Un dispositivo (10) de rejilla de difracción holográfica de volumen-fase,

que comprende:

un elemento (30) de cubierta y un elemento (20) de substrato conformados ambos de un material de vidrio; un elemento (44) de bastidor situado entre dicho elemento (30) de cubierta y dicho elemento (20) de substrato que forma una región (60) volumétrica de cámara de aire entre ellos; y

una capa (42) de material de gelatina sobre una superficie de dicho elemento (20) de substrato dentro de dicha región (60) volumétrica de cámara de aire situada entre el elemento (30) de cubierta y el elemento (20) de substrato pero que no rellena completamente dicha región (60) volumétrica de cámara de aire y tal que la capa (42) de material de gelatina no está en contacto con el elemento (30) de cubierta, teniendo dicha capa (42) de material de gelatina un espesor en el rango de aproximadamente 0,5 a 1,0 micras adaptado para operar sobre 10 luz no polarizada en la región de 250-280 nm del espectro y que tiene una región con diversos índices de refracción creados por un holograma conformado en ella; y

un material (46) adhesivo que adhiere entre sí al elemento (30) de cubierta y al elemento (20) de substrato sobre superficies exteriores del elemento (44) de bastidor, sellando herméticamente el material (46) adhesivo dicha capa (42) de gelatina sin hacer contacto con dicha capa (42) de gelatina;

en el cual la capa (42) de gelatina tiene un espesor de acuerdo con la siguiente ecuación: donde x describe el espesor, describe la longitud de onda de funcionamiento, describe el coeficiente de absorción del material de gelatina, cos describe el ángulo de resplandor, y n describe el índice de refracción.

Rejilla de difracción holográfica de volumen-fase optimizada para la región espectral ultravioleta.

ANTECEDENTES DEL INVENTO

El presente invento se refiere a dispositivos de difracción utilizados en sistemas y dispositivos ópticos, y más en concreto a un dispositivo de difracción holográfica de volumen-fase diseñado para su funcionamiento en regiones del espectro de longitud de onda cortas (es decir, en el ultravioleta) .

Los sensores ópticos a menudo confían en información recogida de ciertas bandas de luz reflejada o dispersada por un material u objeto que está siendo investigado. En particular, la energía asociada con la dispersión Raman en la región ultravioleta (UV) del espectro puede ser de interés en la identificación de ciertos materiales. Debido a la naturaleza intrínsicamente débil de las señales en las cuales operan estos dispositivos, los dispositivos usados para detectar estas señales débiles deberían ser tan eficientes óptimamente como sea posible. Además, en un espectrógrafo, el elemento de dispersión de la luz (en muchos casos, una rejilla de difracción) , es la principal fuente de pérdida de luz. Otras superficies utilizadas para dirigir o modificar la señal entrante añaden ruido (debido a la dispersión) y atenúan la fuerza del haz óptico (debido a la absorción) . De esta forma, es deseable optimizar la eficiencia de cada componente del espectrógrafo, y en concreto la eficiencia de la rejilla de difracción.

Otro factor importante en el diseño de un elemento óptico, tal como una rejilla de difracción, son sus parámetros de envejecimiento. Los materiales utilizados en la fabricación de la rejilla de difracción pueden descomponerse con el tiempo debido a la exposición a la luz, y pueden hacerlo más rápido si el material interacciona con la luz de ciertas maneras.

El documento US A 3 567 444, describe un medio de grabación holográfica que usa como material de grabación una película de gelatina sensibilizada. La capa de gelatina se muestra situada sobre un substrato y se usa para grabar en ella una imagen holográfica.

El documento US 2005/068593 A1 explica un medio de grabación holográfica compuesto por un par de substratos transparentes, un separador y una capa de grabación de un material polimérico sujeta entre los substratos de tal manera que la capa de grabación está en contacto con los substratos en sus dos caras.

La filosofía de diseño convencional para rejillas de difracción holográfica volumen-fase ha sido que un material de gelatina no sería apropiado para una rejilla que deba operar sobre longitudes de onda de luz muy cortas. Muchos expertos en el campo creen que el material de gelatina absorbería una parte demasiado grande de la luz entrante (y por lo tanto no sería apropiado en este régimen de longitud de onda) y decaería rápidamente. Por el contrario, se ha descubierto y tal como se presenta más adelante en este documento, que una rejilla de difracción que use un material de gelatina se puede optimizar para su funcionamiento sobre luz de longitud de onda corta, tal como luz en la región UV del espectro.

En resumen, se proporciona un dispositivo de rejilla de difracción holográfica volumen-fase de acuerdo con la reivindicación 1 que se puede optimizar para su uso con luz de longitud de onda muy corta, tal como luz en la región ultravioleta (UV) del espectro. El dispositivo comprende una cubierta y un substrato, conformados ambos por un material de vidrio. Una capa de material de gelatina está dispuesta entre la cubierta y el elemento de substrato, y tiene índices de refracción variables conformados de forma holográfica en ella para dispersar y difractar la luz entrante. El material de gelatina tiene un espesor de entre 0, 5 y 1 micra que lo hace apropiado para difractar luz en la región UV del espectro y muy eficiente. Este diseño de rejilla no sufre degradaciones por envejecimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1A es una vista explosionada de la rejilla de difracción de acuerdo con el invento.

La figura 1B es una vista en perspectiva del dispositivo de rejilla de difracción en forma ensamblada.

La figura 2 es una vista en planta de una porción del conjunto de bastidor del dispositivo de rejilla.

La figura 3 es una sección transversal tomada a través de la línea 3-3 de la figura 1B.

La figura 4 muestra una gráfica de eficiencia de rejilla frente a espesor de la capa de gelatina en la rejilla en apoyo de cálculos para el espesor de gelatina ideal.

La figura 5 es una vista lateral que muestra la rejilla en funcionamiento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Haciendo referencia a las figuras 1A y 1B, la rejilla de difracción volumen-fase se muestra de forma general con el número de referencia 10. La rejilla 10 comprende una primera capa o elemento 20 (substrato) y una segunda capa o elemento 30 (cubierta) y un conjunto 40 de bastidor intercalado entre ambos. Aunque el substrato 20 y la cubierta 30

se muestran como si fueran generalmente rectangulares, pueden adoptar cualquier forma, y están conformados de sílice fundida de grado UV o de otro material de vidrio apropiado. El substrato 20 y la cubierta 30 son al menos planos a ¼ de longitud de onda (HeNe) (una medida de planitud conocida en la técnica) , por ejemplo, y están pegados entre sí alrededor del conjunto 40 de bastidor con un adhesivo apropiado.

Se puede aplicar un recubrimiento antirreflectante a las interfases aire-vidrio del substrato 20 y de la cubierta 30. Por ejemplo, el recubrimiento antirreflectante debería proporcionar una transmisividad del 99, 5% o mayor en la región de longitud de onda de interés. Dependiendo de la aplicación se puede usar un recubrimiento antirreflectante de banda estrecha o de banda ancha. Si se desea, a las superficies exteriores también se les pueden aplicar otros recubrimientos dirigidos a otras funciones tales como la resistencia al rayado o para facilitar la limpieza de la rejilla sin afectar a su rendimiento.

Yendo a las figuras 2 y 3, se muestra en ellas con mayor detalle el conjunto 40 de bastidor. El conjunto 40 de bastidor comprende un bastidor 44 que rodea a la periferia de una capa 42 de gelatina dicromatada. El bastidor 44 está conformado de sílice fundida de grado UV u otro material apropiado. En el exterior del bastidor 44 hay un material 46 adhesivo que se usa para sellar herméticamente la capa 42 de gelatina dicromatada sin hacer contacto con la capa 42 de gelatina.

A la capa 42 de gelatina dicromatada se le debe quitar el cromo (dicromatar) mediante un proceso químico apropiado una vez que el gel se ha solidificado con el fin de minimizar la difracción que crea. Se establece un patrón de interferencia y éste provoca diferentes índices de refracción dentro del holograma creado en la capa 42 de

gelatina. El número de “líneas” asociado con el holograma conformado en la capa 42 de gelatina puede ser seleccionable por el usuario y depende de la aplicación concreta de la rejilla. Por ejemplo, el número de “líneas” puede variar desde pequeño (por ejemplo, 300) hasta razonablemente grande (6000 ó más) . En el estado del arte son bien conocidas técnicas para conformar el holograma en una región de la capa 42 de gelatina. Se puede conseguir una resolución extremadamente grande con un sistema de dos pasadas en el cual se incorpora un espejo en el camino óptico.

La figura 3 muestra que el elemento 44 de bastidor actúa como un separador entre la capa 42 de gelatina y la cubierta 30. Entre el substrato 20 y la cubierta 30 existe una región 60 volumétrica de cámara de aire dentro de la cual se deposita la capa 42 de gelatina y se permite que solidifique sobre una superficie del substrato 20. La capa 42 de gelatina no llena completamente la región 60 volumétrica de cámara de aire. La cámara de aire 60 es necesaria porque la capa de gelatina tiene un espesor tan pequeño que no podría soportar la presión de ser intercalada directamente entre el substrato 20 y la cubierta 30. El elemento 44 de bastidor también sirve para aislar físicamente al adhesivo 46 de la capa 42 de gelatina de manera que el adhesivo 46 no contamine la capa 42 de gelatina y degrade el rendimiento de la rejilla. Se puede aplicar un recubrimiento antirreflectante a la superficie de la cubierta 30 que hace contacto con la cámara de aire 60. El adhesivo 46 en la cara exterior del elemento 44 de bastidor... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (10) de rejilla de difracción holográfica de volumen-fase, que comprende:

un elemento (30) de cubierta y un elemento (20) de substrato conformados ambos de un material de vidrio;

un elemento (44) de bastidor situado entre dicho elemento (30) de cubierta y dicho elemento (20) de substrato 5 que forma una región (60) volumétrica de cámara de aire entre ellos; y

una capa (42) de material de gelatina sobre una superficie de dicho elemento (20) de substrato dentro de dicha región (60) volumétrica de cámara de aire situada entre el elemento (30) de cubierta y el elemento (20) de substrato pero que no rellena completamente dicha región (60) volumétrica de cámara de aire y tal que la capa

(42) de material de gelatina no está en contacto con el elemento (30) de cubierta, teniendo dicha capa (42) de

material de gelatina un espesor en el rango de aproximadamente 0, 5 a 1, 0 micras adaptado para operar sobre luz no polarizada en la región d.

25. 280 nm del espectro y que tiene una región con diversos índices de refracción creados por un holograma conformado en ella; y

un material (46) adhesivo que adhiere entre sí al elemento (30) de cubierta y al elemento (20) de substrato sobre superficies exteriores del elemento (44) de bastidor, sellando herméticamente el material (46) adhesivo 15 dicha capa (42) de gelatina sin hacer contacto con dicha capa (42) de gelatina;

en el cual la capa (42) de gelatina tiene un espesor de acuerdo con la siguiente ecuación:

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el cual dicho elemento (44) de bastidor está situado alrededor de bordes periféricos de la capa (42) de gelatina.

3. El dispositivo de al menos una de las reivindicaciones 1 a 2, en el cual dicha capa (42) de material de gelatina tiene un espesor de aproximadamente 0, 8 micras.

4. El dispositivo de al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual el elemento (44) de bastidor está formado 25 por un material de vidrio.

5. El dispositivo de una de las reivindicaciones 1 a 4, y que comprende además un recubrimiento antirreflectante conformado sobre superficies del elemento (30) de cubierta y del elemento (20) de substrato, en el cual el recubrimiento antirreflectante tiene una alta transmisividad en una región de interés del espectro.

6. El dispositivo de una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la capa (42) de gelatina es sometida a un proceso 30 químico para eliminar el cromo después de que se haya solidificado la citada capa (42) de gelatina.

7. El dispositivo de una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual el elemento (30) de cubierta recibe luz UV entrante que es difractada y dispersada por la capa (42) de gelatina.