Хвилевідний концентратор на позаосьових пандирекційних зональних голограмах

Хвилевідний концентратор на позаосьових пандирекційних зональних голограмах (Waveguide concentrator on off-axis pan-directional zonal holograms) — оптичний пристрій, який забезпечує кутове відхилення оптичних променів у просторі дифракцією їх на позаосьових зональних пластинках–голограмах, транспортування випромінювань шляхом повного внутрішнього відбиття та збирання на невеликій поверхні фотоприймача, розташованого на торці хвилеводу в одне п'ятно як промені, що падають по нормалі до поверхні голограми, так і промені, що падають на поверхню голограми під різними кутами нахилу. Як фізичну модель розсіяних сонячних випромінювань для виготовлення пандирекційної голограми можна, зокрема, використати квазімонохроматичні випромінювання, які поширюється від дифузно відбиваючої або ж дифузно проникної розсіючої поверхні протяжного об'єкта, освітленого плоским пучком монохроматичного  світла  певної довжини хвилі.

Пандирекційні зональні голограми

Позаосьові зональні голограми дозволяють доволі ефективно збирати монохроматичні випромінювання широких пучків у точці фокуса, якщо вони падають на голограму по нормалі до її поверхні. Випромінювання ж широких пучків також збирається в одній точці, яка розташована на фокальній площині, проте, на віддалі від точки головного фокуса, оскільки реальні сонячні випромінювання у більшості випадків попадають на вхід концентратора під різними кутами як результат розсіювання атмосферою та неупорядкованого відбиття від оточуючих тіл. В ідеалі достеменна структура сонячних випромінювань має бути врахована в моделі об'єктного та/або опорного оптичних пучків випромінювань під час запису голограми. Таку голограму можна назвати пандирекційною, оскільки вона дозволяє збирати в одне п'ятно як промені, що падають по нормалі до поверхні голограми, так і промені, що падають на поверхню голограми під різними кутами нахилу. Як фізичну модель розсіяних сонячних випромінювань для виготовлення пандирекційної голограми можна, зокрема, використати квазімонохроматичні випромінювання, які поширюється від дифузно відбиваючої або ж дифузно проникної розсіючої поверхні протяжного об'єкта, освітленого плоским пучком монохроматичного  світла  певної довжини хвилі.

Як було показано раніше, при запису голограми точкового об'єкта використовуються точкове об'єктне джерело монохроматичного світла і один опорний плоский пучок. У результаті, формується зональна пластинка, Число точкових об'єктних джерел світла можна збільшувати до нескінченності. У результаті на голограмі буде записано нескінченне число зональних пластинок Габора, які при відновленні формують уявні і дійсні зображення цих джерел і передають всю глибину простору. Принцип запису та відновлення точкових джерел світла можна поширити на запис та відновлення голограм складних протяжних об'єктів. Кожну точку складного об'єкта, який освітлюється при запису монохроматичним пучком світла, можна вважати точковим джерелом світла, яке інтерферує в площині реєстратора з плоским хвильовим пучком тієї ж довжини хвилі і фази, створюючи так свою зональну пластинку Габора. Щоб записати голограму складного протяжного об'єкта, вихідний лазерний пучок спочатку розбивається на два пучки випромінювань приблизно однакової інтенсивності. Один пучок освітлює об'єкт, який потім розсіює світло на носій запису. Відповідно до теорії дифракції, кожна точка на поверхні об'єкта діє як точкове джерело світла, тому носій запису можна вважати освітленим набором точкових джерел, розташованих на різних відстанях від середовища. Другий (еталонний) пучок безпосередньо освітлює носій запису. Кожна хвиля точкового джерела інтерферує з опорним пучком, породжуючи власну синусоїдальну зонну пластину на носії запису. Отриманий візерунок є сумою всіх цих зональних пластинок Габора, які об'єднуються, створюючи випадковий (крапчастий) візерунок. Голографічне зображення протяжного об'єкта високої якості можна отримати, зокрема, використовуючи схему Лейта — Упатнієкса.

При запису пандирекційних голограм в просторі оптичної пластини розсіяним світлом дифузно відбиваючої поверхні як фізичну модель джерела розсіяних сонячних випромінювань вибрано протяжний об'єкт ОВ з дифузно відбиваючою поверхнею SC. Пучок монохроматичного світла поділяється світлоподільником на дві частини. Одна його частина, що позначена на рисунку як опорна хвиля RW, спрямовується на протяжний об'єкт ОВ, друга частина, яка позначена на рисунку як об'єктна хвиля ОW, спрямовується на активний шар фотореєстраційного матеріалу AL в просторі оптичної пластини ОР. Освітлений референтним оптичним пучком об'єкт поводить себе як протяжне джерело дифузно розсіяного світла, кожна точка А його дифузно розсіючої поверхні випромінює сферичну хвилю, конус якої освітлює кожну точку В фотореєстраційного матеріалу AL. Так, А₂В₁В₂ — осьова сферична хвиля, що випромінюється точковим джерелом світла А₂; θ₂ — кут розбіжності сферичної хвилі. Сферична хвиля, що випромінюється кожним точковим джерелом світла, інтерферує на поверхні фотореєстраційного матеріалу з позаосьовою сферичною хвилею ОW. У результаті суперпозиції хвиль формується пандирекційна інтерферограма, яка несе тривимірну інформацію про інтегральне електромагнітне поле розсіяних сонячних випромінювань.

При запису пандирекційних голограм в просторі оптичної пластини розсіяним світлом дифузно проникної поверхні як фізичну модель джерела розсіяних сонячних випромінювань вибрано протяжний об'єкт ОВ з дифузно проникною розсіючою поверхнею SC. Пучок монохроматичного світла поділяється світлоподільником на дві частини. Одна частина його, що позначена на рисунку як опорна хвиля RW, спрямовується на об'єкт ОВ, друга частина, яка позначена на рисунку як об'єктна хвиля ОW, спрямовується на  активний шар фотореєстраційного матеріалу AL в просторі оптичної пластини ОР. Освітлений референтним оптичним пучком світлопроникний об'єкт поводить себе як протяжне джерело дифузно розсіяного світла, кожна точка А його дифузно розсіючої поверхні випромінює сферичну хвилю, конус якої освітлює кожну точку В фотореєстраційного матеріалу AL. Так, А₁В₁В₂ — позаосьова сферична хвиля, що випромінюється точковим джерелом світла А₁; А₂В₁В₂ — осьова сферична хвиля, що випромінюється точковим джерелом світла А₂; А₃В₁В₂ — позаосьова сферична хвиля, що випромінюється точковим джерелом світла А₃; θ₁, θ₂, θ₃ — кути розбіжності сферичних хвиль.   Сферична хвиля, що випромінюється точковим джерелом світла, інтерферує на поверхні фотореєстраційного матеріалу з позаосьовою сферичною хвилею ОW. У результаті суперпозиції хвиль формується пандирекційна інтерферограма, яка несе тривимірну інформацію про інтегральне електромагнітне поле розсіяних сонячних випромінювань.

Отриману оптичну систему голограма — хвилевідна оптична пластина можна використати як планарний концентратор сонячних випромінювань, голограма якого відновлюється розсіяним світлом оточуючого середовища.

При запису голограми можна також використати схему Денисюка. Оскільки опорний та об'єктний пучки у цій схемі спрямовані назустріч один одному, досягається висока просторова частота голограми. У цьому разі при відновленні відбувається селекція відповідної довжини хвилі.

Каскадний хвилевідний концентратор на позаосьових пандирекційних зональних голограмах

Сонячні випромінювання, які корисні для виробітку теплової та електричної енергії мають широкий спектр. З іншого боку, голографічні дифракційні концентратори володіють хроматичними абераціями. Часткове подолання втрат сонячних випромінювань, зумовлених хроматичними абераціями, досягається в схемі каскадного концентратора на основі позаосьових пандирекційних зональних голограм. Виконані позначення: І, ІІ, ІІІ — каскади; концентратора; OP — оптична пластина; І, ІІ, ІІІ — каскади концентратора; OP1, OP2, OP3 — оптична пластина; AL — активний шар реєстраційного матеріалу; RW — мультиспектральна хвиля; H–λ₁, H–λ₂, H–λ₃ — спектральні голограми; H2 — наближена голограма; OW1¹–λ₁, OW2¹–λ₁, OW1¹–λ₂, OW2¹–λ₂ OW1¹–λ₃, OW2¹–λ₃ — відновлені об'єктні хвилі, що поширюються з віддаленої та наближеної голограм. Відновлення спектральних позаосьових голограм Hλ₁, Hλ₂, Hλ₃ відбувається пошарово дифракцією випромінювань певного діапазону спектру OW1¹–λ₁, OW2¹–λ₁, OW1¹–λ₂, OW2¹–λ₂₂ OW1¹–λ₃, OW2¹λ₃ в просторі хвилевідних оптичних пластин OP1, OP2, OP3.

За певних умов збиральні голограми можуть бути розташовані на нижній поверхні оптичної пластини, у цьому випадку хвилевідні властивості оптичної пластини не використовуються. Відновлені об'єктні хвилі з віддаленої ОW1¹ та наближеної ОW2¹ голограм Н поширюються за межами оптичної пластини OP.

Випадки поширення дифрагованого випромінювання в просторі оптичної пластини та за її межами можуть поєднуватися в одній конструкції. Втрати сонячного випромінювання в голографічних концентраторах можна зменшити також певною мірою, використовуючи оптичні пластини зі сходинковим та градієнтним розподілом показника заломлення.

Джерела

• 
  Ю. К. Ребрин, В. И. Сидоров, Голографические устройства управления оптическим лучом, К.: КВВАИУ, 1986, 124 с.
• Ю. К. Ребрин, В. И. Сидоров, Оптико-механические и голографические дефлекторы, Итоги науки и техники, Сер. Радиотехника, М.:ВИНИТИ, 1992, 252 с.
• Авторское свидетельство СССР № 1496493, кл. G 02 B 26/10, 5/32, «Способ формирования многогранного голографического дефлектора», Ю. К. Ребрин, В. И. Сидоров, А. В. Пермяков Приоритет изобретения 16. 03.1987.
• D. Gabor, «A new microscopic principle», Nature, 161 (4098), рр. 777—778, 1948.
• D. Gabor, «Microscopy by reconstructed wavefronts», Proceedings of the Royal Society, 197 (1051), рр. 454—487, 1949.
• Y. N. Denisyuk, «On the reflection of optical properties of an object in a wave field of light scattered by it», Doklady Akademii Nauk SSSR, 144 (6), рр. 1275—1278, 1962.
• E. N. Leith, J. Upatnieks, «Reconstructed wavefronts and communication theory», J. Opt. Soc. Am., 52 (10), рр. 1123—1130, 1962.
• J Upatnieks, C. Leaonard, «Diffraction efficiency of bleached photographically recorded intereference patterns», Appl. Opt., 8 (1), рр. 85–89, 1969.
• T. Young, «On the mechanics of the eye», Philosophical Transactions of the Royal Society, 91, рр. 23–88, 1801.
• T. Young, «Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours», Phil. Trans. R. Soc. Lond., 92, рр. 12–48, 1802.
• T. Young, «Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics», Philosophical Transactions of the Royal Society, 94, рр. 1–16, 1804.
• T. Young, Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts, London: Taylor and Walton, 1845, p. 106.
• E. B. Champagne, «Nonparaxial Imaging, Magnification, and Aberration Properties in Holography», Journal of the Optical Society of America, 57 (1), рр. 51–55, 1967.
• C. Huygens, Traité de la lumiere… (Leiden, Netherlands: Pieter van der Aa, 1690).
• A.-J. Fresnel, «Mémoire sur la diffraction de la lumière» (Memoir on the diffraction of light), Annales de Chimie et de Physique, vol. 1, pp. 239–81, 1816 (March 1816); reprinted as «Deuxième Mémoire…» (Second Memoir…) in Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel, vol. 1 (Paris: Imprimerie Impériale, 1866), pp. 89–122. (Revision of the «First Memoir» submitted on 15 October 1815.).
• A.-J. Fresnel, «Mémoire sur la diffraction de la lumière» (Memoir on the diffraction of light), deposited 29 July 1818, «crowned» 15 March 1819, published in Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de l'Institut de France, vol. V (for 1821 & 1822, printed 1826), pp. 339—475; reprinted in Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel, vol. 1 (Paris: Imprimerie Impériale, 1866), pp. 247—364; partly translated as «Fresnel's prize memoir on the diffraction of light», in H. Crew (ed.), The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel, American Book Company, 1900, pp. 81–144. (First published, as extracts only, in Annales de Chimie et de Physique, 1819. vol. 11, pp. 246–96, 337–78.)].
• A. Fresnel, «Mémoire sur la diffraction de la lumière» (deposited 1818, «crowned» 1819), in Oeuvres complètes (Paris: Imprimerie impériale, 1866–70), vol.1, pp. 247—363; partly translated as «Fresnel's prize memoir on the diffraction of light», in H. Crew (ed.), The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel, American Book Co., 1900, pp. 81–144.
• J. Peatross, M. Ware, Physics of Light and Optics, Brigham Young University, 2021, 340 p.
• G. Kirchhoff, Ann. d. Physik. 1883, 2, 18, p. 663.
• M. Born, E. Wolf, A. B. Bhatia, Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, Cambridge University Press, 1999, 952 р.
• R. К. Kostuk, et al., «Holographic Applications in Solar-Energy-Conversion Processes», Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering, 2016, April, vol. SL13, 48 p.
• R. К. Kostuk, et al. «Holographic elements in solar concentrator and collection systems», Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering. 2009, August, vol. 7407, рр. 74070Е1–74070Е8.
• R. K. Kostuk, Holography Principles and Applications, CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 2019, 376 р.
• J. E. Ludman, «Holographic solar concentrator», App. Opt., 21(17), рр. 3057–3058, 1982.
• J. E. Ludman, et al., «The optimization of a holographic system for solar power generation», Solar Energy, vol. 60, Iss. 1, January, рр. 1–9, 1997.
• J. Hull, J. Lauer, D. Broadbent, «Holographic solar concentrators», Energy, vol. 12, Iss. 3–4, March–April, рр. 209—215, 1987.
• M. V. Collados, D. Chemisana, J. Atencia, «Holographic solar energy systems: The role of optical elements», Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 59, June, рр. 130—140, 2016.
• H. F. O. Müller, «Application of holographic optical elements in buildings for various purposes like daylighting, solar shading and photovoltaic power generation», Renewable Energy, vol. 5, Issues 5–8, August, рр. 935—941, 1994.
• K. Menoufi, D. Chemisana, J. I. Rosell, «Life Cycle Assessment of a Building Integrated Concentrated Photovoltaic scheme», Applied Energy, vol. 111, November, рр. 505—514, 2013.
• H. R. Pratheep, A.  Balamurugan, «A review of holographic optical elements in solar concentrator applications», International Journal of Advance Research, Ideas and Innovations in Technology, vol. 4, Iss. 3, рр. 214—222, 2018.
• T. M. de Jong, D. K. G. de Boer and C. W. M. Bastiaansen, «Diffractive flat panel solar concentrators of a novel design», Opt. Express, 24, рр. 1138—1147, 2016.
• W. H. Bloss, et al. «Dispersive concentrating systems based on transmission phase holograms for solar applications», Appl. Opt., 21(20), рр. 3739–3742, 1982.
• J. M. Castro, D. Zhang, B. Myer and R. K. Kostuk, «Energy collection efficiency of holographic planar solar concentrators», Appl. Opt., 49(5), рр. 858—870, 2010.
• J. M. Russo, et al. «Daily and seasonal performance of angularly dependent fixed mount dual aperture holographic planar concentrator photovoltaic modules», SPIE, 7769, рр. 1–9, 2010.
• H.  Kogelnik, «Coupled-wave theory for thick hologram gratings», Bell System Technical Journal, 48 (9), рр. 2909—2947, 1969.
• J. Goodman, Introduction to Fourier optics, Roberts & Co. Publishers, 2005, 491 р.
• D. Richter, et al. «Efficient volume Bragg gratings in various transparent materials induced by femtosecond laser pulses», Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO EUROPE/EQEC), 2011 Conference on and 12th European Quantum Electronics Conference, p. 1.
• L. Solymar, D. J. Cooke, Volume Holography and Volume Gratings, London: Academic Press, 1981, 465 р.
• I. Naydenova, T. Babeva, D. Nazarova, Holographic Materials and Optical Systems, IntechOpen, 2017, 518 p.
• T. Sabel and M. C. Lensen, «Volume Holography: Novel Materials, Methods and Applications», In book Holographic Materials and Optical Systems, IntechOpen, 2017, pp. 5–26.
• M. A. Ferrara, et al. «Volume Holographic Optical Elements as Solar Concentrators», In book: I. Naydenova, T. Babeva, D. Nazarova, Holographic Materials and Optical Systems. IntechOpen, 2017. pp. 27–50.
• M. A. Ferrara, V. Striano, G. Coppola, «Volume Holographic Optical Elements as Solar Concentrators: An Overview», Applied Sciences, 9 (1), р. 193, 2019.
• J. E. Ludman, «Approximate bandwidth and diffraction efficiency in thick holograms», Amer. J. Phys, 50, рр. 244—246, 1982.
• A. A. Khan and H. L. Yadav, «Dichromated gelatin, an efficient material for the fabrication of wavelength selective holographic solar concentrators for high-efficiency operation», Material Today: Proceedings, 56, рр. 94–99, 2022.
• C. G. Stojanoff, H. Schütte, J. Schulat, R. Kubiza & P. Froning, «Fabrication of large format holograms in dichromated gelatin films for sun control and solar concentrators», Proc. SPIE 3010, Diffractive and Holographic Device Technologies and Applications. 1997. IV, 3010.
• M. Morales-Vidal, «Holographic solar concentrators stored in an eco-friendly photopolymer», SPIE Proceedings. Optics + Optoelectronics, 2021. vol. 11774.
• M. Morales-Vidal, M. G. Ramírez, D. Sirvent, «Efficient and stable holographic gratings stored in an environmentally friendly photopolymer», Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering, 2019, 11207.
• M. Ortuno, E. Fernandez, S. Gallego, A. Belendez & I. Pascual, «New photopolymer holographic recording material with sustainable design», Opt. Express, 15 (19), рр. 12425 –12435, 2007.
• «Prism Solar Panels Use New Technology — Holographic Tuning to Achieve Higher Efficiency at a Lower Cost». Prism Solar: a working solar concentrator panel. Solar Facts and Advice. https://www.solar-facts-and-advice.com.
• J. H. Karp, E. J. Tremblay and J. E. Ford, «Planar micro-optic solar concentrator», Opt. Express, vol. 18, Iss. 2, рр. 1122—1133, 2010.
• M. J. R. Schwar, T. P. Pandya & F. J. Weinberg, «Point Holograms as Optical Elements», Nature, 215, рр. 239—241, 1967.
• M. Wiesenfarth, I. Anton and A. W. Bett, «Challenges in the design of concentrator photovoltaic (cpv) modules to achieve highest efficiencies», Applied Physics Reviews, vol. 5, Iss. 4, 2018.
• S. Darbe, M. D. Escarra, E. C. Warmann and H. A. Atwater, «Simulation and partial prototyping of an eight-junction holographic spectrum-splitting photovoltaic module», Energy Science Engineering, 7, рр. 2572—2584, 2019.
• V. Navarro-Fuster, et al., «Peristrophic multiplexed holograms recorded in a low toxicity photopolymer», Opt. Mater. Express, 7, рр. 133—147, 2017.
• M. Мorales-Vidal, et al. "Development of high efficiency and wide acceptance angle holographic solar concentrators for breakthrough photovoltaic applications, Proc. of SPIE. Optics + Optoelectronics, vol. 12574, рр. 1–7, 2023  
• M. Morales-Vidal, et al., «Green and wide acceptance angle solar concentrators», Opt. Express, 30, рр. 25366–25378, 2022.
• C. Bainier, C. Hernandez, D. Courjon, «Solar concentrating systems using holographic lenses», Solar & Wind Technol., vol. 5, Iss. 4, рр. 395—404, 1988.
• P. Banares-Palacios, et al. «Broadband behaviour of transmission volume holographic optical elements for solar concentration», Opt. Express, 23(11), A671-А681, 2015.
• T. Lloret, et al., «Holographic lenses in an environment-friendly photopolymer», Polymers, 10(3), р. 302, 2018.
• S. H. Vorndran, B. Chrysler, B. Wheelwright, R. Angel, Z. Holman and R. Kostuk, «Off-axis holographic lens spectrum-splitting photovoltaic system for direct and diffuse solar energy conversion», Appl. Opt., 55, рр. 7522–7529, 2016.
• H. Akbari, et al., «Development and testing of low spatial frequency holographic concentrator elements for collection of solar energy», Sol. Energy, 155, рр. 103—109, 2017.
• H. Akbari, I. Naydenova, & S. Martin, «Using acrylamide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications», Appl. Opt., 53 (7), рр. 1343—1353, 2014.
• В. І. Сидоров, Вивільнення та концентрація відновлюваної енергії, Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2024, 476 с., ISBN 978-617-7957-21-7.