Для решетки с поверхностным рельефом K-вектор показан на рисунке 1.

2.3.3.8 амплитуда модуляции показателя преломления (amplitude of refractive index modulation ): В случае, когда распределение показателя преломления дифракционной структуры определено как:

, (3)

где n(x) - показатель преломления решетки, определяемый в рамках функции вектора положения х на дифракционной поверхности;

- средний показатель преломления решетки;

K - K-вектор, мм;

x - вектор положения с координатой (x, y, z) на дифракционной поверхности, мм.

2.3.3.9 зонная пластинка (zone plate): Дифракционный оптический элемент, который функционирует в качестве линзы и состоит из концентрических зон.

2.3.3.10 зонная пластинка Френеля (Fresnel zone plate): Дифракционный оптический элемент, состоящий из концентрических зон, которые варьируются по прозрачности и непрозрачности, а также в которых радиус каждой зоны является пропорциональным квадратному корню номера этой зоны; при этом зона N 1 находится в самом центре, а номер каждой следующей зоны увеличивается на единицу.

Примечания

1 Существует два типа таких пластинок: зоны с нечетными номерами которых являются прозрачными, и зоны с нечетными номерами которых являются непрозрачными.

2 Последний тип зонной пластинки Френеля показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схематическое представление зонной пластинки Френеля

2.3.3.11 фазовая зонная пластинка Френеля, зонная пластинка Вуда (phase Fresnel zone plate, Wood zone plate): Дифракционный оптический элемент, состоящий из концентрических зон, аналогичных зонной пластинке Френеля; при этом зоны варьируются не по прозрачности и непрозрачности, а с точки зрения влияния на фазу падающего оптического излучения, и располагаются в следующей последовательности: нулевые радианы - радианы - нулевые радианы и т.д., или радианы - нулевые радианы - радианы и т.д.

Примечание - На рисунке 3 показано поперечное сечение зонной пластинки Френеля.

Рисунок 3 - Схематическое представление поперечного сечения фазовой зонной пластинки Френеля

2.3.3.12 интерференционная зонная пластинка (interferometric zone plate): Дифракционный оптический элемент, изготавливающийся на основе регистрации концентрического кругового интерференционного рисунка, который формируется с помощью двух интерферирующих пучков.

2.3.4 Конструкция дифракционных оптических элементов

2.3.4.1 уравнение решетки (grating equation): Уравнение, в котором какое-либо изменение в волновом числе выражается с помощью K-вектора решетки и порядка дифракции m (см. 2.4.2.1 и 2.4.2.2).

2.3.4.2 фазовая функция (phase function): Функция, которая в рамках определенного места на дифракционной поверхности выражает величину сдвига фазы, образовывающегося при прохождении луча через данное место на поверхности. Как правило, определяется для порядка дифракции m=1.

Примечание - Фазовая функция обычно дается как "скалярный потенциал" K-вектора K(x), как, например, .

2.3.4.3 разностная функция оптического пути (optical path difference function): Функция, которая в рамках определенного места на дифракционной поверхности выражает степень длины дополнительного оптического эквивалентного пути, образовывающегося при прохождении луча через данное место на поверхности. Как правило, определяется для порядка дифракции m=1.

Примечание - Фазовая функция, умноженная на , является разностной функцией оптического пути.

2.3.4.4 комплексная функция передачи (complex transmission function): Функция, которая в рамках определенного места на дифракционной поверхности выражает комплексное значение амплитуды пропускания дифракционного оптического элемента.

2.4 Свойства дифракционных оптических элементов

2.4.1 Общие сведения

2.4.1.1 угол дифракции (diffraction angle): Угол между нормалью к поверхности дифракционного оптического элемента и направлением любого луча дифрагированного оптического излучения, получившегося в результате.

Примечание - При этом неправильно используется в качестве угла между направлением луча падающего оптического излучения относительно дифрагированного оптического элемента и направлением любого луча дифрагированного оптического излучения, получившегося в результате.

2.4.1.2 порядок дифракции (diffraction order): Целое число m в правой части уравнения решетки (см. 2.4.2.1 или 2.4.2.2).

2.4.1.3 дифракционная эффективность (diffraction efficiency): Отношение энергии, дифрагированной в заданном порядке, к энергии падающего на дифракционный оптический элемент излучения.

2.4.2 Классификация дифракции

2.4.2.1 дифракция Брэгга (Bragg diffraction): Дифракция, которая происходит в толстых решетках.

Примечания

1 Условие, при котором происходит дифракция Брэгга, или условие Брэгга, может выражаться при помощи элементов уравнения решетки, как:

, (4)

т.е. , (5)

; (6)

где m - порядок дифракции;

K - K-вектор, мм;

- средний показатель преломления решетки;

- угол Брэгга, рад;

- длина волны в воздухе, нм.

2 Схематический чертеж дифракции Брэгга показан на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схематический чертеж дифракции Брэгга

2.4.2.2 дифракция Рамана-Ната (Raman-Nath diffraction): Дифракция, которая происходит в тонких решетках.

Примечания

1 Условие, при котором происходит дифракция Рамана-Ната, может выражаться при помощи элементов уравнения решетки, как:

, (7)

т.е. как: , (8)

, (9)

где N - единичный вектор нормали к дифракционной поверхности;

K - K-вектор, мм;

- показатель преломления падающего луча в пространстве;

- показатель преломления дифрагированного луча в пространстве;

- единичный вектор по направлению падающего луча;

- единичный вектор по направлению дифрагированного луча.

Если , N и K находятся на общей плоскости, то уравнение решетки приобретает следующий вид:

, (10)

где - период дифракционной решетки, мкм;

- угол падения, рад;

- угол дифракции, рад.

Как правило, такие уравнения называют "уравнениями хода лучей для дифракционных оптических элементов". Если K=0 или =0, то данные уравнения приобретают форму уравнений "закона Снеллиуса".

2 На рисунке 5 показано схематическое представление дифракции Рамана-Ната.

2.4.2.3 скалярная теория дифракции (scalar diffraction theory): Теория дифракции, которая используется для прогнозирования приблизительной эффективности дифракции, основываясь на уравнении Гельмгольца, в котором период значительно больше длины волны падающего оптического излучения.

2.4.2.4 векторная теория дифракции (vector diffraction theory): Строгая электромагнитная теория, которая используется для прогнозирования эффективности дифракции через решение уравнений Максвелла в числовом виде для периодической структуры.

Рисунок 5 - Схематическое представление дифракции Рамана-Ната

2.4.3 Дисперсионная способность

2.4.3.1 дисперсия дифракционных оптических элементов (dispersion of diffractive optical elements): Изменение угла дифракции из-за изменений длины волны.

2.4.3.2 эффективное число Аббе дифракционного оптического элемента (effective Abbe number of diffractive optical element ): Отношение изначальной длины волны к изменению в длине волны на воздухе, определяемое как:

, (11)

где - изменение в применимых длинах волн;

- применимая длина волны, исчисляемая значением i, нм.

Примечание - Эффективное число Аббе дифракционного оптического элемента на d-линии гелия определяется с помощью следующего уравнения:

, (12)

где - длина волны d-линии гелия 587,56 нм;

- длина волны F-линии водорода 486,13 нм;

- длина волны С-линии водорода 656,27 нм.

Значение является отрицательной постоянной.

С другой стороны, эффективное число Аббе дифракционного оптического элемента на е-линии гелия определяется с помощью следующего уравнения:

, (13)

где - длина волны е-линии ртути 549,07 нм;

- длина волны F'-линии кадмия 479,99 нм;

- длина волны С'-линии кадмия 643,85 нм.

Значение является отрицательной постоянной.

2.4.3.3 эффективная частная дисперсия дифракционного оптического элемента (effective partial dispersion of diffractive optical element): Соотношение двух отличающихся значений длины волны, определяемое как:

, (14)

где - применимая длина волны, исчисляемая значением i, нм.

2.4.3.4 стандартная частная дисперсия дифракционных оптических элементов (standard partial dispersion of diffractive optical elements): Эффективная частная дисперсия дифракционных оптических элементов относительно линий F и C, которая определяется как:

, (15)

где - длина волны g-линии ртути 435,84 нм;

- длина волны F-линии водорода 486,13 нм;

- длина волны С-линии водорода 656,27 нм.

2.4.4 Поляризация

2.4.4.1 ТЕ-поляризация (TE-polarization): Поляризация падающей волны, вектор электрического поля которой находится перпендикулярно относительно K-вектора.

Примечание - На рисунке 6 показана ТЕ-поляризация.

Рисунок 6 - ТЕ-поляризация

2.4.4.2 ТМ-поляризация (TM-polarization): Поляризация падающей волны, вектор магнитного поля которой находится перпендикулярно относительно K-вектора.

Примечание - На рисунке 7 показана ТМ-поляризация.

Рисунок 7 - ТМ-поляризация

2.4.4.3 р-поляризация (p-polarization): Поляризация падающей волны, вектор электрического поля которой параллелен плоскости, включающей как K-вектор, так и вектор падающей волны k.

Примечание - На рисунке 8 показана р-поляризация.

Рисунок 8 - р-поляризация

2.4.4.4 s-поляризация (s-polarization): Поляризация падающей волны, вектор электрического поля которой перпендикулярен к плоскости, включающей как K-вектор, так и вектор падающей волны k.

Примечание - На рисунке 9 показана s-поляризация.

Рисунок 9 - s-поляризация

2.5 Варианты применения

2.5.1 дифракционная линза (diffractive lens): Оптический элемент для сведения пучков лучей и увеличения расстояния между пучками лучей, исходящих от объекта, при помощи эффекта дифракции.

2.5.2 дифракционная сила (diffractive power): Сила, которая в случае вращательно-симметричной поверхности, на которой находится квадратичная фазовая функция, определяется с помощью уравнения:

, (16)

где m - целое число;

- длина волны в воздухе, нм;

h - высота над оптической осью, мм;

- фазовая функция дифракционной поверхности.

2.5.3 общая оптическая сила (total optical power): Сумма рефракционной силы и дифракционной силы поверхности, т.е.:

, (17)

где - рефракционная сила исходной рефракционной поверхности, м;

- дифракционная сила дифракционной поверхности, м.

2.5.4 мультифокальная линза (multifocal lens): Линза, у которой дифракционная эффективность в двух или более порядках примерно одинакова или сравнима и соотношение интенсивности порядков задано при расчете.

2.5.5 рефракционная и дифракционная гибридная линза (refractive diffractive hybrid lens): Линза, полученная при сочетании рефракционной линзы и дифракционной линзы, или обычная рефракционная линза, на поверхности которой была создана дифракционная структура.

Алфавитный указатель терминов на русском языке

Алфавитный указатель эквивалентов терминов на английском языке

Приложение А
(справочное)

Обозначения и единицы измерения

Таблица А.1 - Обозначения и единицы измерения

Приложение ДА
(справочное)

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем международного стандарта

Таблица ДА.1

Электронный текст документа

и сверен по:

, 2019