Дзеркала для адаптивних оптичних систем
Вступ
Адаптивне дзеркало — це виконавчийпристрій адаптивної оптичної системи, що має що відображає поверхню з профілем,що деформується, і що задовольняє по амплітуді деформації, числу мір свободи ісмузі пропускання частот сигналу, що управляє, вимогам, що забезпечують задануефективність компенсації фазових збурень оптичного випромінювання.
Конструктивно адаптивні дзеркала можнарозділити на дві великі групи — секціоновані дзеркала і дзеркала з суцільною поверхнею.У секціонованих дзеркалах кожна окрема секція допускає її переміщення і нахил(або тільки переміщення). Суцільне дзеркало під впливом спеціальних приводіввипробовує складні деформації. Вибір тієї або іншої конструкції визначаєтьсяспецифікою системи, в якій його буде використано. До основних факторів, яківраховуються в даному випадку, відносяться габаритний розмір, маса і якістьвиготовлення поверхні дзеркала. В даний час секціоновані дзеркала розглядаютьсяяк основа для створення крупногаборітних телескопів. Подібний телескоп може бутикомбінованим. Наприклад, кожна окрема секція може бути суцільним адаптивнимдзеркалом.
Секціоновані дзеркала — принциповонайбільш простий клас адаптивних дзеркал. Суцільні адаптивні дзеркалапредставляють найбільший інтерес для розробників адаптивної оптики і маютьвелике число різних, часто неординарних варіантів виконання.
Три характеристики є для адаптивнихдзеркал специфічними:
1. Діапазон переміщень характеризуєтьсячутливість приводу у складі дзеркала (звичайно чутливість виражається впереміщеннях поверхні в мікрометрах при збільшенні напруги, що управляє, на1 В).
2. Область локальної деформації, мірасвободи дзеркала, що відображає число, може бути задана ефективною шириноюдеформації одиничної амплітуди, викликаної дією одного приводу. Функція, щоописує цю одиничну деформацію звана функцією відгуку, є однією з найважливішиххарактеристик адаптивного дзеркала.
3. Смуга пропускання частот визначаєтьсяшвидкодією використовуваного приводу і звичайно обмежена зверху механічнимирезонансами самої конструкції дзеркала.
Якщо конструкція дзеркала допускає створення коливаньповерхні на частотах фазової модуляції, прийнятої для систем апертурногозондування, то функції корекції і модуляції можуть бути покладені на однедзеркало. Якщо ж механічні резонанси лежать нижче необхідної межі значеньчастот (за часту це має місце для дзеркал, що працюють в ик-диапазоне),доводиться здійснювати модуляцію окремим модулюючим дзеркалом. Конструктивновоно звичайно відрізняється більшою жорсткістю пластини, що відображає, щодеформується, і меншою чутливістю приводу, що дозволяє здійснювати осциляціїповерхні в десятки кілогерц при амплітуді.
До приводу пред'являється суперечливавимога — забезпечити великий динамічний діапазон переміщення при високійшвидкодії. У адаптивній оптиці можна виділити наступні типи приводів:електромеханічний, електромагнітний, гідравлічний, п'єзоелектричний імагнітострикційний.
Електромеханічний привід, виконавчий механізм якого є гвинтом, що обертається від кроковогоелектродвигуна має великий діапазон переміщення, не задовольняє типовим вимогампо смузі.
Чотири інших типу приводів володіютьбільшими широкосмуговими.
Електромагнітний привід має рухому в магнітному полі котушку, пов'язану з штовхачем іциліндровою пружиною.
Постійний магніт 3, жорстко прикріпленийдо опорної плити 2, одночасно служить для передачі зусилля до цієї плити.Електромагнітний привід, що працює на активне навантаження і вимагаєбезперервної витрати електроенергії, як правило, використовується в пристроях змалим числом каналів управління дзеркал, що змінюють тільки нахил хвилевогофронту.
У гідравлічному приводі тиск рідинирегулюється за допомогою п'єзоелектричного золотника (мал. 2). При цьомутиск рідини діє на циліндрову пружину, пов'язану з поршневим штовхачем. Длягідравлічного приводу, таким чином, потрібна реалізація подвійного джерелаенергії — гідравлічного і електричного. Основні втрати енергії в приводіобумовлені турбулентністю рідини і самоохолоджнем.
Принципово конструкція магнітострикційногоприводу є стрижнем з магнітострикційного фериту, поміщеного в котушцісоленоїда. Привід забезпечує високу амплітуду переміщень (10...50мкм).
Найбільшого поширення в адаптивній оптицінабув п'єзоелектричний привід. Є безліч варіантів побудови дзеркал зп'єзоелектричним приводом. П'єзоелектричні дзеркала умовно можна розділити начотири групи: виконані у вигляді п'єзокерамичніх блоків; з біморфнимип'єзоелементами; з трубчастими п'єзоелементами; цифровий пьзопривод; з п'єзопакетами(рис.4).
П'єзопакетами,пристрої, що є стовпчиком, набраним з великого числа П'єзокерамичних паралелепіпедів або дисків з електродами на верхній і нижнійгранях, з'єднаними електрично паралельно.
1. Секціоновані дзеркала
Секціоновані адаптивні дзеркала зпоступальним переміщенням секцій дозволяють змінювати тільки тимчасові фазовіспіввідношення між сигналами від окремих секцій (довжину оптичного шляху)(мал. 5), а дзеркала з переміщенням і нахилом секцій — також і просторовуфазу. За допомогою другого типа дзеркал можна точніше здійснювати управлінняхвилевим фронтом і досягти бажаного ефекту при меншому числі секцій. Проте длязабезпечення нахилів по двох осях число приводів дзеркала збільшують.
Необхідність розробки секціонованихдзеркал виникла в астрономічному приладобудуванні у зв'язку з тим, що діаметрназемних телескопів досяг деякої критичної величини (… 6м), перевищення якоїведе до великих технологічних складнощів, як у виготовленні, так і вексплуатації.
Крім того, слід враховувати, що вартістьтелескопа потенційно зростає з діаметром (вартість телескопа метром 5 м складаєбільше 20 млн. дол.), тоді як застосування складеного телескопадозволяє зменшити вартість приблизно втричі.
Ідея секціонованого дзеркала дозволяєстворити телескоп великого ефективного діаметру (>10 м) як наземного, та космічного базування. У інших областях техніки, таких як оптичний зв'язокі дальнометрия, секціоновані дзеркала історично з'явилисяпершим кроком до створення адаптивних дзеркал.
Якщо порівняти суцільну кільцеву апертурутелескопа з кільцевою апертурою, синтезованою з шести встановлених впритулкруглих секцій, то для останнього випадку якість зображення (різкість)погіршується на 25%.
Величина зазора між елементами складеногодзеркала робить вплив на якість формування оптичного променя або зображеннясекціонованого дзеркала. Для дзеркала діаметром 7 м, що складається з 37 секцій шестикутної форми, розрахункова величина зазора складає7,5 мм.
Істотними недоліками секціонованих дзеркалє необхідність контролю положення окремої секції і стану її поверхні, а такожскладність реалізації системи термостабілізації подібних дзеркал.
Секціоновані дзеркала застосовувалися вперших експериментах по адаптивній фазовій компенсаціїспотворень (у перших системах КОАТ), а також дляполіпшення стану дозволу телескопа при спостереженні зірок через турбулентнуатмосферу. У останньому випадку дзеркало складається з шести алюмінійованихскляних дзеркал з габаритними розмірами 1,25X 1,9x0,5 см, встановлених влінійку неповним 0,15 см на п'єзоелектричні порожнисті циліндри. Електродинанесені на обидві сторони стінок циліндра. Під дією напруги ± 1000 В циліндрипоступально переміщають кожне дзеркало на ±2,5 мкм, 18 юстіровочних гвинтівдозволяють зробити плоскість всіх дзеркал паралельними.
2. Суцільні дзеркала, що деформуються
секціонований дзеркалоп'єзоелектричний оптичний
Дзеркала, що складаються з пластини, щовідображає, що деформується, і дискретних приводів, що діють по нормалі доповерхні і розміщених між цією пластиною і опорою. Така побудова дозволяє легкоздійснювати охолоджування і контроль поверхні в процесі роботи. Приводи цихдзеркал бувають жорсткі, регулюючі положення поверхні, і що пружні діють наповерхню через пружину.
Амплітуда переміщення поверхні длясуцільних дзеркал визначається не тільки динамічним діапазоном приводу, але і,очевидно, пружними властивостями відображають пластини, її товщиною, відстаннюміж точками кріплення приводів, діаметром плями зіткнення штовхача з тильноюповерхнею пластини.
На малюнку 7 представлена конструкціядзеркала із застосуванням гвинтових приводів, підключених до електродвигуна, вякому досягаються найбільш значні переміщення поверхні. Дзеркало створене дляроботи в системі апертурного зондування і призначено для корекції температурнихспотворень і неточностей, допущених при виготовленні і монтажі оптичних системІЧ-діапазону.
Дзеркало має діаметр 40 см, радіускривизни 10 м складається з алюмінієвої пластини, що відображає, завтовшки 6 мм, приводиться в рух за допомогою 19 гвинтів, що обертаються від 10крокових електродвигунів.
Для компенсації високочастотних фазовихзбурень, обумовлених, наприклад, турбулентністю середовища, такі вузькосмуговідзеркала непридатні. Тут, як правило, застосовуються дзеркала зп'єзоелектричним приводом.
Перспективним для використання вадаптивних дзеркалах з П'єзоприводами є цифровою п'єзопривод, що створює дискретне переміщення. Цифровий п'єзопривод спрощує електронну схему управління, з іншою сполучається з цифровоюапаратурою. У цифровому п'єзоприводе зменшується явищегістерезису, оскільки кожен елемент має тільки два стани залежно від вхідногосигналу. Використання цифрового п'єзоприводе дозволяєпонизити споживання енергії приводом кожного каналу і системи в цілому.
Досягнення необхідної точності управлінняздійснюєте збільшенням розрядності цифрового п'єзопривода і (або) додаваннямелементів з меншою чутливістю, а також використанням гібридного(цифро-аналогового) режиму роботи.
Особливий клас п'єзоприводов представляєпривід типу «гусениця», заснований на створенні хвилі стиснення, що біжить, впідлоги концентричних п'єзоелектричних циліндрах, на які послідовно подаютьсяелектричні сигнали, що дозволяй збільшити лінійне переміщення приводу.
Пьезопріводи трубчастій конструкції маютьелектроди на зовнішній і внутрішній стінках п'єзоелементів. Ця структураволодіє добрими механічними якостями. Трубчасті п'єзоприводи можуть бути виконаніяк у вигляді одиночних прямих трубок, так і у вигляді декількох, встановленихпоряд або коаксіальних трубок, у яких нижня підстава сполучена з верхньоюпідставою сусідньої трубки з метою досягнення більшого ефекту при збереженніневеликої (1...2 см) висоти приводу. Трубчасті п'єзоприводи використовуються в адаптивній оптиці, як правило, у видимому ілежачому близько до видимого ИК-диапазоне.
До адаптивних дзеркал з біморфнимип'єзоелементами можна віднести конструкцію з дискретним приводом і її модифікацію— суцільний біморфний блок.
Простий біморфний п'єзоелемент складаєтьсяз жорстко скріпляючих між собою двох шарів п'єзокерамики з протилежним напрямомполяризації. Подача електричної напруги на такий елемент викличе розширенняодного шару і стиснення іншого, тобто вигин двошарового елементу. Дискретнийпривід має високу чутливість (~8-10~3мкм/В), яка зростає іззбільшенням довжини біморфного п'єзоелемента.
Суцільний біморфний блок має характернучутливість близько 1,5-/>мкм/В. Це значення може зростиприблизно втричі, якщо використовувати повний прогин всього дзеркала, подаючина кожен електрод відповідну напругу.
У дзеркалах з вигинаючим моментом, не вимагаєтьсянаявності опори (Мал. 10). Вигин дзеркала обумовлений наявністю дії,пластині, що паралельно відображає. Цей метод деформації дозволяє регулюватиформу поверхні дзеркала без створення зовнішнього зусилля з боку опорної плити.
Дзеркало діаметром 180 мм 2 виготовлене змолібденової пластини, що деформується, завтовшки 9,5 мм, яка є пакетом з трьохпластин. Перша — пластина, що відображає, — має водяне охолоджування. Друга ітретя пластини служать відповідно для ущільнення і об'єднання всієї конструкції.
Дзеркало коректує дефокусіровку (кривизну поля) з амплітудою /> і астигматизм. Ширинасмуги пропускання частот системи управління складає 100 Гц. Частотна характеристикадзеркала вільна від резонансів на смузі менше 750 Гц. Дзеркало прикорекції вказаної аберації не поступається по ефективності дзеркалу з 19приводами, що діють нормально до поверхні. Деформація поверхні відповідаєкоректованій аберації.
Монолітне п'єзоелектричне дзеркаловиконане з єдиної п'єзокерамичногоблоку з наклеєною на верхню підставу пластиною, що відображає (мал. 12). Це дзеркало було розроблено длякорекції атмосферної турбулентності в оптичному телескопі. Дзеркало є циліндрвисотою 1,5 і діаметром 12 см з 21 електродом, що управляє. Загальнийелектрод розташований на нижній підставі, а електроди, що управляють, на якіподається напруга, що управляє, підведені під пластину, що відображає.
Чутливість монолітного дзеркала значноменше ніж у розглянутих дзеркал, і рівна (0,1..0,45) />мкм/В, що вимагає високих значеньнапруги, що управляє (1...2 кВ)
Даний тип дзеркала володіє добримичастотними властивостями. Резонансні частоти дзеркала розташовані вищим 25 кГц, що дозволяє використовувати їх вширокосмугових адаптивних системах, зокрема як модулююче дзеркало. Фізично цепояснюється тим, що резонує не дзеркальна пластина, а все дзеркало в цілому, щомає порівняно велику товщину.
Разом з добрими механічними властивостями ці дзеркалаволодіють високою точністю, великою широкосмуговою і успішно застосовуються длякорекції атмосферної турбулентності. Розмір апертури може бути 200 мм, смуга частот пропускання — 100 кГц. Протепрактична межа чутливості мкм/В обмежує застосовністьцього дзеркала для широко використовуваного ИК-диапазона.Тому монолітні дзеркала призначені в основному для систем бачення і усуненняфазових обурень усередині оптичних резонаторів.
Принцип дії мембранних адаптивних дзеркалзаснований на електростатичній взаємодії плівки, що натягнутої відображає, зелектродами, розташованими на деякій відстані від поверхні.
Мембрана товщиною 0,..1,5 мкм поміщається між прозорим електродом і групою приводів. До електродуприкладено напругу зсуву. Приводи будують з набору провідних прокладок, до якихприкладено напругу. Відстань між мембраною і електродами складає50...100 мкм. Якщо електрична напруга відсутня, то мембрана не відчуваєжодних переміщень і зберігає свою плоску форму. Мембрана відхилиться, якщо доякого-небудь електроду буде прикладена напруга, при цьому центр деформаціїрозташовуватиметься над електродом. Діаметр мембраногодзеркала 100 мм, його внутрішня порожнина відкачана до тискублизько 2мм рт. ст., що зв'язано демпфуючимивластивостями повітря, обумовленими його в'язкістю.
Електростатично кероване плівковедзеркало, що деформується, складається з натягнутої мембрани мікронної товщини,поміщеної між прозорим електродом, що знаходиться під напругою зміщення, іматрицею електрично ізольованих один від одного контактних майданчиків(електродів), що знаходяться під напругою. Коли на мембрану дії немає, вона недеформується. У разі відмінного куля напруги, що управляє, на якому-небудьелектроді відбувається відхилення мембрани приблизно на половину довжини хвилівипромінювання. Із збільшенням числа електрично навантажених електродіввідхилення мембрани зростає і досягає декількох довжин хвиль. Звичайно тискповітря у внутрішній порожнині пристрою регулюється з таким розрахунком, щобдобитися оптимального співвідношення між електрочутливістю і власними резонансними властивостями дзеркала. Повітряним абоелектричним демпфуванням вдається збільшити власну частоту дзеркала і тим самимрозширити робочу смугу цього адаптивного оптичного елементу 10 кГц.
Робоча смуга дзеркала значною міроювизначається физико-механічними властивостями матеріалу плівки: тягучою і межеюміцності; малою щільністю і оптико-механічною однорідністю.
Матеріалами для плівки можуть служитититан і його сплави з нікелем, берилієм, молібденом і т.д. Плівкивиготовляються напиленням на підкладку у вакуумній камері, після чого вонанатягається на жорстку рамку і прикріпляється до неї. Потім ця рамкапоміщається над електродною матрицею, наприклад виготовленою у виглядідрукарської платні. Необхідні профілі дзеркальної поверхні виходять унаслідоквідповідних підборів комбінацій керівників напрузі на різних елементах електродноїматриці.
Мала маса мембрани зводить гістерезисніявища в дзеркалі до мінімуму. В процесі управління потрібні порівняно низькінапруги. Дзеркало нескладно у виготовленні, економічно, надійно, міцно інесприйнятливо в дії атмосферних факторів.
Адаптивні оптичні елементи, щовикористовують для модуляції фази електрооптичний ефект (електрооптичні адаптивні фазові коректори), найвдаліше поєднують в собі висока швидкодія і добрий просторовийдозвіл.
Суть електрооптичного ефекту полягає вздатності ряду матеріалів під дією зовнішнього електричного поля змінювати свійоптичний показник заломлення і за рахунок цього проводити фазове зрушення всвітловій хвилі, що проходить через цей матеріал. Як такі матеріаливикористовуються як рідкі, так і тверді електрооптичні кристали.
Пристрій є пластиною з твердого електрооптичного монокристала - 5 товщиною близько 100 мкм, та обидві сторони якого нанесені тонкі (близько 1 мкм) діелектричні плівки - 1 з органічного матеріалу знанесеними на них прозорими металевими електродами.
У пристрої для проведення фазовоїмодуляція використовується один з різновидів електрооптичних ефектів — лінійнийелектрооптичний ефект (ефект Поккельса). Він характеризується лінійноюзалежністю зміни показника заломлення кристала від величини прикладеноїнапруги, а отже, і лінійною залежністю того, що вводиться в поляризаційнукомпоненту модульованої хвилі Ех фазового зсуву. Подібна зміна характернийтільки для кристалів, що не мають центру симетрії в гратах.
Пристрій функціонує таким чином. Наелектроди – (4) подається постійна напруга. Потім кристал – (5)опромінюють «записуючим» випромінюванням – (3), яке відповідає спектральнійобласті чутливості кристала і має просторовий розподіл інтенсивності,відповідний необхідному закону модуляції фази модульованої хвилі, якапосилається через кристал з деякою затримкою.
Виникаючі внаслідок напівпровідниковихвластивостей кристала носії заряду під дією зовнішнього електричного полядрейфують до меж кристала з діелектриком, де і захоплюються. Створюваний такимчином просторовий заряд частково нейтралізує заряд на електродах і тим самимробить електричне поле в кристалі неоднорідним, відповідним профілюінтенсивності «записуючої» хвилі. Це поле викликає зміни показника заломленнякристалічного середовища і подальше за цим зміна фази в «модульованій» хвилі,що пропускається через кристал.
Заміна одного фазового профілю на іншійпочинається з руйнування раніше створеного зарядового рельєфу на обкладаннях.Для цього кристал засвічується однорідним випромінюванням при закороченихелектродах. Знов освічені носії заряду дрейфують в неоднорідному поліпросторового заряду і компенсують його.
На практиці фазомодулируючим середовищем використовують кристали силікату або германату вісмуту,що володіють власною фотопровідністю, високим темновимопором і значним електрооптичним ефектом. Для зменшення паразитного розсіянняповерхню монокристала полірують і тільки тоді наносять на його грані шаридіелектрика і металу. Пристрій працює на просвіт, при кімнатній температурі іхарактерних для подовжнього електрооптичного ефекту кіловольтових значеннях півхвильової напруги.
Кількість циклів «запис — стирання»практично не обмежене.