ПОЛУПАССИВНОЕ БИМОРФНОЕ МНОГОСЛОЙНОЕ ГИБКОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2007 года по МПК G02B5/08 

Область техники

Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано в качестве корректора в адаптивной системе для динамического управления волновым фронтом излучения в телескопах, офтальмологических приборах, промышленной лазерной технике.

Предшествующий уровень техники

Известно деформируемое биморфное зеркало (см. P.Jagourel, J.-P.Gaffard. Adaptive optics components in Laserdot. - Proc. SPIE, 1991, vol.1543, p.76-87), содержащее активную биморфную структуру из двух пьезоэлектрических пластин, склеенных вместе, и имеющее 13 независимых управляющих электродов; диаметр управляемой апертуры - 30 мм. К обеим сторонам такой двойной пьезопластины прикреплены тонкие кремниевые пластины, на одной из которых сформирована отражающая поверхность; диаметр кремниевых пластин больше, чем пьезоэлектрических. Через кремниевые пластины зеркало крепится к подложке-основанию в трех точках. Деформации отражающей поверхности зеркала обеспечиваются за счет изгиба активной биморфной структуры при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении благодаря действию обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта, при этом принципиально важным является то, что жесткость (следовательно, и толщина) кремниевых пластин должна быть существенно меньше, чем для пьезокерамических. В противном случае, управляемые деформации зеркала будут весьма незначительны. Наибольшая амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности в этом зеркале достигается при подаче максимального электрического напряжения (400 В) одновременно на все управляющие электроды и не превышает 10 мкм. Недостатками данного активного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность (не более 25 мкм/кВ); высокое управляющее напряжение; высокая трудоемкость формирования оптической поверхности, включающего использование дополнительных кремниевых пластин; низкое качество и стабильность исходной оптической формы зеркала; низкая прочность и надежность зеркала.

Известно деформируемое биморфное зеркало на основе активной пьезоэлектрической биморфной структуры с 19 управляющими электродами в виде центрального эллипса и двух концентрических эллиптических колец, разбитых соответственно на 6 и 12 отдельных сегментов (см. C.Boyer, P.Jagourel, J.P.Gaffard et al. "Laserdot components of the PUEO Adaptive Optics System." - Laserdot-Cilas, September, 1995). Активная биморфная структура образована двумя пьезоэлектрическими пластинами диаметром 83 мм, на внешней стороне одной из которых выполнена оптическая поверхность с серебряным отражающим покрытием. Общая толщина зеркала - 2.5 мм. В трех точках по внешнему диаметру зеркало крепится в оправе. Деформации отражающей поверхности зеркала обеспечиваются за счет изгиба активной биморфной структуры при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении благодаря действию обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта. Наибольшая амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности в этом зеркале достигается при подаче максимального электрического напряжения (400 В) одновременно на все управляющие электроды, при этом соответствующий радиус кривизны на управляемой апертуре составляет 34 м. Недостатками данного активного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность; высокое управляющее напряжение.

Известно изобретение, позволяющее повысить амплитуду деформации гибких зеркал на основе активной биморфной пьезоструктуры (патент WO 97/1226 от 03.04.97). Результат в этом изобретении достигается увеличением числа слоев пьезокерамики, и соединением, нанесенным на них управляющих электродов определенным образом. Получается одноканальное зеркало, в котором возникающая сила изгиба пластины складывается из изгибающих сил каждого слоя, отличие между которыми возникает из-за разной удаленности соответствующих слоев от серединной плоскости. Изобретение предназначено для использования в любых оптических системах для выполнения динамической коррекции (компенсации) осесимметричных искажений оптических пучков. Недостатком данной конструкции зеркала является всего одна степень свободы управления, следовательно, оно способно воспроизвести всего один определенный тип аберраций, но с различной амплитудой. Также это зеркало, как и всякий управляемый корректор на основе активных биморфных пьезослоев обладает крупноячеистой структурой, что не позволяет его шлифовать для получения отражающей поверхности хорошего качества.

Последняя проблема решается использованием полупассивных гибких биморфных зеркал, в которых часть зеркала выполняется из пассивной подложки (плавленый кварц, медь, алюминий ...), а пьезокерамические диски с управляющими электродами приклеиваются к ней с другой стороны от отражающего покрытия. Также конструкция этого зеркала позволяет производить шлифование его поверхности до требуемого оптического качества. Ниже приведен ряд патентов и публикаций по пьезокерамическим биморфным полупассивным зеркалам:

- В.И.Бойков, П.В.Николаев, А.В.Смирнов. Функции отклика биморфного гибкого зеркала. - Оптико-механическая промышленность, 1989, № 10, с.10-13;

- А.В.Икрамов, А.В.Кудряшов, А.Г.Сафронов, С.В.Романов, И.М.Рощупкин, А.О.Сулимов. Адаптивное биморфное зеркало. - Патент СССР № 1808159 (1992). МПК H01S 3/02, по заявке № 4766709/25 от 19.12.1989;

- F.Forbes, F.Roddier, G.Poczulp, C.Pinches, G.Sweeny, and R.Dueck. Segmented bimorph deformable mirror. - J. Phys. E: Sci. Instrum., 1989, vol.22, p.402-405;

- A.V.Kudryashov, V.V.Samarkin "Control of high power CO₂ laser beam by adaptive optical elements". Opt. Comm. 118, pp.317-322, 1995.

- A.V.Kudryashov, V.I.Shmalhausen, "Semipassive bimproph flexible mirrors for atmospheric adaptive optics applications", Opt. Eng. 35(11), pp.3064-3073, 1996.

- A.Kudryashov, V.Samarkin, A.Rukosuev, A.Alexandrov, "High-power lasers and apadtive optics", Proc. SPIE 5333, pp.45-52, 2004.

Основными достоинствами гибких биморфных зеркал являются высокая лучевая стойкость, простота полировки поверхности, относительно низкая стоимость и достаточная чувствительность. Поэтому именно этот тип зеркал обычно используется в современной лазерной технике для управления и коррекции излучения лазеров в различных приложениях: лазерная обработка материалов, астрономия, биология и другие.

За прототип изобретения выбрано гибкое пьезокерамическое полупассивное зеркало, конструкция которого приведена на фиг.1.а. Оно состоит из пассивной подложки (1) с нанесенным на нее отражающим покрытием. С другой стороны к подложке приклеены два пьезокерамических диска (2) с управляющими электродами (3). Посередине расположен общий "земляной" электрод (4). Верхний электрод (5) занимает всю поверхность диска и служит для коррекции аберрации типа дефокус. Пример расположения электродов нижнего слоя (3) приведен на фиг.1.б. Радиусы секционирования электродов и их количество в каждом кольце зависят от типа аберрации, которые надо компенсировать.

Раскрытие изобретения.

Данное изобретения является развитием конструкции гибких биморфных зеркал и, таким образом, обладает всеми их достоинствами, а суть изобретения направлена на увеличение амплитуды деформации отражающей поверхности, повышении чувствительности, снижение управляющего напряжения и уменьшение размеров. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет производить расчет формы управляющих электродов деформируемого зеркала для независимой компенсации аберраций, и, таким образом, увеличивать точность и амплитуду их воспроизведения.

Указанный технический результат достигается благодаря использованию нескольких пьезокерамических дисков с управляющими электродами. Схема конструкции предлагаемого зеркала, расположение «земляных» и управляющих электродов представлена на фиг.2. Внутренние слои управляющих электродов (3а-г) расположены между пьезодисками (2а-е) с «земляными» электродами (4). Поляризация двух слоев пьезокерамики (2б, г и 2в, д) по обе стороны от одного слоя управляющих электродов (3б, 3в соответственно) противоположна. Внешние слои управляющих электродов (3а, 3г) вызывают пьезоэлектрические силы только в одном слое пьезокерамики (2а, 2е соответственно) каждый.

Вид функции отклика данного электрода гибкого зеркала зависит от радиусов и углов секционирования этого электрода. В оптике часто встречаются с необходимостью компенсации определенных аберраций волнового фронта известной формы (низшие, наиболее сильные аберрации - это дефокус, астигматизм, кома, сферическая и т.д.). Характеристики управляющих электродов для воспроизведения каждой аберрации известны. В биморфном зеркале, выбранном за прототип, все управляющие электроды (кроме электрода для компенсации аберрации фокус/дефокус) принадлежат одному слою пьезокерамики. Линии разделения электродов для компенсации различных аберраций не совпадают, поэтому при компенсации одной из аберраций напряжение подается на составной электрод. Например, для компенсации сферической аберрации нужны кольцевые электроды, занимающие всю поверхность зеркала, а для компенсации астигматизма и комы - сегментированные. Уменьшение размеров электрода за счет таких разрезов тем больше, чем большее число аберраций необходимо компенсировать данным зеркалом. В результате зеркало теряет чувствительность при компенсации низших аберраций, амплитуда которых наиболее значительна.

Предлагаемое изобретение позволяет значительно увеличить чувствительность компенсации низших аберраций благодаря размещению соответствующих электродов на отдельных слоях. Увеличение чувствительности достигается и за счет того, что внутренние слои управляющих электродов вызывают пьезоэлектрическое напряжение в двух слоях пьезокерамики. Также у зеркала предлагаемой конструкции уменьшается число электродов, необходимых для компенсации одного набора аберраций. Например, для компенсации низших аберраций (астигматизм, кома, сферическая, дефокус) традиционному зеркалу требуется 14 электродов, а предлагаемому изобретению - 13.

Изобретение характеризуется увеличенными возможностями зеркала при компенсации аберраций высшего порядка. Эти аберрации обычно значительно меньше по амплитуде, чем низшие, поэтому критерием оценки качества зеркала при компенсации высших аберрация является не пределы по амплитуде, а точность их воспроизведения. В традиционном биморфном зеркале все управляющие электроды расположены на одном слое, поэтому при расчете формы управляющих электродов для того, чтобы зеркало было способно компенсировать высшие аберрации, приходится либо увеличивать число управляющих электродов («разрезая» электроды, предназначенные для компенсации низших аберраций), либо уменьшать точность воспроизведения требуемых аберраций. Предлагаемое изобретение позволяет рассчитывать форму электродов для компенсации высших аберраций независимо, располагая соответствующие электроды на отдельном слое (фиг.2, слои управляющих электродов 2а-г).

При переходе от традиционного биморфного зеркала к предлагаемому изобретению возникают различные факторы, влияющие на чувствительность компенсации аберраций управляющими электродами. 1) При увеличении числа слоев растет толщина зеркала, увеличивается его цилиндрическая жесткость. 2) Суммарная площадь электродов увеличивается. 3) Для внутренних слоев электродов (фиг.2, 2б, в) число слоев пьезокерамики, в которых электрод вызывает пьезоэлектрические силы в два раза больше. 4) Слои электродов расположены на различном расстоянии от срединной поверхности, чем больше это расстояние, тем его чувствительность больше. Также чувствительность зависит от толщины слоев пьезокерамики и подложки, от радиуса зеркала и способа крепления зеркала. Из перечисленных факторов только фактор 1) является отрицательным. Учитывая, что толщина подложки обычно много меньше толщины пьезодисков, его влияние является незначительным. Он ограничивает число слоев управляющих электродов, если толщину пьезокерамики уменьшить для большего увеличения чувствительности. Изобретение позволяет управлять чувствительностью при компенсации различных типов аберраций, поэтому его конструкция определяется тем приложением, для которого оно предназначено. Количество аберраций, которые нужно компенсировать, определяет количество слоев управляющих электродов. Относительный вклад каждой аберрации определяет расположение управляющего слоя. Максимальной чувствительностью обладает слой, расположение которого показано на фиг.2 (2в). Среди слоев с двумя слоями пьезокерамики он находится на максимальном расстоянии от срединной поверхности зеркала. Его электроды рассчитываются для компенсации наиболее сильной аберрации. Наименьшей чувствительностью обладает слой, ближайший к срединной поверхности (фиг.2, 2а). Относительный вклад остальных слоев зависит от конкретных геометрических размеров зеркала.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить чувствительность гибкого биморфного зеркала, а следовательно, и снизить напряжение на управляющих электродах и геометрические размеры зеркала.

Количество слоев управляющих электродов зеркала, а соответственно и количество слоев пьезокерамики определяется приложением, в котором это зеркало будет использоваться, и количество слоев, указанное на схеме фиг.2 не является сутью изобретения.

Соответствие изобретения требованию «новизна».

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле и описании изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Соответствие изобретения требованию «изобретательский уровень»

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

Промышленная применимость

В заключение уместно отметить, что предлагаемое устройство, в том числе изображенное на фиг.2, 3, может быть реализовано на стандартном промышленном оборудовании с использованием известных материалов и технологий. Использующиеся в конструкции зеркала пьезоэлектрические пластины также являются стандартной промышленной продукцией.

Практически предложенное изобретение может быть использовано для статического и динамического управления волновым фронтом излучения в различных оптических приборах и системах, включая телескопы, промышленную лазерную технику, офтальмологические приборы.

Таким образом, для заявленного изобретения подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми графическими материалами. Также заявленное изобретение, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Осуществление изобретения

Полупассивное биморфное многослойное гибкое зеркало состоит из пассивной подложки (фиг.2, №1) с отражающим покрытием, пьезокерамических дисков (фиг.2, №2а-е) и управляющих (фиг.2, №3а-г) и "земляных" (фиг.2, №4) электродов. Электроды представляют собой слой металла, нанесенный на диски из пьезокерамики, управляющие электроды формируются, когда в этом слое металла методом химического травления делаются разделяющие дорожки. Электрического контакта между слоями управляющих электродов нет. После создания электродов нужной формы диски из пьезокерамики с электродами склеиваются между собой и с подложкой.

После шлифовки подложки, нанесения отражающего покрытия на подложку зеркало устанавливается в оправу, как показано на фиг.3.

При подаче напряжения на управляющие электроды (фиг.2, 2а-г) в пьезокерамике появляется электрическое поле в области между электродами. За счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта, в пьезокерамике возникают механические напряжения, под действием которых все зеркало деформируется.

Направление возникающих механических напряжений определяется относительной ориентацией вектора напряженности электрического поля (полярностью приложенного напряжения) и вектором поляризации пьезокерамики. Поэтому слои пьезокерамики, расположенные по разные стороны от каждого из внутренних слоев управляющих электродов, должны быть поляризованы в противоположных направлениях.

Зеркало в оправе (фиг.3) используется как один из элементов оптической схемы. При отражении лазерного пучка от отражающей поверхности подложки фаза излучения изменяется в соответствии с приложенными напряжениями.

Краткое описание чертежей.

Фиг.1а. Схема традиционного полупассивного биморфного зеркала:

1 - подложка (материал - стекло, кремний, медь или алюминий) с отражающим многослойным диэлектрическим покрытием;

2 - диски из пьезокерамики;

3 - управляющие электроды;

4 - общий "земляной" электрод между двумя пьезодисками;

5 - общий электрод для воспроизведения аберрации дефокус (электрод №1).

Фиг.1б. Пример секционирования управляющих электродов (фиг.1а, элемент 3). Нумерация электродов начинается с 2, т.к. электрод №1 - это общий электрод (фиг.1а, элемент 5).

Фиг.2. Конструкция полупассивного биморфного многослойного гибкого зеркала:

1 - Пассивная подложка с отражающим покрытием;

2 а-е - диски из пьезокерамики;

3 а-г - слои управляющих электродов;

4 - общие "земляные" электроды.

Фиг.3. Закрепление зеркала в оправе:

1 - зеркало;

2 - оправа;

3 - электрический разъем.

Изобретение относится к управляемой оптике и может использоваться в качестве корректора в адаптивных системах для динамического управления волновым фронтом излучения. Деформируемое управляемое биморфное полупассивное зеркало содержит пассивную подложку и некоторое количество, по крайней мере, больше двух, слоев управляющих электродов с пьезокерамическими дисками, которые разделены «земляными электродами». Конфигурация и расположение электродов каждого слоя определены независимо для компенсации определенного типа аберрации. Технический результат: повышение чувствительности, уменьшение размеров устройства и прикладываемых напряжений. 3 ил.

Деформируемое управляемое биморфное полупассивное зеркало на основе пассивной подложки и некоторого количества, по крайней мере, больше двух, слоев управляющих электродов с пьезокерамическими дисками, которые разделены «земляными электродами» с конфигурацией и расположением для независимой компенсации аберраций.