ДЕФОРМИРУЕМОЕ ЗЕРКАЛО Советский патент 2016 года по МПК G02B5/10 

Устройство относится к оптическому приборостроению, в частности к средствам адаптивной оптики, и может быть использовано в оптических передающих системах для коррекции фазовых искажений волнового фронта, обусловленных:

1/ аберрациями оптических элементов, формирующих лазерный пучок;

2/ атмосферной турбулентностью, которая реально существует на траектории пучка;

3/ нагреванием воздуха в канале распространения лазерного пучка /тепловое расплывание лазерного пучка/.

Известно зеркало с изменяющимся фокусным расстоянием, содержащее гибкую, предварительно натянутую пленку с зеркально-отражающим покрытием, за которой находятся отдельные электроды, размещенные на диэлектрическом основании, которому придана форма в соответствии с требуемой формой зеркала. Объем между корректирующими электродами и деформируемой пленкой заполнен слоем масла, что обеспечивает демпфирование колебаний, вызванных акустическими и механическими воздействиями /см. патент ФРГ №2631551, МКИ C02B 5/10/. Известное устройство обладает следующими недостатками:

1/ использование вязкой демпфирующей жидкости /масла/ ограничивает полосу частот отработки необходимой формы поверхности отражающей пленки, что не позволяет использовать его в качестве фазокорректирующего устройства в реальном масштабе времени /10^-3÷10^-4 с/ /см. например, сб. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А., М., "Мир", 1980 г., стр.206-207//;

2/ невозможность согласования коэффициентов температурного расширения демпфирующего масла, деформируемой пленки и диэлектрического основания приведет либо к возникновению температурных уходов, либо потребует создания дополнительного термокомпенсирующего устройства /термокомпенсирующая емкость с управляемым давлением/, что приведет к усложнению конструкции и снижению надежности зеркала;

3/ деформация отражающей пленки, используемой в устройстве, возможна лишь в сторону электрода и определяется характером электростатического взаимодействия, что уменьшает динамический диапазон амплитуд реализованного устройства по крайней мере в два раза;

4/ высокие управляющие напряжения /порядка 1 кВ/ значительно усложняют и утяжеляют систему блоков питания, что в некоторых случаях является недопустимым.

Известно мембранное зеркало, управляемое электростатически, содержащее металлическую, предварительно натянутую мембрану, одна поверхность которой выполнена отражающей, помещенную между прозрачным электродом, к которому приложено напряжение, и группой электродов, представляющих собой набор токопроводящих прокладок, к которым приложено напряжение U₀±U_s, где U_s - напряжение, создаваемое сигналом коррекции /Патент фирмы "Perkin-Elmer" в сб. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А., М., "Мир", 1980, стр.428-447/.

Использование в зеркале системы двух электродных плоскостей, между которыми помещена металлическая мембрана, позволяет реализовать ее смещение в обе стороны от нейтрального положения. К недостаткам устройства-аналога относятся: 1/ наличие в устройстве прозрачного электрода, нанесенного на входное окно, расположенное перед отражающей мембраной, существенно ограничивает мощность корректируемого оптического пучка и его спектральный диапазон;

2/ электростатическое управление, реализованное в таком устройстве, обеспечивается значительными управляющими напряжениями /1 кВ/, при этом имеют место очень малые смещения отражающей мембраны над отдельным электродом /0,3 мкм/. В работе /Freeman R.H. and Pearson Appl. Opt. V. 21, №4 1982 г., стр.580-588/ сформулированы требования к конструктивным параметрам деформируемого зеркала, где отмечено, что необходимое смещение поверхности зеркала над отдельным приводом, обеспечивающее его эффективную работоспособность, составляет ±2λ, где λ - длина волны оптического излучения. Величина деформаций, реализованных в известных мембранных зеркалах с электростатическим управлением, значительно меньше этого требования;

3/ ошибка отработки необходимой формы поверхности деформируемого зеркала зависит от функции отклика поверхности зеркала, т.е. функции, представляющей собой смещение поверхности зеркала над электродом по мере удаления от точки приложения деформирующей [см. Hudgin R., J. Opt. Soc. Am 67, p. 393÷395, 1977]. Ошибка отработки необходимой формы поверхности зеркала определяется как там же:

$${\langle e\rangle }^2=\alpha {{(}^{r_s}{/}_{r_0})}^{5/3}/1/$$

где r_s - период решетки электродов,

r₀ - длина когерентности турбулентной атмосферы;

α - коэффициент, зависящий от функции отклика конкретного зеркала.

Для мембранного зеркала, имеющего плоские управляющие электроды коэффициент α в /1/ α=0,032, что в 5 раз хуже по сравнению с устройствами с гауссовой функцией отклика α=0,006.

Наиболее близким по технической сущности, к заявляемому изобретению, является выбранный за прототип аберрационный модулятор, содержащий отражающую мембрану в оправе, выполненную из магнитного материала и составляющую часть замкнутой магнитной системы, образованной кольцевым магнитом Ш-образного сечения, по оси которого установлен сердечник с обмоткой, подключенный к источнику переменного напряжения, а сама мембрана выполнена из магнитно-мягкого материала и закреплена шарнирно в опорах оправы, имеющих профиль острия и расположенных по окружности, причем частота источника напряжения равна частоте собственных колебаний мембраны.

В устройстве использованы резонансные колебания пластинки /частота резонанса 3,5 кГц/ от бесконтактного воздействия электромагнита, заключающегося в индуцировании в зазоре сердечника мембраны переменного магнитного поля [см. A.C. СССР №587435, G02F 1/19].

Известное устройство-прототип обладает следующими недостатками:

1/ использование для мембраны магнитно-мягкого материала ограничивает функциональные и динамические возможности этого устройства, т.к. при этом управляемое воздействие будет обеспечиваться отклонением мембраны лишь в одну сторону, в сторону сердечника. Выпуклое положение мембрана приобретает при собственных колебаниях, относительно нулевого положения, когда ее собственная частота колебания совпадает с частотой источника тока. При этом исчезает возможность управления ее профилем, что не позволяет использовать это устройство для управляемой коррекции волнового фронта лазерного пучка. Для выбранных материала, толщины, диаметра и способа ее закрепления, колебания имеют определенный характер и в данном устройстве не поддаются управлению;

2/ резонансные колебания мембраны, используемые в работе этого устройства, являются одним из важнейших факторов ограничивающих рабочую полосу частот зеркала;

3/ качество адаптивной передающей системы в значительной степени зависит от количества управляющих приводов, число которых определяется в зависимости от характеристик фазоискажающих факторов [см., например, ст. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А., М., "Мир", 1980, стр.205]:

$$$$ $$N={\left(\frac{\mathrm{0,051}{k}^2{C}^2{}_{N}Z{D}^{5/3}}{\ln (1/S)}\right)}^{6/5}/2/$$

где N - необходимое количество управляющих приводов;

$$k=\frac{2\pi }{\lambda }$$ - волновое число;

C_N - постоянная структура атмосферы;

Z - расстояние, на которое распространяется пучок;

D - диаметр передающей апертуры;

S - число Штреля.

4/ качество адаптивной коррекции, определяемое параметрами деформируемого зеркала, в значительной степени зависит также от функции отклика поверхности зеркала, которая определяет величину ошибки отработки необходимой формы поверхности волнового фронта /1/. Для данного устройства коэффициент α, согласно уравнению /1/, равен α=0,032.

5/ шарнирный способ закрепления мембраны не позволяет обеспечить требование строгой локализации деформации над единичным приводом, при этом алгоритм коррекции формы поверхности мембраны очень усложняется, т.к. возникает необходимость учета нелинейных перекрестных связей приводов, расположенных рядом, что в общем случае снижает устойчивость системы и усложняет блок обработки информации.

Целью настоящего изобретения является повышение точности фазовой коррекции волнового фронта лазерного излучения за счет минимизации ошибки отработки заданной формы поверхности зеркала, увеличение рабочей полосы частот и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в деформируемом зеркале, содержащем отражающую мембрану в оправе, защемленную по контуру, выполненную из магнитного материала и составляющую часть замкнутой магнитной цепи, образованной кольцевой оправой, и установленными параллельно ее оси сердечниками с обмотками, подключенными к независимым источникам переменного тока, сердечники электромагнитов выполнены с магнитострикционными втулками резонансной длины с обмотками электромагнитного возбуждения и возбуждения магнитострикционной втулки, торцы каждого из сердечников, обращенные к деформируемой мембране, выполнены в виде криволинейной поверхности, а кольцевая оправа снабжена дополнительной электромагнитной обмоткой.

Кроме того, с целью упрощения и технологичности изготовления криволинейная поверхность торца сердечника выполнена в виде выпуклой полусферы.

Сущность изобретения заключается в использовании бесконтактных электромагнитных приводов, действующих независимо, на подвижную механическую систему - мембрану с отражающим покрытием и вызывающих ее управляемую деформацию, торцы сердечников которых выполнены в виде криволинейной поверхности, что позволяет реализовать строго локализованную функцию отклика деформируемой поверхности, например вида ехр[-Ar^b], в использовании магнитострикционных втулок сердечник резонансной длины, что позволяет реализовать высокочастотную модуляцию зазора сердечник-мембрана /в соответствии с принципами построения адаптивных деформируемых зеркал для систем с многоканальной фазовой модуляцией, см., например, ст. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А. - М., "Мир" 1980 стр.140-203/ и в использовании принудительного, управляемого демпфирования мембраны внешним магнитным полем, создаваемым обмоткой кольцевой оправы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены на:

Фиг.1 - реализация деформируемого зеркала с защемлением по наружному контуру;

Фиг.2 - реализация деформируемого зеркала с защемлением по наружному контуру;

Фиг.3 - функция отклика деформируемого зеркала с плоским торцом сердечника;

Фиг.4 - функция отклика деформируемого зеркала с криволинейным торцом сердечника;

Фиг.5 - схема, питания обмотки возбуждения магнитострикционной втулки.

Предлагаемое устройство содержит /см. фиг.1/: отражающую мембрану 1, выполненную из магнитно-твердого материала, например ЮНДК-18 ГОСТ 17809-72 - при невысоких требованиях к величине смещений отражающей поверхности и из ПлК 78 ГОСТ 10994-74 или КС37А ГОСТ 21559-76 при достаточно высоких требованиях к величине смещения отражающей поверхности, защемленную по контуру гайками 2, в кольцевой оправе 3, жестко связанной с основанием 4, в котором симметрично относительно оси кольцевой оправы 3 установлены сердечники 5. Сердечник 5 сопряжен с магнитострикционной втулкой резонансной длины 6. Сердечник 5 со втулкой 6 снабжены двумя обмотками: электромагнитного возбуждения 7 и обмотки возбуждения магнитострикционной втулки - выполняющей одновременно функции подмагничивания и возбуждения 8. Втулка 6 выполнена из материала с большим коэффициентом магнитострикции, например из ТbFe₂. Сердечник 5 закреплен совместно с втулкой 6 в основании 4. С помощью юстировочной гайки 9 на наружной поверхности кольцевой оправы 3 расположена обмотка 10. Между мембраной 1 и кольцевой оправой 3 установлена калибровочная шайба 11. Кольцевая оправа 3, основание 4, гайки 2, 3 и калибровочная шайба 11 изготовлены из магнитно-мягкого материала, например 45Н или 50Н ГОСТ 10160-75 с повышенной индукцией технического насыщения. Принцип работы заявляемого устройства состоит в следующем: независимо возбуждаемые управляющим напряжением сердечники 5 с силовыми обмотками 7 - /см. фиг.1/, образуя замкнутую магнитную цепь, через основание 4, кольцевую оправу 3, калибровочную шайбу 11, металлическую мембрану 1 и воздушный промежуток между мембраной 1 и сердечником 5, приводят к бесконтактной деформации металлической отражающей мембраны 1.

Магнитострикционные втулки 6, сопряженные с сердечником 5, возбуждаются обмоткой 8, каждая из втулок 6 имеет резонансную длину.

Таким образом, высокочастотные колебания каждой из втулок 6 на сердечниках 5 обеспечивают высокочастотную и низкоамплитудную модуляцию зазора мембрана-сердечник с постоянной характерной частотой для каждого из сердечников, что приводит к соответствующему колебанию участков мембраны 1.

С помощью обмотки 10 осуществляется силовое управляемое демпфирование колебаний мембраны 1, с целью подавления собственных низкочастотных резонансов мембраны 1.

Используя управляющее действие /см. фиг.1/ напряжений U₁, U₂, … U_n на обмотках 8, вызывающих деформацию мембраны 1, под действием магнитного поля, и зональную высокочастотную низкоамплитудную модуляцию при использовании активного демпфирования /Uдемпф./, можно реализовать систему с многоканальной фазовой модуляцией коррекции фазовых искажений в реальном масштабе времени.

Деформация мембраны, вызванная одним из приводов пропорциональна величине [см. кн. ”Электричество”, Калашников С.Г., “Наука”, 1977]:

P_i - сила, создаваемая одним сердечником с обмоткой;

S - площадь сердечника в направлении воздействия;

µ₀ - магнитная постоянная;

µ - магнитная проницаемость;

N - число витков обмотки сердечника;

I - сила тока управляющего воздействия;

X - воздушный промежуток между мембраной и сердечником.

Суммарная деформация мембраны 1 будет определяться суперпозицией деформаций, создаваемых каждым отдельным сердечником 5 с силовой обмоткой 7, величина которых пропорциональна управляющим напряжениям U₁…U_n /см. фиг.1/. Общее управление деформируемой поверхности мембраны 1 под действием симметрично расположенных и перпендикулярно действующих сил P_i имеет вид:

где W(r,θ) - смещение точек деформируемой поверхности в направлении действия силы P_i;

N - общее число приводов;

D - цилиндрическая жесткость деформируемой мембраны;

b - расстояние от центра деформируемого зеркала до точки приложения силы P_i; θ_i=θ-γ_i, где γ_i - угол, определяющий угловое положение силы P_i, отсчитываемый от некоторого нулевого положения.

Частное решение этого дифференциального уравнения в случае защемления мембраны по наружному контуру определяет прогиб в точке приложения силы P_i:

$$W(r=b,\theta =0)=\frac{Pi}{16\pi D}\frac{{(a^2-b^2)}^2}{a^2}/5/$$

где a - радиус мембраны.

Уравнение /5/ совместно с /3/ позволяет осуществить выбор привода и характеристик мембраны для конкретной реализации деформируемого зеркала. Магнитострикционные втулки 6, используемые в устройстве, имеют длину, обеспечивающую ее колебания на определенной резонансной частоте, которая различна для каждого из сердечников 5 и постоянная для одного сердечника 5 в процессе его работы. Выбор длины втулки осуществляет на основании выражения:

$$f_{рез}=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2\ell $}\right.\sqrt{\frac{E}{[\rho (1{+}^a{/}_{2\ell })]}}/6/$$

где $$\ell$$ - длина стержня;

a - размер стороны излучающей поверхности;

ρ - плотность материала;

E - модуль упругости.

Обмотка возбуждения 8 магнитострикционной втулки 6 выполняет одновременно функции возбуждения и подмагничивания. Подмагничивание линеаризует магнитострикционный эффект. Кроме того, подмагничивание вводится для получения возможно больших механических деформаций, так как оно определяет положение рабочей точки на магнитострикционной кривой. Поэтому, подбирая соответствующее значение напряженности поля подмагничивания, можно задать положение рабочей точки на наиболее крутом участке рабочей характеристики, чтобы возникали максимальные удлинения.

Схема питания обмотки 8 изображена на фиг.5, где:

6 - магнитострикционная втулка,

8 - обмотка возбуждения,

12 - генератор переменного тока,

13 - разделительный конденсатор,

14 - L, C фильтр,

15 - источник постоянного тока.

Криволинейная форма торца сердечника 5 позволяет реализовать определенную, с учетом толщины и жесткости материала мембраны 1, функцию отклика, например, в форме гауссоиды /см. фиг.4/, которая будет иметь строгую локализацию над сердечником 5 и малую полуширину, что обеспечивает минимальную ошибку отработки необходимой формы волнового фронта поверхностью зеркала, и, что не может быть обеспечено, с такой же малой ошибкой, плоским торцом сердечника 5 /см. фиг.3/. Совместная работа силовой обмотки 7 и обмотки 8 возбуждения магнитострикционной втулки 6 приводит к модуляции управляемых деформаций /частота управления 3÷5 кГц/ высокочастотными и низкоамплитудными деформациями /частота 10÷60 кГц/.

Такое построение привода деформируемого зеркала позволяет использовать его в адаптивных системах многоканальной фазовой модуляции, которые используются в системах апертурного зондирования для увеличения интенсивности на облучаемой цепи [см. сб. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А., М., "Мир", 1980, с. 140÷276].

Использование в устройстве обмотки 10 /см. рис.1], расположенной на наружной поверхности кольцевой оправы 3, позволяет осуществлять динамическое управление частотными характеристиками деформируемого зеркала /устранять гистерезис колебаний деформируемой поверхности/ за счет использования принудительного демпфирования мембраны 1, что обеспечивается равномерной нагрузкой на ее поверхность создаваемым внешним электромагнитным полем обмотки 10. Кроме того, демпфирование обмоткой 10 позволяет легко перестраивать интенсивность демпфирования /изменяя Uдемпф./ в сравнении с вязким демпфированием воздухом [патент фирмы "Perkin-Elmer", сб. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А., М., "Мир", 1980, стр.437] или маслом [патент ФРГ №2631551, МКИ³, G02B 5/10].

Значительные преимущества электромагнитного привода в сравнении с электростатическим и пьезоэлектрическим обусловлены, прежде всего, возможностью создавать при совсем малых напряжениях /10÷40 B/ значительные усилия, прикладываемые к деформируемой поверхности. Значительные усилия, создаваемые электромагнитным приводом, позволяют в качестве деформируемых поверхностей мембраны с широким спектром толщин: от самых тонких /0,5÷20 мкм/, требующих предварительного натяжения на жесткий обод, до более толстых /0,5÷5 мм/, обладающих собственной жесткостью. Второй кигс деформируемых элементов более интересен, т.к. значительная толщина позволяет реализовать сеть охлаждающих каналов в ее поверхности.

Технологическое обеспечение строгой компланарности /в начальном положении/ мембраны 1 и плоскости, проходящей через вершины сердечников 5, обеспечивается по некоторому эталону с базовой плоскостью А /см. рис.1/ при помощи юстировочных гаек 9, а необходимый рабочий зазор /0,1÷1,5 мм/ между мембраной 1 и сердечниками 5 реализуется калибровочной шайбой 11.

Отступление от плоскости А калибровочной шайбы 11 не должно превышать λ/20, где λ - длина волны корректируемого излучения.

Задача коррекции фазовых искажений волнового фронта лазерного пучка в общем случае сводится к аппроксимации решений стохастического дифференциального управления распределения фазовых ошибок в лазерном пучке, вызванных атмосферной турбулентностью, решениями дифференциального уравнения деформируемой поверхности с "N" возмущающими действиями /4/. Качество адаптивной системы определяется величиной погрешности возникающей при этой аппроксимации дискретным количеством приводов.

Вид общего решения дифференциального уравнения /4/ определяется способом закрепления мембраны /1/ /начальные условия решения/ как то - шарнирное закрепление, свободное опирание, защемление. Анализ решений дифференциального уравнения /4/ позволил сделать вывод о соответствии определенного способа закрепления требуемым функциональным возможностям деформируемого зеркала.

Так, для целей активной коррекции волнового фронта лазерного пучка /см. фиг.1/, реализации конического сканирования и модуляции ширины диаграммы направленности /см. фиг. 2/ в лазерных передающих системах наиболее эффективным является способ жесткого защемления мембраны 1 по контуру. На фиг.2 показан вариант реализации деформируемого зеркала с защемлением по внутреннему контуру. Такое деформируемое зеркало с защемлением по внутреннему контуру, кроме всего прочего, может быть использовано в качестве большого компонента системы Кассегрена, причем, кроме коррекции лазерного пучка, позволяет осуществлять активное /не на резонансной частоте/ управление диаграммой направленности передающей системы и коническое сканирование ее оптической осью.

Использование деформируемого зеркала с электромагнитными приводами предлагаемого типа позволяет:

1/ существенно снизить напряжение питания /до 40 B/ в сравнении с аналогичными адаптивными зеркалами с пьезокерамическими и электростатическими приводами /~ 1 кВ/;

2/ обеспечить использование широкого спектра толщины деформируемых зеркал /0,5 мкм до 5 мм/; что существенно расширяет класс приложений этого устройства в технике;

3/ значительно уменьшить /в 5 раз/ ошибку отработки формы поверхности зеркала, что обеспечивается криволинейной формой торца сердечника и что приводит к строгой локализации функции отклика деформируемого зеркала над приводом и ее малой полуширине;

4/ реализовать схемы с широкими функциональными возможностями /фазовая коррекция, модуляция диаграммы направленности, коническое сканирование/, что обеспечивается жестким зещемлением мембраны и способом защемления;

5/ улучшить частотные возможности устройства, что обеспечивается управляемым электромагнитным демпфированием.

Деформируемое зеркало может быть использовано в качестве малого /см. фиг.1/ или большого /см. фиг.2/ 2^х зеркальной передающей оптической системы с многоканальной фазовой модуляцией, осуществляющей максимизацию интенсивности на облучаемой цепи. Кроме того, деформируемое зеркало может быть использовано в широком классе оптических систем, где необходимо осуществлять коррекцию искажений волнового фронта в реальном масштабе времени, как то: в прецизионных интерферометрах, лазерных гироскопах, дальномерах, оптических процессорах, технологических установках лазерной резки металла и других устройствах.

Изобретение относится к средствам адаптивной оптики и может быть использовано в оптических передающих системах для коррекции фазовых искажений волнового фронта лазерного пучка. Сущность: деформируемое зеркало содержит отражающую мембрану (1) в оправе (3), защемленную по контуру гайками (2). Мембрана (1) выполнена из магнитострикционного материала и составляет часть замкнутой магнитной цепи, образованной кольцевой оправой. Параллельно оси мембраны (1) установлены сердечники (5) электромагнитов с магнитострикционными втулками (6) резонансной длины. Сердечники (5) со втулками (6) снабжены двумя обмотками, подключенными к источникам переменного тока: обмоткой (7) электромагнитного возбуждения и обмоткой (8) возбуждения магнитострикционной втулки (6). Концы каждого из сердечников (5), обращенные к мембране (1), выполнены в виде выпуклой криволинейной поверхности. Кольцевая оправа (3) снабжена дополнительной электромагнитной обмоткой (10). Технический результат: повышение точности фазовой коррекции за счет минимизации ошибки отработки заданной формы поверхности зеркала, а также увеличение рабочей полосы частот. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Деформируемое зеркало, содержащее отражающую мембрану в оправе, защемленную по контуру, выполненную из магнитного материала и составляющую часть замкнутой магнитной цепи, образованной кольцевой оправой, и установленные параллельно ее оси сердечники и с обмотками, подключенными к независимым источникам переменного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности фазовой коррекции за счет минимизации ошибки отработки заданной формы поверхности зеркала и увеличения рабочей полосы частот, сердечники электромагнитов выполнены с магнитострикционными втулками резонансной длины с обмотками электромагнитного возбуждения и возбуждения магнитострикционной втулки, концы каждого из сердечников, обращенные к мембране, выполнены в виде выпуклой криволинейной поверхности, а кольцевая оправа снабжена дополнительной электромагнитной обмоткой.

2. Деформируемое зеркало по п.1, отличающееся тем, что упрощена конструкция, криволинейная поверхность торца сердечника выполнена сферической.