Адаптивное зеркало Советский патент 1993 года по МПК G02B5/10 

19

(Ц6) 23.05.93. Бюл. If

(21) 3/ А399/10

(22)15.12.87

(71)Уфимский авиационный институт им. Серго Орджониквдзе

(72)С.Т.Кусимов, П.А.Грахов, А.З.Тлявлин, Л.В.Грахова,

С.ВЛюбарский и А.М.Прохоров

(56) Зеркала для адаптивных оптических систем.Зарубежная радиоэлектроника, 1982, № 8, с. 27-28.

Авторское свидетельство СССР № 1297618, кл. G 02 В 26/06, 1984. (54) АДАПТИВНОЕ ЗЕРКАЛО

I(57) Изобретение относится к оптическим элементам, характеристиками которых можно управлять в процессе работы с целью видоизменения волнового фронта светового пучка, а именно к деформируемым зеркалам и может быть исттользовано в мощных излучающих и приемных лазерных системах, работающих в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. Целью изобретения является расширение области применения адаптивного зеркала для управления мо,щ- яым излучением среднего и дальнего ИК-диапазона при повышении точности

.и снижении энергоемкости управления, улучшение динамических и эксплуатационных характеристик, уменьшение габаритов устройства. YcjpoAcTBO содержит основание 1, выполненное из немагнитного материала (например, медь, титан и т.д.), отражаннгую lujac- тину 2, изготовленную также из нейаг нитного теплопронодного материала (например, алюминий, медь, молибден и т.д.), с закрепленными магнито- стрикциоилыми исполнительными пластинчатыми эдe)lgILтf|r- и прямоугольной

конфигурации. Все исполнительные элементы выполнены из одного магни- тострикционного теплопроводного материала (например, никель или пер- мендюр К65). Намагничивающее устройство выполнено в виде системы электромагнитов 4, не связанньк магнитно между собой, изготовленных п форме ярма состоящих из корпуса 5 с обмоткой 6 и полюсов 7. Электромагниты закреплелы корпусом 5 на основании

I,а обмотками 6 подсоединены к выходам регулируемого источника питания 8, а полюса 7 всех электромагнитов сориентированы в одном направлении и при этом образуют каналы для подачи хладагента, поступающего внутрь зеркала через штуцеры, выполненные на корпусе основан11я, и удаляющегося через стоковые отверстия

10 в дне основания и отводной канал .

II.Адаптивное зеркало функционирует следующим образом. В исходном состоянии все обмотки элементов запита- ны от регулируемого источника 8, и так как полюса ориентированы п одном

направлении, магнитные потоки в элементах, а следовательно, и их намаг- , ниченность в плоскости пластины направлены одинаково, что вызывает однородное деформирование (прогиб) отражающей пластины за счет магнитострнк- ционных сил, и при таком закреплении ее начальная кривизна близка к сферической за исключением не шчительных областей, прилегающих к нерифории зеркала. Изменение входного сигилл,) в любом канале а ту или иную сторону от исходного начального нлмагничиппю- щего тока позволяет видоизмени п. профиль поверхности зеркала, я н. лшисиа

(Л

сг

ел о со

мог.ть D магнитном отношении элрмеитов позволяет реализовать распределенное управление. При подаче соответствующего распределения входньос токов на обмотки электромагнитов возникает распределенное по поверхности намаг- ничшзание.и, следовательно, распределенное по поверхности изгибающее усилие, которое вызывает однозначное деформирование пластины для такого ее закрепления под действием магнито- стрикционных сил и, следовательно, позволяет формировать требуемый профиль отражающей поверхности. 16 з.п. ф-лы,А ил.

Изобретение относится к оптическим элементам, характеристиками которых можно управлять з процессе работы с целью ввдоиэмеисния волнового фронта светового пучка, а именно к деформируемым зеркалам, и может быть использовано в мощных излучающих и при- емных лазерных системах, работающих в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне.

Целью изобретения является расширение области применения адаптивного зеркала для управления мощным излу- чением среднего и дальнего ИК-диапа- зопа при повышении точности и снижении энергоемкости управления, улуч- meiHie динамических и эксплуатационшлх характеристик.

На фиг. 1 D двух проекциях изображено предлагаемое зеркало с системой жидкостного охлаждения и регул1фуемым источником питания; на фиг. 2 - фраг- мент варианта зеркала с монолитной Ьтруктурой; на фиг. 3 - то же, с закреплением отражающей пластины с помощью шариковых подгаипникоп; на фиг. 4 - вариант устройства с четыре полюсными электромагнитами и доух- слойными иснол1П1телыш Ми элементами (а - с исполнительным элементаг-ш, б - без исполнительных элементов).

Адантивное зеркало содержит осно- ванне 1, выполненное из немагнитного материала (медь, титан и т.д.), отражающую пластину 2, изготовленную также из немагнитного материала с высокой теплопроводностью (алюминий, медь; молибден и т.д.), с закрепленными магнито :трикционными исполнительными пластинчатыми элементами 3 прямоугольной конфигурации. В данном случае показано устройство с 25 эле- мента1Ч11. Вес исполнительные элементы выполнены и.ч одного магнитострик- цпонного материала с высокой теплопроводностью (никель или пермсидюр

5

5 0

0

5 О

5

0

К65). Намагничивающее устройство выполнено в виде системы электромагнитов А, не связанных магнитно между собой, изготовленных в.форме ярма и состоящих из корпуса 5 с обмоткой 6 и полюсов 7. Электромагниты закреплены корпусом 5 на основании 1, а обмотками 6 подсоединены к выходам регулируемого источника питания 8, а полюса 7 всех электромагнитов сориентированы в одном направлении и при этом образуют как бы каналы для подачи хладагента, поступающего внутрь зеркала через штуцеры 9, выполненные на корпусе основания и удаляющегося через стоковые отверстия 10 в дне основания и отводной канал 11.

Пунктиром ограничены области 12, заполняемые эластичным материалом (какой-либо компаунд на каучуковой основе) с немагнитнь1м теплопроводным наполнителем (медные, алюминиевые нити, .расположенные в .перпендикулярном отражающей поверхности направлении, или дисперсные гранулы) для варианта зеркала Q гибкими полюсами 7, которые, в этом случае выполняются с невысокой изгибной жесткостью, в виде пластин из эластичного материала, армированных в направлении, перпендикулярном отражающей поверхности, нитями из магнитопроводя- щего материала (пермаллой, пермендюр, сталь) с хорошей тешюпроподностью.

Для варианта зеркала с жесткой монолитной отражающей структурой (см. фиг. 2) полости 13 заполнены жестким немагнитным материалом, например эпоксиднь м компаундом с наполнителем из молибдена, бериллия, алю-: ниния, немагнитных сталей, а полюса 7 выполнены ввиде неоднородных по упругим свойствам участноп 14 и 15. Участки 14 жестко COC/HDIPHLJ г. нспол-; Нительными элементпнн 3 и от1);1жающей(

пластиной 7 н выполнены также из же сткого магнитного теплопроводного материала, например армко-железа, магнитных сталей (с незначительной магнитострикцией), а участки 15 выполнены дугообразными и на основе эластичных компаундов -с магнитнопрр- водным нитеобразным наполнителем из .пермендюра, пермаллоя, армко-железа и т.д. Такое изготовление позволяет реализовать невысокую жесткость во всех направлениях.

. В варианте зеркала (см. фиг. 3) с установкой отражающей пластины 2 через систему размещенных по периферии с обеих ее ctopoH шариковых подшипников 16 на основании 1 последнее выполнено с крышкой 17. Шариковые упорные подшипники 18 установлены на оснований со стороны торцов пластины с зазором 19 к ней. Все пространство между основанием 1,крьппкой 17 и периферией отражающей пластины заполнено эластичным материалом, йа- прямер компаундом на каучуковой основе, который фиксирует расположение .шариковых подошпников в пространстве, в то же время позволяет им под воздействием цепнь1х магиитострикди- онных и термодинамических усилий поворачиваться достаточно легко относительно пластины 2. В то же Время при повороте всего устройства в про- |странстве зазоры между упорными подшипниками выбираются с одной стороны ,и ВСЯ пластина фиксируется, а термодеформация пластины без передачи цепных усилий происходит в сторону других зазоров.

В вариантах зеркала с двумя активными слоями (см, фиг. 4) электро- ,магниты 4 выполнены четырехполюсны- ми 20, 21, 22, 23 и с обмотками 24э 25 (обычно каждая является двухсекционной) , основание при этом кресто- образное, а полюса с переменной по высоте шириной, что связано также и с необходимостью подвода хладагента; Электромагниты могут,быть также выполнены и в виде двух независимых магнитных систем. Активные слои при могут быть выполнены из магпи- тострик.ционных материалов и с вэаим но перпендикулярными направлениями легкого намагничивания. Такие конструкции легче строить на основе композитов, причем в качестве магни- тострикцнонного армирующего напОЛ0

5

0

нитоля, расположсшипч) п одном iinir- равленни, ожно выбрать и материалы с низкой электропроподностью, которые o6brjHo обладают низкой теплопроводностью, а для соблюдения трсбооа- ния хорошеГт теллоперсдзчн армлровлть композиты в направлении, перпенлн- кулярном отражающей поверхности, немагнитными нитями, например, из меди, серебра, золота и т.д.

В вариантах зеркап с одновременным намагничиванием слоев обмотки 2,25 электромагнитов соединены параллельно или последовательно и к одному выходу регулируемого источника 8.

Для зеркал с отдельными обмотками каждая из них подсоединена к своему выходу источника, которых в этом .случае в дйа раза больше - пятьде- сят, либо подключена к двад цатипяти- канальному источнику через полярно- чувствительные коммутаторы, которые

5 подключают ту или другую обмотки к выходу источника в зависимости от полярности поступающего от него сигнала. В простейшем случае обмотки 24,25 вместе с коммутатором 26 образуют двухполюсник из двух параллельных ветвей, подключенный к источнику, а каждая-веч вь представляет собой обмотку с диодом, причем в разных ветвях диоды 27, 28 включены с разной полярностью. Во всех вариантах зеркап с двумя активными слоями, выполненными из материалов с различными магнитострикционными свойствами,, для лучшей управляемости направление легкого намагничивания слоев всех исполнительных элементов с одинаковыми магнитными свойствами выбирается одинаковым, хотя принципиально устроит ство позволяет управлять профилем

С поверхности, даже если это условие не соблюдается;

Адаптивное зеркало функционирует следующим образом.

В исходном состоянии все обмотки элементов одинаково запитаны от ре- гулируемо1 о источника 8, и так как полюса ориентированы в одном направ- лениИ| магнитные потоки в элементах, а следовательно, и их намагниченность в плоскости пластины направлены одинаково , что вызывает одкородную деформацию (йрогиб) отражающей пластины за счет магнитострикпионпых сил. При таком закреплении ее начальная

0

5

0

0

5

кривизна близка к сферической за ис- члючепием незначительных областей, прилегающих к периферии зеркала. Из- менегте иходного сигнала в любом канале и ту или иную сторону от исходного начсгпьного намагничивающего тока позволяет однозначно пидоизменить профиль поверхности зеркала, а независимость в магнитном отношении эле- ментов позволяет реализовать эффектиное распределенное управление. При подаче соответствующего распределения входных токов на обмотки электромагнитов возникает распреде- ленное по поверхности намагничивание И, следовательно, распределенное по поверхности изгибающее усилие, которое вызывает однозначное деформирование пластины для такого ее закреп- ления под действием магнитострикцион ных сил и, следовательно, позволяет формировать требуемьц профиль отражающей поверхности.

Высокая теплопроводность металли- ческой отражающей пластины и металлических жестко закрепленных на ней ис прлнитель 1ых элементов без промежу- точных слоев позволяет при-высоких функциональных возможностях реализо- вать жидкостное охлаждение, при этом полюса электромагнитов как бы обра- зуют каналы для прокачки хл адагента. Для вариантов зеркал с четырехпо- люсными электромагнитами и одной об- моткой функционирование происходит идентично лишь намагничивание слоев исполиитель11ых элементов происходит во вэаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет при выбранных свойствах слоев реализовать прогиб участков, близк1ш к сферическоьгу, так кик при этом складываются прогибы от двух слоев, близкие к цилиндрическим. Это позволяет болеечплав- но регулировать профиль поверхности.

Для вариантой зеркал с четырех-г ПОЛЮСНЫЮ1 электромагнитами с двумя раздельными обмотками исходный профиль является плоским. При формиро- BaHtra-входного воздействия сигналов ёаписыпается идма или другая ветвь двухполюсников электромагнитов в saBHCimocTH от полярности входного сигнала, подаваемого на данный электромагнит.

Так как обмотки 2ft и 25 магнитно связаны каждлй со своим слоем исполнительного элемента и диоды 27, 28

0

5 0 Q с

0

5

включены встречно, я слои элементов с параллельными направлениями легко- го намагничивания имеют одинаковую полярность включения диодов в ват- вях магнитно-связанных с ними обмоток, то в зависимости от полярности входного сигнала на каждый электромагнит он намагничивает соответствующий слой элемента, который обеспечивает соответствующий изгибающий момент, стремящийся создать кривизну соответствующего знака. Тем самым обеспечивается возможность формирования сложных профилей поверхности с кривизной обоих знаков относительно исходного плоского профиля без необходимости создания предварительного подмагничивания входным током.

Для предыдущих вариантов адаптивных зеркал,, в которых слои исполнительных элементов выполнены из материалов с разной по знаку магнитострик- цией в-слабых полях, например, из железа или литого кобальта, также возможно регулирование поверхности с кривизной обоих знаков относительно исходного плоского профиля, но для Некоторого подмагничивания, при котором магнитострикционные деформации равны нулю. Работа идентична П1 едыдущим случаям.

В вариантах, где используются такие материалы и двухслойные эле-, менты, электромагниты которых выполнены с двумя независимыми обмотками, дополнительно подключенными к двум независимым выходам многоканального источника (в этом случае число выходов вдвое больше числа исполнительных элементов), возможен и более сложный изгиб каждого участка, что позволяет . добиться большой плавности и диапазона регулирования кривизны поверхности. Такое управление профилем целесообразно использовать при решении статических задач точного регулирования волнового фронта мощного излучения среднего и особенно дальнего инфракрасного излучения. Уменьшая шш увеличивая сигнал от исходных подмагничивающих токов в обеих обмотках элементов, можно добиться цилиндрического, астигматического или сферического изгиба участков равных знаков в зависимости от соот ошения сигналов в этих обмотках, что при данном закреплении пластины реализует большее многообразие профилей поверхности, чем для других случаси при, том же ЧИСЛР исполнительных мг.ханизмон или тс же функции при меньшем их числе.

Формула изобретения

о

Ю

15

20

25

30

5

0

5

0

5

. Ллпптирпое торкалр пс и, 1, отличающее г я тем, . отражлкнцля пластина с Г1ол,-П1миигнм|,1г.11 исполнительными элемент л ми iv lU .Mumn монолитной, а полюса, жос:( ши лч- ные с исполнительными элсмгмгг.чмп и отражающей пластиной иг TtMUUMipo- водного материала, изготонлены с неоднородными вдоль магнитной цеии упругими свойствами с участками из эластичного материала, жесткость которых во всех направлениях ниже и:«- гибкой Жесткости отражающей пластины, расположенными между поверхностью монолита и корпусами электромагнитов, причем полости пластины с под- соединен1п-1кт исполнительными элементами и жесткими участками полюсов заполнены немагнитным материалом с таки№1 же, как у материалов исполнительных элементов и жестких участков полюсов, упругими и термодинамическими свойствами.

А.Адаптивное зеркало по пп.1, 2 и 3, отличающееся тем, что отражающая пластина установлена на основании через систему шариковых подшипников, расположенных равноме - но вдоль ее периферии на расстоянии друг от друга не более толщины пластины по обеим плоскостям, где для каждой стороны пластины центрм шариков расположены в одной перпендикулярной ей плоскости, а со стороны торцов также расположены закрепленные на основании с помощью эластичного материала шариковые упорные подшипники с возможностью взачмодей-, ствия с торцами, при этом все пространство между основанием и периферией пластины заполнено эластичным материалов, модуль упругости которого ниже, чем у материалов пластины и основания, а диаметр шариковых под шипников меньше тоЛщины пластины.

ct pr f

2Лисп Suen

Zorp , Ziicii, 1

- - - - - -.-f. .-t

,rP SDIP iuC Suc.ngCp

где ./OTP , w.irn коэ4)фицнанты температурного расширения материалов оУражагаще пластины и исполнительных элементоп соотпетствеипо;

, Z(,cn толщины отражающей пластины и исполнительных,элементов соответственно;

Лотр Л п - коэффициенты теплопроводности материалои отражающей пластины и исполнительных элементов соответстпенно ,

SOTP, , Siicn. площадь отражающей пластины и суммарная площадь исполнительных элсментои D местах связанных с отражающей пластиной, соот- петственно ,

g - у/.1ельно-массовьп11 расход хладагента;

Ср. - удельная теплоемкость хладагента,

3, А, 5, 6, о т л и ч а Ь п е. е с я тем, что исполнительные элементы выполнены двухслойными из материалов с разной по знаку магнитострикцией со взаимно иерпендикулпрныка наирав- ления -п легкого намагничивании, а электромагниты выполнены четырех- полюсньми пр)Г этом полюса сорентиро паны попарно но направлениям легкого намагничипания, электромагниты снабжены .двумя обмотками, подключенными к отдельным ззыхоцам многоканального источника питания.

,. .- ,,,--. «Е,г,и.л+ )

2 - .-NJ {Г

Z,;

Ем /W tiilL JEJi.ll Е„Е (Хр ,

10

-E,(af,)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где ZBA- толщина слоя исполнительного элемента, ближнего к отражающей пластине;

Z - толщина другого слоя испол пительного элемента;

ЕОТР Ерд, E,j - модули Юнга материалов отражающей пластины, ближнего и оставшегося слоев исполнительного элемента соответственно;

s/i,af,j. коэффициенты магнито- стрикции материалов слоев исполнительного элемента.

с разной по знаку магнитострикцие1Ч, причем отношение суммарной толщины отражающей пластины и ближнего к ней слоя иcпoJППIтeльнoгo элемента к толщине другого слоя исполнительного элемента обратно пропорционально корню квадратному из отношений эквивалентного модуля упругости первых двух слоев к модулю упругости материала другого слоя исполнительных элементов.

с одинаковой по знаку магнитострикцией и со взаимно перпсидикулярньь-чи направлениями легкого намагничивания, электромагниты выполнены чотырехпо- люсными, полюса сорснтнрованы по на- пpaвлeния легкого намагничиватшя и корпуса снабжены двумя обг-кттками, подключенными к отдельным ни.кодам

регулируемого источника питания, причем отношение суммарной толщины отражающей Пластины и ближнего к ней слоя исполнительного элемента обратно пропорционально корню квадратному из отношения эквивалентного модуля упругости материалов отражающей пластины и ближнего слоя к модулу упругости материала другого слоя исполнительных Элементов.

о ачь

ta.« ...«

где

BKft

SsK 2

,

IZ I + Zjil

TtmP

«A

flSt lL L§ l -itfil . PA 2рд

ЕОГР

Zt OTP

H- E,

где:1вд, :й - коэффициенты теплопроводности ближнего к отражающей пласт1;не и оставшегося слоев соот- ветственио;

Sp. i S 7 суммарные площади поверхностей ближнего к otpaжaющeй пластине и оставшегося слоев соответственно

оС - коэффициент темпе- ратурного расширения оставшегося слоя...

что толщины слоев ИСПОЛНИТРЛЬИЫХ элементов выполнены в соотротстпии с выражением

ii .

Ч f .

1А« Адаптивное зеркало по пп. 1, 3, 4, 5, 6, 10, 11, 12, 13, отличающееся тем, что коэффици- . енты температурного расширения слоев выбраны в.соответствии с выражениями

:i.

gCp

+ Sr j. « IrSi gC7

мента выполнен в виде пакета из связанных одна с другой пластин.

снижения энергоемкости управления, число шtactйн в пакетах .oпpeдej7энo

, I , . --

б- ж

m

n UM Гч

где m, п - наименьшие; целые числа, удовлетворягацие выражению и соответственно равные числу пластин ближнего к отражающей пластине пакета и другого пакета;

J«i.Ji- Гп

ныа проницаемости материалов соответствующих пакетов.

проводимости и магнитФие.1

Фиг. 2

Фця.Ъ