ЗЕРКАЛО ОПТИЧЕСКОЕ Российский патент 1998 года по МПК G02B5/10 

Изобретение относится к оптическому машиностроению, в частности к активной оптике. Характеристиками активной оптики управляют в процессе работы с целью видоизменения волнового фронта. Изобретение может быть использовано для коррекции волнового фронта инфракрасного и лазерного излучений.

Одной из проблем, стоящих на пути создания мощных лазеров является проблема искажения волнового фронта, вызываемая отклонением геометрической формы зеркала от теоретической. Высокая степень искажений волнового фронта приводит к повышенной расходимости излучения и трудности фокусировки.

Известны системы активной оптики (У. Харди. Активная оптика. Новая техника управления световым пучком. ТИИЭР, т. 66, N 6, 1978), которые как правило содержат деформируемые зеркала. Основные типы зеркал активной оптики: сплошные зеркала из гибких пластин и монолитные зеркала.

В настоящее время известно зеркало оптическое, содержащее опорную конструкцию, на которой установлена металлическая гибкая пластина, с наружной стороны пластины выполнена отражающая поверхность, а с тыльной стороны равномерно по площади размещены исполнительные механизмы (см. стр. 58, рис. 21, ТИИЭР, т. 66, N 6, 1978).

Из исполнительных механизмов известны электромеханические (винты, управляемые от электродвигателей) и пьезоэлектрические устройства.

Система управления обнаруживает отклонение геометрической формы зеркала от теоретической и вырабатывает в соответствии с величиной отклонения управляющие сигналы, которые подаются к исполнительным механизмам, расположенным в местах возникновения отклонений формы. В результате деформации гибкой пластины происходит исправление геометрической формы зеркала, что обеспечивает коррекцию волнового фронта. Точность коррекции волнового фронта определяется расстоянием между исполнительными механизмами. Чем меньше расстояния, тем выше точность волнового фронта.

Недостатком аналога является низкая точность коррекции волнового фронта. Это объясняется тем, что коррекция волнового фронта зависит от расстояния между исполнительными механизмами, а это ограничивается их минимальными габаритными размерами, обеспечивающими получение требуемого усилия деформации.

Известно монолитное активное зеркало (см. стр. 68, рис. 38, ТИИЭР, т.66, N 6, 1978), где в качестве основания зеркала использована монолитная пластина из пьезоэлектрической керамики и которая установлена на опорную конструкцию. На верхнюю поверхность пьезоэлектрической пластины наклеена тонкая стеклянная отражающая пластина и на эту же поверхность нанесена матрица электродов, связанная с системой управления.

При подаче напряжений на электроды от системы управления в поверхностном слое монолитной пьезоэлектрической пластины возникает деформация, которая передается на тонкую стеклянную пластину. Таким образом путем деформирования стеклянной пластины обеспечивается коррекция волнового фронта.

Недостатком также является низкая точность коррекции волнового фронта, которая объясняется тем, что пьезоэлектрическая деформация монолитной пластины передается не полностью на поверхность тонкой стеклянной пластины из-за наличия промежуточного клеевого слоя и это приводит к снижению точности коррекции волнового фронта.

Ближайшим аналогом по технической сущности является оптическое зеркало (патент США N 4239343, кл. G 02 B 5/10, 1980), содержащее опорную конструкцию, на которой установлена гибкая пластина, с наружной стороны пластины выполнена отражающая поверхность, а с внутренней стороны пластины равномерно по площади распределены исполнительные механизмы, связанные с системой управления. В качестве исполнительных механизмов используются сферические пьезотолкатели.

Особенностью работы зеркала является то, что контактное воздействие от сферических толкателей по сигналу от системы управления создает на поверхности гибкой пластины локальные деформации. Эти деформации корректируют отклонение от теоретической формы поверхности зеркала, но при этом отражающая поверхность гибкой пластины копирует геометрическую форму сферических толкателей. В этом случае общая деформация пластины исправляется, но образуются местные пикообразные выступы, что снижает точность коррекции волнового фронта.

Задачей изобретения является повышение точности коррекции волнового фронта за счет ликвидации на поверхности гибкой пластины пикообразных выступов, что в свою очередь исключает местные рассеивания в волновом фронте.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое зеркало содержит гибкую пластину, выполненную из термочувствительного сплава, обладающего памятью формы, опорную конструкцию с ячейками, открытыми в сторону гибкой пластины и в которых размещены исполнительные механизмы в виде электрических спиралей или графитовых стержней с выходами для подключения к системе управления.

Новый технический результат достигается в создании плавных деформаций оптической поверхности гибкой пластины, что позволяет увеличить точность коррекции волнового фронта. Это достигается в процессе изготовления оптического зеркала при помощи "обучения" термочувствительной гибкой пластины с памятью формы методом периодических осадок и восстановления формы нагреванием. В результате получается пластина, которая при повышении температуры увеличивает свою толщину, а при понижении температуры уменьшает свою толщину. В предложенном устройстве тепловое воздействие на гибкую пластину производится локально и поэтому получается локальное деформирование за счет плавного изменения толщины гибкой пластины. В этом случае не возникают местные пикообразные выступы.

Для этого оптическое зеркало представляет собой термочувствительную гибкую пластину из материала с памятью формы, например из никелида титана, с наружной стороны отполированная и алюминированная поверхность которой служит отражающей поверхностью, а с тыльной стороны в ячейках опорной конструкции равномерно по площади расположены нагревательные элементы, выполняющие функцию исполнительных механизмов. Нагревательные элементы выполнены в виде электрических спиралей или графитовых стержней с выходами для подключения к системе управления.

В другом варианте предлагаемого зеркала поставленная задача достигается тем, что термочувствительная гибкая пластина через слой из эластичного материала скрепляется с основанием из композиционного материала. В основании выполнены каналы и в них установлены исполнительные механизмы в виде графитовых стержней.

В этом варианте новый техническийре зультат также достигается в создании локальных деформаций оптической поверхности гибкой пластины за счет теплового воздействия, что приводит к плавному изменению толщины гибкой пластины и при этом не возникают пикообразные выступы.

Для этого гибкая пластина скреплена с основанием из композиционного материала с полимерной матрицей, например, из стекло- или органопластика. Между пластиной и основанием расположен слой из эластичного материала, например, термостойкой резины, а в основании выполнены каналы, в которых установлены графитовые стержни исполнительных механизмов с выходами для подключения к системе управления. Гибкая пластина в первом и втором вариантах при помощи трех узлов крепления установлена на опорной конструкции.

Геометрическая точность отражающей поверхности гибкой пластины зеркала, то есть коррекция волнового фронта, обеспечивается за счет создания температурных деформаций гибкой пластины, которые локализованы в окрестности нагревательного элемента, на который подается сигнал от системы управления в соответствие с величиной искажения волнового фронта.

Технический результат предлагаемого зеркала заключается в том, что изобретение обеспечивает повышение точности коррекции волнового фронта за счет исключения пикообразных выступов и при этом не возникают местные рассеивания в волновом фронте.

Для чего в опорной конструкции выполнены ячейки и в них размещены исполнительные механизмы, которые выполнены в виде электрических спиралей и открытые в сторону гибкой пластины или исполнительные механизмы выполнены в виде графитовых стержней, которые соприкасаются с тыльной стороной гибкой пластины. В другом варианте гибкая пластина скреплена с основанием из композиционного материала. В основании имеются каналы, в которых размещены исполнительные механизмы в виде графитовых стержней. Между основанием и гибкой пластиной размещен слой из эластичного материала.

Изобретение является новым, так как оно не известно из уровня техники.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого зеркала в разрез; на фиг. 2 в плане с гибкой пластиной, которая установлена на опорной конструкции, вид А на фиг. 1; на фиг. 3 фрагмент исполнительного механизма, выполненного в виде электрических спиралей, узел 1 на фиг. 1; на фиг. 4 фрагмент исполнительного механизма, выполненного в виде графитовых стержней, узел 1 на фиг. 1; на фиг. 5 показан общий вид зеркала оптического в разрезе, с основанием из композиционного материала; на фиг. 6 в плане с гибкой пластиной, которая скреплена с основанием из композиционного материала и установлена на опорной конструкции, вид В на фиг. 5; на фиг. 7 представлена схема системы управления коррекцией волнового фронта зеркала.

Предлагаемое зеркало может быть реализовано в двух вариантах.

По первому варианту (фиг. 1, 2, 3, 4) предлагаемое оптическое зеркало содержит опорную конструкцию 1, например, изготовленную из композиционных материалов, на которой при помощи трех узлов крепления 2 установлена термочувствительная гибкая пластина 3. В опорной конструкции 1 выполнены ячейки 4 (фиг. 1 и 2), в которых установлены исполнительные механизмы в виде электрических спиралей 5 (фиг. 3).

Корректировка волнового фронта оптического зеркала происходит следующим образом: управляющее напряжение 6 подается на электрические спирали 5 (фиг. 3), от теплового воздействия термочувствительная пластина 3 локально деформируется.

В варианте корректировки волнового фронта, представленном на фиг. 4, вместо электрических спиралей имеется матрица графитовых стержней 7, соприкасающихся с тыльной стороной термочувствительной пластины 3 при помощи пружин 8. К каждому графитовому стержню 7 подведено управляющее напряжение 6 относительно общего электрода 9, расположенного на тыльной поверхности термочувствительной пластины 3. Корректирование волнового фронта происходит за счет контактного разогрева в зоне соприкосновения графитового стержня 7 и термочувствительной пластины 3. Таким образом создаются управляющие местные деформации, которые исправляют волновой фронт.

Во втором варианте конструкция предлагаемого оптического зеркала, представленная на фиг. 5 и 6, состоит из гибкой термочувствительной пластины 3, скрепленной с основанием 10, изготовленным из композиционного материала с полимерной матрицей, через слой из эластичного материала 11. В основании 10 размещены графитовые стержни 7, которые соприкасаются с тыльной стороной гибкой пластины 3. К каждому графитовому стержню 7 подведено управляющее напряжение 6 относительно общего электрода 9, расположенного на тыльной стороне пластины 3. Для корректировки волнового фронта управляемые локальные деформации создаются за счет контактного разогрева в зоне соприкосновения графитовых стержней 7 с гибкой пластиной 3. Основание 10 с гибкой пластиной 3 при помощи трех узлов крепления 2 установлено на опорной конструкции 1.

Следует отметить, что во втором варианте толщина гибкой пластины 3 выполняется в 5 10 раз меньше по сравнению с первым вариантом.

Управление коррекцией волнового фронта зеркала оптического происходит следующим образом.

Для анализа волнового фронта, например, используется сдвиговый интерферометр с малой величиной сдвига. Особенностью интерферометров данного типа является выдача выходного сигнала, соответствующего первой производной от искажений волнового фронта, что приводит к необходимости введения в систему интегратора. Сдвиговый интерферометр представляет плоскопараллельную пластину 12, установленную под углом 45^o к оси лазерного луча, где сдвиг волнового фронта происходит при отражении части света от внутренней и части света от внешней поверхности пластины и их взаимной интерференции.

Схема управления коррекцией волнового фронта зеркала представлена на фиг. 7 и работает следующим образом.

Часть лазерного луча, отражаясь от гибкой пластины 3 зеркала, попадает на плоскопараллельную пластину 12 сдвигового интерферометра, затем отраженное излучение направляется на пластину 13, чувствительную к данному типу излучения, и преобразуется в электрический сигнал, который поступает в аналого-цифровой преобразователь 14, который, в свою очередь, информацию о распределении плотностей излучения в различных интерференционной картины направляет в ЭВМ 15, где происходит выбор схем распределения тепловых полей в термочувствительной пластине 3 зеркала и информация в виде электрических импульсов поступает в преобразователь сигналов 16, где происходит перевод этих импульсов в управляющие напряжения, которые подаются на исполнительные механизмы (5 на фиг. 3 и 7 на фиг. 4 и 5).

Изобретение соответствует критерию "промышленная применимость", так как техническая задача, вытекающая из современного уровня техники, решена полностью.

Зеркало содержит опорную конструкцию, на которой установлена гибкая пластина из термочувствительного сплава с памятью формы. С тыльной стороны пластины равномерной по ее площади размещены исполнительные механизмы, выполненные в виде нагревателей. В опорной конструкции могут быть выполнены ячейки, открытые в сторону гибкой пластины, в которых размещают нагреватели, нагреватели выполнены в виде электрических спиралей или графитовых стержней. Между гибкой пластиной и опорной конструкцией может быть введено соединенное с гибкой пластиной основание из композиционного материала с полимерной матрицей. В основании выполняют каналы, в которых устанавливают графитовые стержни. Между основанием и гибкой пластиной может быть размещен слой из эластичного материала. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Зеркало оптическое, содержащее опорную конструкцию, на которой установлена гибкая пластина, с наружной стороны пластины выполнена отражающая поверхность, а с тыльной стороны равномерно по ее площади размещены исполнительные механизмы, связанные с системой управления, отличающееся тем, что гибкая пластина выполнена из термочувствительного сплава, обладающего памятью формы, а исполнительные механизмы выполнены в виде нагревателей. 2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что в опорной конструкции выполнены ячейки, открытые в сторону гибкой пластины, и в них размещены нагреватели, выполненные в виде электрических спиралей. 3. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что нагреватели выполнены в виде графитовых стержней, соприкасающихся при помощи пружин с тыльной стороной гибкой пластины, на которой расположен электрод. 4. Зеркало по п.3, отличающееся тем, что между гибкой пластиной и опорной конструкцией введено соединенное с гибкой пластиной основание из композиционного материала с полимерной матрицей, причем в основании выполнены каналы, в которых установлены графитовые стержни. 5. Зеркало по п.4, отличающееся тем, что между основанием и гибкой пластиной размещен слой из эластичного материала.