СУБВОЛНОВОЙ ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана в оптическом, миллиметровом и преимущественно терагерцовом диапазонах.
Датчик волнового фронта (ДВФ) является одним из элементов адаптивной системы корректировки излучения. Его задача - измерять кривизну волнового фронта и передавать эти измерения на обрабатывающее устройство. Сегодня одним из самых распространенных датчиков волнового фронта оптического диапазона является датчик Шака-Гартмана (см. например, «Датчики волнового фронта» URL portal.ru/content_706).
Принцип действия датчика заключается в том, что с помощью делителя волнового фронта вырезаются узкие пучки падающего волнового фронта. Когда волновой фронт отличен от плоского фронта, мы получаем поперечное смещение положения сфокусированных пятен относительно отверстий диафрагмы. Измерения положений центров пятен дают локальные наклоны волновых фронтов.
Известен датчик волнового фронта Шака-Гартмана (патент США 2014/0043599 A1 от 13 февраля 2014 г, G01J 9/00 (2006.01)), состоящего делителя волнового фронта в виде матрицы микролинз, матричного приемника и регистрирующего устройства, работающих в оптическом диапазоне. Также в патенте США (Mark Abitbol et. al. “Apparatus for mapping Optical Elements,” Patent US 5825476, Oct. 20, 1998) описано устройство классического датчика Шака-Гартмана (Shack, R.V. and B.C. Platt, “Production and Use of a Lenticular Hartmann Screen” J. Opt. Soc. Am., 61, 656 (1971)).
Принцип работы такого датчика волнового фронта Шака-Гартмана состоит в том, что излучение проходит через линзовый растр - матрицу микролинз - и падает на матричный приемник. Линзовый растр состоит из идентичных линз (или иногда называемых субапертурой). Они разбивают падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на матричном приемнике, в оптическом диапазоне обычно ПЗС-матрице. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением линз. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то изображения смещаются со своих номинальных значений. Смещение центров изображений по двум ортогональным направлениям пропорционально средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по субапертурам.
Однако такому датчику волнового фронта присущи недостатки, основной из которых заключается в том, что известные технологии изготовления микролинзовых растров несовершенны. Особенно следует отметить низкую повторяемость параметров создаваемых микролинз со сферической формой поверхности (Тараненко В.Г., Шинин О.И. Адаптивная оптика в приборах и устройствах. М.: ФГУП «Цнииатоминформ», 2005). Более того, в терагерцовом диапазоне выбор материала для диэлектрических линз ограничен, а реализация такой матрицы микролинз связано со значительными технологическими трудностями.
Известен датчик волнового фронта оптического или ИК диапазона, состоящий из делителя волнового фронта, представляющего собой растр в виде маски с отверстиями, приемника излучения матричного типа, представляющего собой ПЗС матрицу для видимого диапазона и пиро- или термо- камеру для ИК диапазона, (Патент на полезную модель. Устройство для измерения волнового фронта Ru 58702 МПК G01J11/00 (2006.01)).
В терагерцовом и оптическом диапазоне известны датчики волнового фронта, состоящие из делителя волнового фронта, представляющего собой растр, выполненный в виде маски с круглыми отверстиями, матричного приемника и регистрирующего устройства (М. Cui, J.N. Hovenier, Y. Ren, A. Polo, and J.R. Gao. Terahertz wavefronts measured using the Hartmann sensor principle // 18 June 2012 / Vol. 20, No. 13 / OPTICS EXPRESS 14380; H. Richter, , , J. Pfund, M. Wienold et al. Terahertz wavefront measurement with a Hartmann sensor // Appl. Phys. Lett. 101, 031103 (2012); doi: 10.1063/1.4737164).
Растр субапертур представлял собой экран с матрицей из круглых отверстий диаметром D=0.5 мм (5 длин волн) и расстоянием между ними g=1 мм. Фокусное расстояние составляло F=24 мм на частоте 3 ТГц (длина волны 100 микрон).
Датчик волнового фронта по данному устройству принят за прототип.
Однако таким датчикам волнового фронта, несмотря на их простоту реализации по сравнению с датчиком на основе микролинз, присущи следующие недостатки.
Каждый элемент маски, называемый субапертурой (в данном случае - отверстие круглой формы), действует как микролинза и формирует (фокусирует) на оптически сопряженном с ним участке матричного приемника пятно малых размеров, называемое функцией рассеяния. По смещению центров тяжести функций рассеяния судят о локальном наклоне контролируемого волнового фронта. Для реализации высокого пространственного разрешения при контроле волнового фронта с помощью таких датчиков требуется сокращать расстояние между смежными субапертурами. При этом, для сохранения заданного динамического диапазона и точности при контроле волнового фронта по сигналу от матричного приемника, необходимо обеспечить быстрое затухание функций рассеяния на периферии участков матричного приемника, сопряженных со смежными субапертурами масок. Это обусловлено тем, что близкое положение открытых участков субапертур и когерентное наложение остаточных паразитных «хвостов» функций рассеяния от смежных субапертур на локальный профиль функции рассеяния в окрестности центра его тяжести приводят к существенным интерференционным эффектам (перекрестным помехам), модулирующим амплитуду и форму основного пика. Таким образом, ухудшается качество контроля волнового фронта по сигналам от фрагментов матричного приемника, сопряженных только со своими субапертурами.
При этом такой интерференционный эффект имеет место как для субапертур выполненных в виде микролинз, так и круглых отверстий в экране. При этом расстояние между центрами двух соседних субапертур в датчике согласно прототипа, составляет не менее диаметра отдельной субапертуры, т.е. 5 длин волн. С другой стороны, продольные габариты известного датчика определяются в первую очередь фокусным расстоянием микролинзы и составляет 24 длины волны.
Задача заявленной полезной модели - увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана в оптическом и терагерцовом диапазоне за счет уменьшения размера субапертур и минимизации интерференционных эффектов субапертур при уменьшении продольных габаритов датчика.
Решение поставленной задачи достигается тем, что субволновой датчик волнового фронта, состоит из делителя волнового фронта, представляющего собой растр субапертур, матричного приемника и регистрирующего устройства, субапертуры выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи и расположенных в шахматном порядке, а регистрирующее устройство расположено в области максимальной концентрации энергии фотонной струи вдоль направления ее распространения.
При этом мезоразмерная диэлектрическая частица (субапертура) выполняется в виде квадратного кубического элемента из диэлектрического материала с относительным показателем преломления от 1.2 до 1.78 и размером грани Nλ, где λ - соответственно длина волны анализируемого излучения, N - целое число, равное 1, 2, 3, ….
На Фиг. 1 показана блок схема датчика волнового фронта Шака - Гартмана.
На фиг. 1 обозначены: D - диаметр субапертуры, f - фокусное расстояние, Δx - смещение фокального пятна.
На Фиг. 2 показана маска делителя волнового фронта в виде матрицы диэлектрических квадратных субапертур.
На Фиг. 3 показаны результаты моделирования на основе численного решения уравнений Максвелла фокусировки анализируемого излучения матрицей диэлектрических квадратных субапертур в изометрическом виде (слева) и в фокальной плоскости (справа).
Заявленный терагерцовый датчик волнового фронта работает следующим образом (фиг. 1).
Излучение проходит через делитель волнового фронта в виде растра субапертур в виде мягких диафрагм и падает на матричный приемник. Растр субапертур разбивает падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на матричном приемнике. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением линз. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то изображения смещаются со своих номинальных значений. Смещение центров изображений по двум ортогональным направлениям пропорционально средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по субапертурам.
Для снижения указанных интерференционных эффектов требуется провести выбор оптимальной структуры масок датчика Шака-Гартмана. При этом, искомая структура должна обеспечить одновременно как быстрое затухание «хвостов» функции рассеяния (подавление паразитных дифракционных максимумов), так и минимизацию эффективного поперечного размера этой функции. При этом необходимо одновременно обеспечить минимальное значение величины апертуры отдельных субапертур при максимальном разрешении (минимальной ширине функции рассеяния.
В предлагаемой полезной модели субволнового датчика волнового фронта в качестве растра субапертур, обеспечивающих одновременно как быстрое затухание «хвостов» функции рассеяния, так и минимизацию эффективного поперечного размера этой функции при минимальном диаметре субапертуры, используется растр трехмерных диэлектрических частиц, формирующих т.н. фотонные струи (Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and nonsymmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002 / andp. 201500132).
Использование таких масок позволяет, уменьшить размер субапертур до мезоразмера (характерный размер субапертуры равен длине волны анализируемого излучения) и реализовать предельно высокое разрешение датчика Шака-Гартмана, с шагом субапертур порядка длины волны.
Среди всего многообразия субапертур в виде диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы, формирующих фотонные струи (Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002 / andp. 201500132), наиболее просто и технологично в оптическом и терагерцовом диапазоне длин волн реализуются субапертуры на основе квадратных диэлектрических частиц (фиг. 2).
Например, кубические диэлектрические микрочастицы (субапертуры) с оптическим контрастом показателя преломления (отношение показателя преломления материала частицы к показателю преломления среды, где расположена частица) от 1.2 до 1.78 и диаметром (размером грани), кратном длине волны анализируемого излучения позволяют сформировать указанные фотонные струи с поперечным размером, меньшим классического дифракционного предела (Фиг. 3) [V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243]. Такие микрочастицы обладают субдифракционным поперечным размером области фокусировки (фотонной струи) до одной четверти длины волны при длине фотонной струи (в свободном пространстве) до единиц длины волны.
Для классических идеальных микролинз поперечный размер области фокусировки вследствие фундаментальных дифракционных ограничений не может быть меньше половины длины волны (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973). Поскольку ширина фотонной струи меньше, чем это дает дифракционный предел (линза), то точность локализации анализируемого волнового фронта увеличивается. Соответственно, увеличивается и точность самого субволнового датчика волнового фронта.
Кроме того, применение в качестве субапертуры диэлектрической микрочастицы, формирующей фотонную струю, например, кубической формы, позволяет обеспечить фокусировку излучения непосредственно у поверхности микрочастицы (Фиг. 3), что фактически позволяет уменьшить продольные габариты устройства, связанные с фокусным расстоянием классических микролинз, практически до нуля (доли длины волны). Такое снижение продольных габаритов по устройствам согласно прототипа и аналогов принципиально не возможно.
Таким образом, при дифракции излучения (части анализируемого волнового фронта) на матрице кубических субапертур, расположенных в шахматном порядке удается существенно уменьшить величину боковых максимумов рассеяния (Фиг. 2-3), что приводит к увеличению точности реконструкции общего вида анализируемого волнового фронта.
Шаг дискретизации анализируемого волнового фронта составляет размер элементарной субапертуры, равной длине волны анализируемого излучения, что существенно меньше всех известных технических решений. По сравнению с прототипом, шаг дискретизации анализируемого волнового фронта в заявляемой полезной модели уменьшился в 5 раз, продольные габариты (фокусное расстояние) - в 20 раз.
Техническим результатом является увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана в оптическом и терагерцовом диапазоне за счет минимизации размера субапертур и интерференционных эффектов субапертур при уменьшении продольных габаритов датчика.