Дзеркала для адаптивних оптичних систем

Вступ

Адаптивне дзеркало — це виконавчий пристрій адаптивної оптичної системи, що має що відображає поверхню з профілем, що деформується, і що задовольняє по амплітуді деформації, числу мір свободи і смузі пропускання частот сигналу, що управляє, вимогам, що забезпечують задану ефективність компенсації фазових збурень оптичного випромінювання.

Конструктивно адаптивні дзеркала можна розділити 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 приводів випробовує складні деформації. Вибір тієї або іншої конструкції визначається специфікою системи, в якій його буде використано. До основних факторів, які враховуються в даному випадку, відносяться габаритний розмір, маса і якість виготовлення поверхні дзеркала. В даний час секціоновані дзеркала розглядаються як основа для створення крупногаборітних телескопів. Подібний телескоп може бути комбінованим. Наприклад, кожна окрема секція може бути суцільним адаптивним дзеркалом.

Секціоновані дзеркала — принципово найбільш простий клас адаптивних дзеркал. Суцільні адаптивні дзеркала представляють найбільший інтерес для розробників адаптивної оптики і мають велике число різних, часто неординарних варіантів виконання.

Три характеристики є для адаптивних дзеркал специфічними:

1. Діапазон переміщень характеризується чутливість приводу у складі дзеркала (звичайно чутливість виражається в переміщеннях поверхні в мікрометрах при збільшенні напруги, що управляє, на 1 В).

2. Область локальної деформації, міра свободи дзеркала, що відображає число, може бути задана ефективною шириною деформації одиничної амплітуди, викликаної дією одного приводу. Функція, що описує цю одиничну деформацію звана функцією відгуку, є однією з найважливіших характеристик адаптивного дзеркала.

3. Смуга пропускання частот визначається швидкодією використовуваного приводу і звичайно обмежена зверху механічними резонансами самої конструкції дзеркала.

Якщо конструкція дзеркала допускає створення коливань поверхні на частотах фазової модуляції, прийнятої для систем апертурного зондування, то функції корекції і модуляції можуть бути покладені на одне дзеркало. Якщо ж механічні резонанси лежать нижче необхідної межі значень частот (за часту це має місце для дзеркал, що працюють в ик-диапазоне), доводиться здійснювати модуляцію окремим модулюючим дзеркалом. Конструктивно воно звичайно відрізняється більшою жорсткістю пластини, що відображає, що деформується, і меншою чутливістю приводу, що дозволяє здійснювати осциляції поверхні в десятки кілогерц при амплітуді.

До приводу пред'являється суперечлива вимога — забезпечити великий динамічний діапазон переміщення при високій швидкодії. У адаптивній оптиці можна виділити наступні типи приводів: електромеханічний, електромагнітний, гідравлічний, п'єзоелектричний і магнітострикційний.

Електромеханічний привід, виконавчий механізм якого є гвинтом, що обертається від крокового електродвигуна має великий діапазон переміщення, не задовольняє типовим вимогам по смузі.

Чотири інших типу приводів володіють більшими широкосмуговими.

Електромагнітний привід має рухому в магнітному полі котушку, пов'язану з штовхачем і циліндровою пружиною.

Постійний магніт 3, жорстко прикріплений до опорної плити 2, одночасно служить для передачі зусилля до цієї плити. Електромагнітний привід, що працює на активне навантаження і вимагає безперервної витрати електроенергії, як правило, використовується в пристроях з малим числом каналів управління дзеркал, що змінюють тільки нахил хвилевого фронту.

У гідравлічному приводі тиск рідини регулюється за допомогою п'єзоелектричного золотника (мал. 2). При цьому тиск рідини діє на циліндрову пружину, пов'язану з поршневим штовхачем. Для гідравлічного приводу, таким чином, потрібна реалізація подвійного джерела енергії — гідравлічного і електричного. Основні втрати енергії в приводі обумовлені турбулентністю рідини і самоохолоджнем.

Принципово конструкція магнітострикційного приводу є стрижнем з магнітострикційного фериту, поміщеного в котушці соленоїда. Привід забезпечує високу амплітуду переміщень (10...50мкм).

Найбільшого поширення в адаптивній оптиці набув п'єзоелектричний привід. Є безліч варіантів побудови дзеркал з п'єзоелектричним приводом. П'єзоелектричні дзеркала умовно можна розділити на чотири групи: виконані у вигляді п'єзокерамичніх блоків; з біморфними п'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 нижній гранях, з'єднаними електрично паралельно.

1. Секціоновані дзеркала

Секціоновані адаптивні дзеркала з поступальним переміщенням секцій дозволяють змінювати тільки тимчасові фазові співвідношення між сигналами від окремих секцій (довжину оптичного шляху) (мал. 5), а дзеркала з переміщенням і нахилом секцій — також і просторову фазу. За допомогою другого типа дзеркал можна точніше здійснювати управління хвилевим фронтом і досягти бажаного ефекту при меншому числі секцій. Проте для забезпечення нахилів по двох осях число приводів дзеркала збільшують.

Необхідність розробки секціонованих дзеркал виникла в астрономічному приладобудуванні у зв'язку з тим, що діаметр наземних телескопів досяг деякої критичної величини (.. 6м), перевищення якої веде до великих технологічних складнощів, як у виготовленні, так і в експлуатації.

Крім того, слід враховувати, що вартість телескопа потенційно зростає з діаметром (вартість телескопа метром 5 м складає більше 20 млн. дол.), тоді як застосування складеного телескопа дозволяє зменшити вартість приблизно втричі.

Ідея секціонованого дзеркала дозволяє створити телескоп великого ефективного діаметру (>10 м) як наземного, та космічного базування. У інших областях техніки, таких як оптичний зв'язок і дальнометрия, секціоновані дзеркала історично з'явилися першим кроком до створення адаптивних дзеркал.

Якщо порівняти суцільну кільцеву апертуру телескопа з кільцевою апертурою, синтезованою з шести встановлених впритул круглих секцій, то для останнього випадку якість зображення (різкість) погіршується на 25%.

Величина зазора між елементами складеного дзеркала робить вплив на якість формування оптичного променя або зображення секціонованого дзеркала. Для дзеркала діаметром 7 м, що складається з 37 секцій шестикутної форми, розрахункова величина зазора складає 7,5 мм.

Істотними недоліками секціонованих дзеркал є необхідність контролю положення окремої секції і стану її поверхні, а також складність реалізації системи термостабілізації подібних дзеркал.

Секціоновані дзеркала застосовувалися в перших експериментах по адаптивній фазовій компенсації спотворень (у перших системах КОАТ), а також для поліпшення стану дозволу телескопа при спостереженні зірок через турбулентну атмосферу. У останньому випадку дзеркало складається з шести алюмінійованих скляних дзеркал з габаритними розмірами 1,25X 1,9x0,5 см, встановлених в лінійку неповним 0,15 см на п'єзоелектричні порожнисті циліндри. Електроди нанесені на обидві сторони стінок циліндра. Під дією напруги ± 1000 В циліндри поступально переміщають кожне дзеркало на ±2,5 мкм, 18 юстіровочних гвинтів дозволяють зробити плоскість всіх дзеркал паралельними.

2. Суцільні дзеркала, що деформуються

секціонований дзеркало п'єзоелектричний оптичний

Дзеркала, що складаються з пластини, що відображає, що деформується, і дискретних приводів, що діють по нормалі до поверхні і розміщених між цією пластиною і опорою. Така побудова дозволяє легко здійснювати охолоджування і контроль поверхні в процесі роботи. Приводи цих дзеркал бувають жорсткі, регулюючі положення поверхні, і що пружні діють на поверхню через пружину.

Амплітуда переміщення поверхні для суцільних дзеркал визначається не тільки динамічним діапазоном приводу, але і, очевидно, пружними властивостями відображають пластини, її товщиною, відстанню між точками кріплення приводів, діаметром плями зіткнення штовхача з тильною поверхнею пластини.

На малюнку 7 представлена конструкція дзеркала із застосуванням гвинтових приводів, підключених до електродвигуна, в якому досягаються найбільш значні переміщення поверхні. Дзеркало створене для роботи в системі апертурного зондування і призначено для корекції температурних спотворень і неточностей, допущених при виготовленні і монтажі оптичних систем ІЧ-діапазону.

Дзеркало має діаметр 40 см, радіус кривизни 10 м складається з алюмінієвої пластини, що відображає, завтовшки 6 мм, приводиться в рух за допомогою 19 гвинтів, що обертаються від 10 крокових електродвигунів.

Для компенсації високочастотних фазових збурень, обумовлених, наприклад, турбулентністю середовища, такі вузькосмугові дзеркала непридатні. Тут, як правило, застосовуються дзеркала з п'єзоелектричним приводом.

Перспективним для використання в адаптивних дзеркалах з П'єзоприводами є цифровою п'єзопривод, що створює дискретне переміщення. Цифровий п'єзопривод спрощує електронну схему управління, з іншою сполучається з цифровою апаратурою. У цифровому п'єзоприводе зменшується явище гістерезису, оскільки кожен елемент має тільки два стани залежно від вхідного сигналу. Використання цифрового п'єзоприводе дозволяє понизити споживання енергії приводом кожного каналу і системи в цілому.

Досягнення необхідної точності управління здійснюєте збільшенням розрядності цифрового п'єзопривода і (або) додаванням елементів з меншою чутливістю, а також використанням гібридного (цифро-аналогового) режиму роботи.

Особливий клас п'єзоприводов представляє привід типу «гусениця», заснований на створенні хвилі стиснення, що біжить, в підлоги концентричних п'єзоелектричних циліндрах, на які послідовно подаються електричні сигнали, що дозволяй збільшити лінійне переміщення приводу.

Пьезопріводи трубчастій конструкції мають електроди на зовнішній і внутрішній стінках п'єзоелементів. Ця структура володіє добрими механічними якостями. Трубчасті п'єзоприводи можуть бути виконані як у вигляді одиночних прямих трубок, так і у вигляді декількох, встановлених поряд або коаксіальних трубок, у яких нижня підстава сполучена з верхньою підставою сусідньої трубки з метою досягнення більшого ефекту при збереженні невеликої (1...2 см) висоти приводу. Трубчасті п'єзоприводи використовуються в адаптивній оптиці, як правило, у видимому і лежачому близько до видимого ИК-диапазоне.

До адаптивних дзеркал з біморфними п'єзоелементами можна віднести конструкцію з дискретним приводом і її модифікацію — суцільний біморфний блок.

Простий біморфний п'єзоелемент складається з жорстко скріпляючих між собою двох шарів п'єзокерамики з протилежним напрямом поляризації. Подача електричної напруги на такий елемент викличе розширення одного шару і стиснення іншого, тобто вигин двошарового елементу. Дискретний привід має високу чутливість (~8-10~3 мкм/В), яка зростає із збільшенням довжини біморфного п'єзоелемента.

Суцільний біморфний блок має характерну чутливість близько 1,5- мкм/В. Це значення може зрости приблизно втричі, якщо використовувати повний прогин всього дзеркала, подаючи на кожен електрод відповідну напругу.

У дзеркалах з вигинаючим моментом, не вимагається наявності опори (Мал. 10). Вигин дзеркала обумовлений наявністю дії, пластині, що паралельно відображає. Цей метод деформації дозволяє регулювати форму поверхні дзеркала без створення зовнішнього зусилля з боку опорної плити.

Дзеркало діаметром 180 мм 2 виготовлене з молібденової пластини, що деформується, завтовшки 9,5 мм, яка є пакетом з трьох пластин. Перша — пластина, що відображає, — має водяне охолоджування. Друга і третя пластини служать відповідно для ущільнення і об'єднання всієї конструкції.

Дзеркало коректує дефокусіровку (кривизну поля) з амплітудою і астигматизм. Ширина смуги пропускання частот системи управління складає 100 Гц. Частотна характеристика дзеркала вільна від резонансів на смузі менше 750 Гц. Дзеркало при корекції вказаної аберації не поступається по ефективності дзеркалу з 19 приводами, що діють нормально до поверхні. Деформація поверхні відповідає коректованій аберації.

Монолітне п'єзоелектричне дзеркало виконане з єдиної п'єзокерамичного блоку з наклеєною на верхню підставу пластиною, що відображає (мал. 12). Це дзеркало було розроблено для корекції атмосферної турбулентності в оптичному телескопі. Дзеркало є циліндр висотою 1,5 і діаметром 12 см з 21 електродом, що управляє. Загальний електрод розташований на нижній підставі, а електроди, що управляють, на які подається напруга, що управляє, підведені під пластину, що відображає.

Чутливість монолітного дзеркала значно менше ніж у розглянутих дзеркал, і рівна (0,1..0,45) мкм/В, що вимагає високих значень напруги, що управляє (1...2 кВ)

Даний тип дзеркала володіє добрими частотними властивостями. Резонансні частоти дзеркала розташовані вищим 25 кГц, що дозволяє використовувати їх в широкосмугових адаптивних системах, зокрема як модулююче дзеркало. Фізично це пояснюється тим, що резонує не дзеркальна пластина, а все дзеркало в цілому, що має порівняно велику товщину.

Разом з добрими механічними властивостями ці дзеркала володіють високою точністю, великою широкосмуговою і успішно застосовуються для корекції атмосферної турбулентності. Розмір апертури може бути 200 мм, смуга частот пропускання — 100 кГц. Проте практична межа чутливості мкм/В обмежує застосовність цього дзеркала для широко використовуваного ИК-диапазона. Тому монолітні дзеркала призначені в основному для систем бачення і усунення фазових обурень усередині оптичних резонаторів.

Принцип дії мембранних адаптивних дзеркал заснований на електростатичній взаємодії плівки, що натягнутої відображає, з електродами, розташованими на деякій відстані від поверхні.

Мембрана товщиною 0,..1,5 мкм поміщається між прозорим електродом і групою приводів. До електроду прикладено напругу зсуву. Приводи будують з набору провідних прокладок, до яких прикладено напругу. Відстань між мембраною і електродами складає 50...100 мкм. Якщо електрична напруга відсутня, то мембрана не відчуває жодних переміщень і зберігає свою плоску форму. Мембрана відхилиться, якщо до якого-небудь електроду буде прикладена напруга, при цьому центр деформації розташовуватиметься над електродом. Діаметр мембраного дзеркала 100 мм, його внутрішня порожнина відкачана до тиску близько 2мм рт. ст., що зв'язано демпфуючими властивостями повітря, обумовленими його в'язкістю.

Електростатично кероване плівкове дзеркало, що деформується, складається з натягнутої мембрани мікронної товщини, поміщеної між прозорим електродом, що знаходиться під напругою зміщення, і матрицею електрично ізольованих один від одного контактних майданчиків (електродів), що знаходяться під напругою. Коли на мембрану дії немає, вона не деформується. У разі відмінного куля напруги, що управляє, на якому-небудь електроді відбувається відхилення мембрани приблизно на половину довжини хвилі випромінювання. Із збільшенням числа електрично навантажених електродів відхилення мембрани зростає і досягає декількох довжин хвиль. Звичайно тиск повітря у внутрішній порожнині пристрою регулюється з таким розрахунком, щоб добитися оптимального співвідношення між електрочутливістю і власними резонансними властивостями дзеркала. Повітряним або електричним демпфуванням вдається збільшити власну частоту дзеркала і тим самим розширити робочу смугу цього адаптивного оптичного елементу 10 кГц.

Робоча смуга дзеркала значною мірою визначається физико-механічними властивостями матеріалу плівки: тягучою і межею міцності; малою щільністю і оптико-механічною однорідністю.

Матеріалами для плівки можуть служити титан і його сплави з нікелем, берилієм, молібденом і т.д. Плівки виготовляються напиленням на підкладку у вакуумній камері, після чого вона натягається на жорстку рамку і прикріпляється до неї. Потім ця рамка поміщається над електродною матрицею, наприклад виготовленою у вигляді друкарської платні. Необхідні профілі дзеркальної поверхні виходять унаслідок відповідних підборів комбінацій керівників напрузі на різних елементах електродної матриці.

Мала маса мембрани зводить гістерезисні явища в дзеркалі до мінімуму. В процесі управління потрібні порівняно низькі напруги. Дзеркало нескладно у виготовленні, економічно, надійно, міцно і несприйнятливо в дії атмосферних факторів.

Адаптивні оптичні елементи, що використовують для модуляції фази електрооптичний ефект (електрооптичні адаптивні фазові коректори), найвдаліше поєднують в собі висока швидкодія і добрий просторовий дозвіл.

Суть електрооптичного ефекту полягає в здатності ряду матеріалів під дією зовнішнього електричного поля змінювати свій оптичний показник заломлення і за рахунок цього проводити фазове зрушення в світловій хвилі, що проходить через цей матеріал. Як такі матеріали використовуються 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 з нанесеними на них прозорими металевими електродами.

У пристрої для проведення фазової модуляція використовується один з різновидів електрооптичних ефектів — лінійний електрооптичний ефект (ефект Поккельса). Він характеризується лінійною залежністю зміни показника заломлення кристала від величини прикладеної напруги, а отже, і лінійною залежністю того, що вводиться в поляризаційну компоненту модульованої хвилі Ех фазового зсуву. Подібна зміна характерний тільки для кристалів, що не мають центру симетрії в гратах.

Пристрій функціонує таким чином. На електроди – (4) подається постійна напруга. Потім кристал – (5) опромінюють «записуючим» випромінюванням – (3), яке відповідає спектральній області чутливості кристала і має просторовий розподіл інтенсивності, відповідний необхідному закону модуляції фази модульованої хвилі, яка посилається через кристал з деякою затримкою.

Виникаючі внаслідок напівпровідникових властивостей кристала носії заряду під дією зовнішнього електричного поля дрейфують до меж кристала з діелектриком, де і захоплюються. Створюваний таким чином просторовий заряд частково нейтралізує заряд на електродах і тим самим робить електричне поле в кристалі неоднорідним, відповідним профілю інтенсивності «записуючої» хвилі. Це поле викликає зміни показника заломлення кристалічного середовища і подальше за цим зміна фази в «модульованій» хвилі, що пропускається через кристал.

Заміна одного фазового профілю на іншій починається з руйнування раніше створеного зарядового рельєфу на обкладаннях. Для цього кристал засвічується однорідним випромінюванням при закорочених електродах. Знов освічені носії заряду дрейфують в неоднорідному полі просторового заряду і компенсують його.

На практиці фазомодулируючим середовищем використовують кристали силікату або германату вісмуту, що володіють власною фотопровідністю, високим темновим опором і значним електрооптичним ефектом. Для зменшення паразитного розсіяння поверхню монокристала полірують і тільки тоді наносять на його грані шари діелектрика і металу. Пристрій працює на просвіт, при кімнатній температурі і характерних для подовжнього електрооптичного ефекту кіловольтових значеннях півхвильової напруги.

Кількість циклів «запис — стирання» практично не обмежене.