АДАПТИВНОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 1997 года по МПК G02B5/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в резонаторах технологических лазеров, системах транспортировки и фокусировки излучения. Изобретение может быть использовано также в различных формирующих оптических системах, где требуется компенсация наведенных и собственных аберраций (фокусирующие объективы, телескопы и т.д.). Очень часто такие аберрации возникают при термодеформации оптических элементов: зеркал, линз, выходных окон лазерных устройств.

При отражении лазерного излучения зеркалом небольшая часть падающей на него мощности поглощается отражающей поверхностью. Это приводит к неравномерному по толщине нагреву зеркала и его термодеформации, в результате чего искривляется его отражающая поверхность. Известно, что в подавляющем большинстве случаев плотность мощности излучения лазеров по радиусу не имеет равномерного распределения. В основном встречается Гауссовское распределение (фиг. 1, а), кольцевое распределение (б), распределение по функции Бесселя (в) и т.д. В соответствии с распределением поглощенной плотности мощности по сечению пучка, изменяется тепловая деформация поверхности отражающего элемента. В случае равномерного распределения поглощенной плотности мощности по радиусу и равномерного охлаждения задней поверхности зеркала имеет место квадратичная зависимость деформации отражающей поверхности (9) [1] При использовании вогнутого зеркала это ведет к уменьшению его кривизны и, следовательно, к увеличению фокусного расстояния. При определенном уровне плотности мощности вогнутое зеркало может выпрямиться практически до плоского. В случаях плоского и выпуклого зеркал это ведет к увеличению стрелки прогиба, т.е. фокусное расстояние уменьшается, и лазерное излучение после прохождения отражающего элемента будет равномерно расширяться, что при необходимости легко может быть устранено последующими оптическими элементами системы транспортировки излучения.

Отклонение от квадратичной по радиусу зависимости от деформации отражающей поверхности при Гауссовском, кольцевом и т.д. распределениях плотности мощности падающего излучения ведет к тому, что отраженное излучение имеет искаженный аберрациями высших порядков волновой фронт и, как следствие при дальнейшем распространении излучения к неравномерному распределению плотности по сечению и к резкому ухудшению качества излучения. Например, при фокусировке такого излучения существенно увеличивается размер пятна, что ведет к ограниченным возможностям его применения.

Для того, чтобы компенсировать искажения волнового фронта применяют адаптивные элементы, прежде всего адаптивные зеркала.

Известны адаптивные зеркала с дискретными приводами, действующими по нормали или параллельно отражающей поверхности, которые выбрали за аналог [2] Усилия, развиваемые расположенными на задней стенке приводами, создают изгибающие моменты, приводящие к изменению формы отражающей поверхности. По аналогичному принципу изменяется форма бимофорных пьезокерамических зеркал. В них усилия, приводящие к изменению формы отражающей поверхности, возникают при изгибе бимоформной пластины (или нескольких пластин), расположенной на задней стороне зеркала. В таких зеркалах форма отражающей поверхности может изменяться по достаточно сложным законам, что позволяет, например, частично компенсировать искажения волнового фронта излучения.

К недостаткам этих зеркал можно отнести следующие недостатки:
1. Необходимость использования приводов. Это ведет к громоздкости конструкции зеркала, низкой эксплуатационной надежности, а также к сложности управления.

2. Формирование необходимой поверхности отражающего элемента проходит достаточно грубо, т. к. количество приводов на задней стенке зеркала или пьезокерамических пластин ограничено. В работе [2] приведены описания конструкций зеркал с дискретными приводами, действующими по нормали к отражающей поверхности, имеющем в своем составе 4 привода один в центре, три по периферии, зеркала с дискретными приводами, действующими параллельно отражающей поверхности с 12 приводами, пьезокерамических зеркал с 9 и 13 электродами. Увеличение количества приводов и, следовательно, повышение чувствительности поверхности зеркала на управляющий сигнал, формируемый на основе анализа падающего излучения, имеет свой предел, т.к. силовой привод, имеющий в своем составе собственно привод, исполнительный механизм, узлы крепления его с задней стенкой отражающей поверхности, имеет достаточно большие габариты и не может быть существенно уменьшен. Кроме того, каждый привод может работать в одном направлении (реверсивном) и имеет жесткое крепление с изгибаемым объектом, что также позволяет создавать только грубые аналоги необходимой формы поверхности зеркала. В случае пьезокерамических бимоформных зеркал, как следует из [3] функции отклика бимоформных зеркал принципиально нелокальны, поскольку для увеличения их локализации необходимо уменьшение размеров электродов, а это ведет к резкому росту управляющего напряжения и падению чувствительности.

3. Изготовление зеркала с большим количеством пьезокерамических пластин или приводов трудоемко и ведет к большой его стоимости.

Известно устройство зеркало, которое выбрали за прототип /3/, в котором компенсация термодеформаций высших порядков происходит за счет внесения дополнительной поглощенной мощности на тыльной стороне зеркала. Для этого зеркало сделано частично пропускающим на передней рабочей поверхности и поглощающим на задней поверхности. При этом зеркало-прототип охлаждается по боковой поверхности, причем само оно сделано из материала, прозрачного на длине волны падающего излучения.

Устройство-прототип работает следующим образом. Небольшая часть, падающей на зеркало мощности, проходит через отражающую поверхность и поглощается на тыльной стороне зеркала. Подбирая величину и распределение коэффициента поглощения на тыльной поверхности зеркала и коэффициента пропускания на передней поверхности, можно уменьшить искривление передней отражающей поверхности зеркала.

Однако устройство-прототип имеет ряд существенных недостатков.

1. Зеркало-прототип должно быть существенно прозрачным на длине волны падающего излучения, что в случае мощного лазерного излучения реализовать трудно. Наиболее употребительными материалами для отражающих зеркал являются медь, молибден, кремний, которые обладают высокой теплопроводностью и малым коэффициентом теплового расширения, но непрозрачным для лазерного излучения.

2. Поглощенная на задней поверхности часть падающей на зеркало мощности должна быть достаточно малой, чтобы заметно не уменьшить мощность падающего излучения, вследствие чего и компенсирующий эффект такого зеркала весьма мал.

3. Невозможность компенсации аберраций падающего луча, изменяющегося со временем.

Задачами изобретения являются:
1. увеличение диапазона компенсации аберраций по амплитуде;
2. компенсация изменяющихся во времени аберраций;
3. увеличение надежности адаптивного зеркала за счет изготовления его из непрозрачных, но высокопрочных материалов с высокой теплопроводностью и с малым коэффициентом термодеформации.

Предлагаемое зеркало, содержащее отражающий элемент, с тыльной стороны которого расположен охладитель, имеет на отражающей поверхности нанесенное покрытие с высокой поглощающей способностью на длине волны управляющего излучения и прозрачное на длине волны основного мощного излучения.

Управляющее излучение в отличие от основного мощного излучения, параметрами которого (волновой фронт, распределение плотности мощности по сечению и т. д.) управлять трудно, имеет значительно меньшую плотность мощности излучения (например диапроектор с лампой накаливания, маломощный лазер) и легко может формировать управляющий сигнал через маску транспарант, сканирование по отражающей поверхности по определенной программе и т.д.

Наличие покрытия с описанными свойствами позволяет создавать управляющим излучением термонагрузку и соответственно деформации поверхности отражающего элемента зеркала, сравнимые с деформациями от основного мощного излучения:
ρ_у~ ρ_м (1)
ρ_у= P_у•k_пп (2)
ρ_м= P_м•k_оз (3)
где
ρ_у тепловая нагрузка от управляющего излучения;
ρ_м тепловая нагрузка от основного мощного излучения;
P_y мощность управляющего излучения;
P_m мощность основного мощного излучения;
k_пп коэффициент поглощения покрытия;
k_оэ коэффициент поглощения поверхности отражающего элемента.

Зеркало выглядит следующим образом (фиг. 2 и 3). На отражающем элементе 1 с тыльной стороны закреплен охладитель 2. На поверхность отражающего элемента нанесено покрытие 3 с высокой поглощающей способностью управляющего излучения 4 и прозрачное для основного мощного излучения 5. Управляющее излучение генерирует и сканирует источник 6, основное излучение генерирует источник 7. Управляющее излучение может проходить через маску транспарант 8. Для оценки параметров основного мощного излучения может быть использован анализатор с ответвителем 9.

Зеркало работает следующим образом.

1. Для компенсации искажения волнового фронта падающего излучения (фиг. 4, а, б, на примере лазерного излучения с Гауссовским распределением плотности мощности).

Мощное основное излучение 5 подается из источника 7 на поверхность отражающего элемента 1. Охлаждение зеркала осуществляется охладителем 2. Так как плотность мощности падающего излучения неравномерна по сечению, то отражающая поверхность прогнется зона δ на фиг. 4,б. Для компенсации термоискажений поверхности зеркала из источника 6 подается управляющее излучение 4, которое поглощается покрытием 3. Распределение плотности мощности управляющего излучения по сечению таково, что суммарное термическое воздействие на поверхность окружающего элемента мощного и управляющего излучения выравнивается (фиг. 4а) по поверхности зеркала и суммарные деформации a приобретают форму выпуклого параболоида вращения, близкую к сферической (фиг. 4б). Необходимое распределение плотности мощности управляющего излучения может осуществляться сканированием по определенному закону или пропусканием управляющего излучения с равномерным распределением плотности мощности через маску транспарант 8 с переменным коэффициентом поглощения, или путем создания покрытия 3 с переменным по сечению луча коэффициента поглощения управляющего излучения.

Отраженное от такого зеркала излучение является расходящимся потоком с радиусом кривизны волнового фронта, равным радиусу отражающей поверхности с радиусом кривизны R = R_Σ где
R_Σ= πr αP_погл,
где
r радиус зеркала;
P_погл суммарная поглощенная мощность;
k коэффициент теплопроводности материала зеркала;
α коэффициент термического расширения материала зеркала.

Если изначально выполнить данное зеркало вогнутым с радиусом кривизны, равным R = -R_Σ, то отраженный от него поток излучения будет неискаженным.

2. Для задач формирования необходимой поверхности отражающего элемента.

Известно, что использование асферической оптики в технологии лазерной обработки позволяет избежать некоторых видов аберраций (в частности продольной и поперечной сферической аберрации). и тем самым фокусировать излучение в очень маленькое пятно и существенно повысить плотность мощности излучения. Это в значительной мере позволяет расширить возможности лазерного луча как инструмента. Однако технологически изготовление такого зеркала очень трудоемко, и, как следствие оно имеет высокую стоимость.

Кроме того, если падающее излучение имеет неравномерную по сечению плотность мощности, асферическая форма поверхности отражающего зеркала изменяется и эффект использования асферической оптики снижается.

В предложенном адаптивном зеркале управляющее излучение формирует деформации поверхности, которые, складываясь с деформациями от основного мощного излучения, образуют необходимую асферическую форму.

3. При использовании адаптивного зеркала с описанным покрытием в резонаторе лазера возможно формирование структуры луча, не только отраженного, но и проходящего через зеркало. Это позволяет на выходе из лазера создавать излучение с заданными характеристиками.

4. При работе предлагаемого адаптивного зеркала в лазерной локации, телескопах существенные помехи в принимаемый сигнал вносят перемещения воздушных потоков в атмосфере, носящие случайный характер. Анализ отраженного излучения анализатором с ответвителем 9 и формирование на основе поданного им управляющего сигнала в реальном масштабе времени позволяет создавать необходимые деформации с тем, чтобы компенсировать влияние воздушных потоков.

Литература.

1. Точное решение пространственной задачи термоупругости для конечного цилиндра. В.И. Субботин, В.С. Колесов, Ю.А.Кузьмин, В.В. Харитонов // Доклады Академии наук СССР, 1988, т. 301, N 6.

2. Модальные корректоры волнового фронта П.В.Николаев, А.В.Смирнов, "Оптико-механическая промышленность", 1987, N 11.

3. Us patent N 4287421 1 sept 1981. Debaryshe et al. Compensation of thermal expansion in mirroors hiqh power radiation beans.

Использование: в резонаторах технологических лазеров, в лазерной локации, телескопах и т.п. Сущность изобретения: в адаптивном зеркале, включающем отражающий на длине волны основного излучения элемент и слой с высокой поглощающей способностью, введен источник управляющего излучения, выполненный с возможностью изменения мощности излучения и ее распределения по рабочей поверхности зеркала, а слой с высокой поглощающей способностью нанесен на рабочую поверхность отражающего элемента и выполнен прозрачным на длине волны основного излучения и поглощающим на длине волны управляющего излучения. При этом слой с высокой поглощающей способностью может иметь изменяющийся по апертуре зеркала коэффициент поглощения, а управляющее излучение может подаваться сканированием или через маску-транспарант. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Адаптивное зеркало, включающее отражающий на длине волны основного излучения элемент и слой с высокой поглощающей способностью, отличающееся тем, что введен источник управляющего излучения, выполненный с возможностью изменения мощности излучения и ее распределения по рабочей поверхности зеркала, а слой с высокой поглощающей способностью нанесен на рабочую поверхность отражающего элемента и выполнен прозрачным на длине волны основного излучения и поглощающим на длине волны управляющего излучения. 2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что зеркало выполнено охлаждаемым. 3. Зеркало по п.1 или 2, отличающееся тем, что охлаждение зеркала происходит путем контакта охладителя с задней поверхностью зеркала. 4. Зеркало по любому из пп.1 3, отличающееся тем, что слой с высокой поглощающей способностью имеет изменяющийся по апертуре зеркала коэффициент поглощения. 5. Зеркало по любому из пп.1 4, отличающееся тем, что введена маска-транспарант, через которую на зеркало подается управляющее излучение. 6. Зеркало по любому из пп.1 3, отличающееся тем, что введено средство сканирования управляющим излучением.