Деформируемое зеркало Советский патент 2016 года по МПК G02B26/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к средствам адаптивной оптики, и предназначено для коррекции волнового фронта оптического излучения в условиях атмосферной турбулентности и других фазоискажающих воздействий.

Известно мембранное зеркало с электростатическим управлением, содержащее корпус, защитное окно с прозрачным электродом и N-управляющих электродов, между которыми размещена металлическая заземленная мембрана с отражающим покрытием, закрепленная по контуру в корпусе. К прозрачному электроду приложено напряжение смещения /U_о/, а к управляющим электродам приложено напряжение U_о±U_N, где U_N - напряжение на N-м электроде, создаваемое сигналом. Если к какому-либо управляющему электроду приложить напряжение U_N, то мембрана отклонится, причем центр деформации локализуется над данным электродом /"Адаптивная оптика", под ред. Э.А. Витриченко, М., 1980 г., стр. 428/.

Известное мембранное зеркало обладает следующими недостатками:

- малый диапазон фазовой коррекции; известно, что диапазон смещения такого зеркала /см. "Адаптивная оптика", под ред. Э.А. Витриченко, 1980 г., стр. 436/ при управляющем напряжении ±200 В равен ±0,3 мкм. Необходимый же диапазон фазовой коррекции должен составлять ±λ, где λ - длина волны рабочего излучения /0,6 мкм ≤ λ ≤ 10,6 мкм/;

- низкая эффективность демпфирования колебаний мембраны, ограничивающая ее частотные возможности. Это определяется малой вязкостью демпфирующее среды, в качестве которой используется атмосферный воздух под различным давлением;

- низкая температурная стабильность положения мембраны, что вызвано флуктуациями давления воздуха при температурных изменениях и, как следствие, изменением кривизны отражающей мембраны.

Известно деформируемое зеркало с электростатическим управлением, выбранное в качестве прототипа, и содержащее корпус, отражающую мембрану, N управляющих электродов на диэлектрической подложке, причем пространство между отражающей мембраной и N управляющими электродами заполнено вязкой демпфирующей жидкостью /Патент ФРГ № 2631551, G02B 5/10/.

Недостатками деформируемого зеркала-прототипа являются:

- низкий диапазон фазовой коррекции - /0,3 мкм/;

- низкая температурная стабильность, что вызвано неравенством коэффициентов теплового расширения демпфирующей жидкости, находящейся с одной стороны мембраны, и воздуха, находящегося с другой стороны мембраны;

- возможность отклонения мембраны лишь в одну сторону в силу одностороннего действия управляющего электростатического поля.

Отсутствие прозрачного электрода в деформируемом зеркале-прототипе сокращает диапазоны фазовой коррекции ровно вдвое. Установка прозрачного электрода перед мембраной является известным признаком /см. мембранное зеркало-аналог/. В связи с этим вводим прозрачный электрод в ограничительную часть заявляемого технического решения.

Целью изобретения является увеличение диапазона фазовой коррекции при одновременном повышении температурной стабильности деформируемого зеркала.

Указанная цель достигается тем, что в деформируемом зеркале, содержащем герметичный корпус, защитное окно с прозрачным электродом, металлическую мембрану с отражающим покрытием, жестко связанную по контуру с корпусом, N управляющих электродов и демпфирующую жидкость, размещенную между отражающей мембраной и управляющими электродами, в пространство между мембраной и прозрачным электродом введена оптически прозрачная жидкость, а участки вне световой зоны прозрачного электрода и отражающей мембраны имеют гидрофобное покрытие.

Сопоставительный анализ с прототипом и существующими аналогами показывает, что заявляемое деформируемое зеркало отличается тем, что пространство между прозрачным электродом - защитным окном и отражающей мембраной заполнено оптически прозрачной жидкостью. Кроме того, авторам не известны аналоги, где для локализации жидкости над отражающей мембраной на периферию мембраны и прозрачного электрода, вне световой зоны, наносят гидрофобное покрытие. Таким образом, заявляемое деформируемое зеркало соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, в данной области техники, не позволило в них выявить признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения заключается в следующем. Диапазон фазовой коррекции определяется оптической разностью хода, вносимой в фазовый профиль корректируемого оптического пучка деформируемым зеркалом. Как известно, оптическая разность хода Δ равна:

где n - показатель преломления,

- длина оптического пути в среде с показателем преломления n.

Следовательно, осуществляя фазовую коррекцию в среде оптически прозрачной жидкости, диапазон фазовой коррекции увеличивается в n раз /n жидкости > n воздуха/. Локализация жидкости в световой зоне деформируемого зеркала обеспечивается гидрофобным покрытием. Такой способ локализации жидкости, объем которой меняется из-за деформаций мембраны, обеспечивает наименьшее сопротивление изгибу мембраны.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена предпочтительная конструктивная реализация деформируемого зеркала.

Деформируемое зеркало содержит /см. чертеж/: герметичный корпус 1, установленное в нем защитное окно 2, с нанесенным на его внутреннюю поверхность оптически прозрачным электродом 3, отражающую заземленную мембрану 4, натянутую с усилием на оправу 5, связанную с корпусом 1, а также N управляющих электродов 6₁…6_N, размещенных на диэлектрическом основании 7, связанном с корпусом 1. Кроме того, вне светового диаметра Д_св /см. чертеж/ по периферии прозрачного электрода 3 и отражающей мембраны 4 нанесено гидрофобное покрытие 8. Пространство между защитным окном 2 и отражающей мембраной 4 заполнено оптически прозрачной жидкостью 9 с высоким показателем преломления, например, коричным маслом /см. Справочник по элементарной физике, Н.И. Кошкин, 1975 г., стр. 208/ с n=1, 6, а пространство между управляющими электродами 6₁…6_N и отражающей мембраной 4 заполнено демпфирующей жидкостью 10, например трансформаторным маслом.

Предлагаемое деформируемое зеркало работает следующим образом. После приложения питающего напряжения U₁…U_N к управляющим электродам 6₁…6_N в результате действия электростатических сил, отражающая мембрана 4 изгибается определенным образом. При этом к прозрачному электроду 3 приложено напряжение смещения U_о. Отраженный пучок приобретает фазовую модуляцию в соответствии с прогнутым профилем отражающей мембраны 4. Диапазон фазовой коррекции при этом равен , где Δ - диапазон фазовой коррекции, n - показатель преломления жидкости 9, а - смещение соответствующей точки мембраны 4 от первоначального /плоского/ положения. При работе устройства объем жидкости 9 в пространстве между отражающей мембраной 4 и защитным окном 2 постоянно меняется вследствие колебаний мембраны. С целью компенсации колебаний объема жидкости 9 объем пространства между окном 2 и мембраной 4 несколько больше объема жидкости 9. Для обеспечения локализации жидкости 9 в области световой зоны деформируемого зеркала, края защитного окна 2 и мембраны 4 /вне световой зоны/ покрыты гидрофобной пленкой, которая не смачивается жидкостью 9. Вследствие несмачиваемости по периметру жидкости 9 образуются мениски 11. При увеличении давления жидкости 9 мениск 11 увеличивает свою кривизну /на чертеже показано контуром/ и надвигается на участки мембраны 4 и окна 2, покрытых гидрофобной пленкой. Когда давление становится первоначальным, жидкость 9 "скатывается" с гидрофобной пленки в первоначальное положение. В качестве гидрофобной пленки может использоваться мелкодисперсная сера.

Для герметичной фиксации защитного окна 2 и диэлектрического основания 7 в корпусе 1 используется эпоксидный клей 12. Для компенсации теплового расширения защитного стекла 2 и диэлектрического основания 7 в корпусе по периметру их установки размещены прокладки 13. Для компенсации перепадов давления воздуха между защитным окном 2 и отражающей мембраной 4 в корпусе имеется отверстие 14 ⌀ 0,1÷0,2 мм.

В предпочтительной реализации конструкции зеркала прозрачный электрод 3 выполнен в виде токопроводящего покрытия SnO₂ /обозначение ЗЗГ, см. "Справочник конструктора оптико-механических приборов", Л., "Машиностроение", 1980 г., стр. 555/. Зазор между прозрачным электродом 3 и мембраной 4, а также между мембраной 4 и диэлектрическим основанием 7 равен 100 мкм. Отражающая мембрана 4 выполнена из титана ВТ-5 и имеет толщину 15 мкм. Диэлектрическое основание 7 изготовлено из кварцевого стекла КВ, а управляющие электроды 6₁…6_N вплавлены в диэлектрическое основание 7 и выполнены из инвара, имеющего близкий к кварцевому стеклу показатель теплового расширения. Использование в заявляемом деформируемом зеркале оптически прозрачной жидкости, размещенной перед отражающей мембраной, позволяет в n раз увеличить диапазон фазовой коррекции /n - показатель преломления жидкости/. Кроме того, использование оптически прозрачной жидкости, размещенной перед отражающей мембраной, приводит к повышению температурной стабильности, т.к. коэффициенты теплового расширения двух жидкостей могут быть подобраны более близкими, чем жидкости и газа, как это имеет место в прототипе.

Использование изобретения позволяет повысить диапазон коррекции и температурную стабильность деформируемых мембранных зеркал.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к средствам адаптивной оптики, и предназначено для коррекции волнового фронта оптического излучения в условиях атмосферной турбулентности и других фазоискажающих воздействий. Сущность: зеркало содержит герметичный корпус (1), защитное окно (2) с прозрачным электродом (3), отражающую металлическую мембрану (4), жестко связанную по контуру с корпусом (1), а также управляющие электроды (6). Между отражающей мембраной (4) и управляющими электродами (6) размещена демпфирующая жидкость (10). В пространство между отражающей мембраной (4) и прозрачным электродом (3) введена оптически прозрачная жидкость (9). На участки вне световой зоны прозрачного электрода (3) и отражающей мембраны (4) нанесено гидрофобное покрытие (8). Технический результат: увеличение диапазона фазовой коррекции, повышение температурной стабильности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Деформируемое зеркало, содержащее герметичный корпус, защитное окно с прозрачным электродом, металлическую мембрану с отражающим покрытием, жестко связанную по контуру с корпусом управляющих электродов и демпфирующую жидкость, размещенную между отражающей мембраной и управляющими электродами, отличающееся тем, что, с целью увеличения диапазона фазовой коррекции и повышения температурной стабильности, в пространство между мембраной и прозрачным электродом введена оптически прозрачная жидкость, а на участки вне световой зоны прозрачного электрода и отражающей мембраны нанесено гидрофобное покрытие.

2. Деформируемое зеркало по п.1, отличающееся тем, что в качестве демпфирующей, оптически прозрачной жидкости и гидрофобного покрытия применены соответственно трансформаторное масло, коричное масло и мелкодисперсная сера.