Адаптивное зеркало на основе фазоизменяемых материалов

Полезная модель относится к адаптивной оптике, в частности к конструкциям активных зеркал, и может быть использована в адаптивных оптических системах, предназначенных для компенсации искажений волнового фронта светового излучения, а также управления параметрами распределения интенсивности.
Известны конструкции гибких адаптивных зеркал, которые выполняются в виде мембраны с прикрепленными к ней актюаторами. Недостатками таких зеркал являются, малые габариты изготавливаемых зеркал, наличие перекрестных связей между приводами и сложность изготовления.
Известно полупассивное биморфное многослойное гибкое зеркало [1]. 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 пьезоспоев обладает крупноячеистой структурой, что не позволяет его шлифовать для получения отражающей поверхности хорошего качества.
Известен способ управления профилем волнового фронта светового пучка, когда апертура светового пучка делится на субапертуры [2]. Каждая субапертура представляет собой жидкокристаллическую ячейку, ограниченную индивидуальным и общим прозрачными электродами. Величина приложенного к индивидуальному электроду напряжения задает значение фазовой задержки между обыкновенной и необыкновенной световыми волнами за счет электрооптического S-эффекта. Проходящий через такой корректор световой пучок с линейной поляризацией, совпадающей с начальной ориентацией молекул жидкого кристалла, приобретает фазовую задержку в соответствии с распределением напряжений на индивидуальных электродах. Качество управления профилем волнового фронта определяется числом индивидуальных электродов.
Недостаток известного способа состоит в ограниченности набора возможных фазовых профилей, так как для получения сложных профилей фазы и коррекции астигматизма, комы и других аберраций высшего порядка необходимо увеличить число управляющих контактов. Однако распределение модуля электрического поля в центре активной апертуры практически не меняется. Это вызвано взаимным влиянием соседних проводящих контактов, создающих утечку электрического напряжения без участия центральной области.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является адаптивное зеркало [3]. Это зеркало включает основание, выполненное в виде пластины и находящееся с одной стороны в контакте с активным покрытием, а с другой стороны в контакте с набором электромеханических преобразователей из сегнетоэлектрической керамики, снабженных управляющими электродами. Причем пластина изготовлена из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, электромеханические преобразователи выполнены в теле пластины, а управляющие электроды нанесены на вторую поверхность пластины и представляют собой фрактальные фигуры.
Недостатком известного зеркала является то, что использование электромеханических преобразователей для воздействия на пластину из сегнетоэлектрической керамики не позволяет осуществлять быструю и локальную деформацию отдельных элементов, при этом конструктивно ограничивается размер таких элементов. Указанные недостатки в итоге приводят к ограничению возможных минимальных и максимальных значений апертуры адаптивного зеркала.
Технической задачей настоящей полезной модели является преодоление указанных недостатков.
Техническим результатом является создание зеркала, снабженного исполнительным механизмом, обеспечивающим работу в режиме высокого быстродействия с последующей локальной коррекцией на низкой скорости, но с повышенной точностью.
Поставленные техническая задача и технический результат достигаются в результате того, что в адаптивном зеркале, включающем основание, находящееся с одной стороны в контакте с активным покрытием, а с другой стороны в контакте с набором преобразователей, активное покрытие состоит из фазоизменяемого материала, а набор преобразователей выполнен в виде массива нагревательных элементов, распределенных по площади основания адаптивного зеркала равномерно или другим заранее заданным образом.
Основание выполняется в виде пластины из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например, сапфира или алмаза, а в качестве фазоизменяемого материала используют селениды, теллуриды, антимониды, а также оксиды и халькогениды переходных металлов. Адаптивное покрытие может состоять из нескольких слоев и на него возможно нанесение защитного прозрачного покрытия. Набор нагревающих элементов может выполняется в виде распределенного массива лазерных диодов поверхностного излучения с вертикальным резонатором или в виде наборного блока твердотельных лазерных излучателей. Адаптивное зеркало может дополнительно снабжаться лазерным излучателем с массивом микрозеркал или лазерным излучателем с системой управляемых гальванических зеркал.
В отличие от прототипа, в котором пластина деформируется под воздействием электромеханических преобразователей, управление адаптивным зеркалом в предлагаемой полезной модели производят путем теплового воздействия на элементы активного покрытия (локальный нагрев с помощью нагревательных элементов и/или путем облучения лазером)
Полезная модель поясняется схематическими рисунками, представленными на фигурах.
Фиг. 1 - схематическое изображение адаптивного зеркала;
Фиг. 2 - схематическое изображение функционирования зеркала при использовании дополнительного нагрева активного покрытия путем применения лазера и микрозеркал.
Фиг. 3 - схематическое изображение функционирования зеркала при использовании дополнительного нагрева активного покрытия путем применения лазера и гальванических зеркал.
Фиг. 4 - фронтальный вид активного покрытия со схемой расположения условных элементов нагрева.
Устройство содержит основание в виде пластины 1, на одну из сторон которой нанесено активное покрытие 2 из фазоизменяемого материала. С другой стороны пластины размещен набор преобразователей, выполненный в виде массива нагревательных элементов 3. Эти элементы распределяют по площади пластины равномерно или другим заранее заданным образом. Тепловые потоки от этих элементов к покрытию 2 показаны стрелками. Пластина изготовляется из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например, сапфира или алмаза, а в качестве фазоизменяемого материала используют селениды, теллуриды, антимониды, а также оксиды и халькогениды переходных металлов. Активное покрытие 2 может быть выполнено из нескольких слоев и иметь защитное прозрачное покрытие. Массив нагревательных элементов 3 может быть выполнен в виде распределенного массива лазерных диодов поверхностного излучения с вертикальным резонатором или в виде наборного блока твердотельных лазерных излучателей. Для дополнительного нагрева активного покрытия может применяться лазерный излучатель 4 с массивом микрозеркал 5 (фиг. 2) или лазерный излучатель с системой управляемых гальванических зеркал 6 (фиг. 3). Поверхность активного покрытия 2 делится на условные элементы 7 (фиг. 4), под которыми находятся нагревательные элементы из массива 3. Лазерный излучатель 4 с массивом микрозеркал 5 воздействует на адаптивное зеркало, образуя зону теплового воздействия 8. При использовании системы управляемых гальванических зеркал 6 путь пучка лазерного излучения показан стрелкой 9 (фиг. 4).
Устройство работает следующим образом. Начальная установка параметров коррекции задается энергетическим воздействием от массива нагревательных элементов 3, равномерно или специальным образом распределенных по площади адаптивного оптического зеркала с заданным для каждого элемента режимом работы (время воздействия, энергия воздействия). Таким воздействием на основании данных от датчика волнового фронта задается локальное изменение оптических свойств адаптивного зеркала, состоящего из активного покрытия 2 на основе фазоизменяемых материалов на пластине 1. Пластина 1 при этом используется, в том числе, как теплоотводящий элемент. Управление локального изменения оптических свойств активного покрытия массивом нагревательных элементов осуществляется бесконтактно под воздействием лазерного (светового) излучения на покрытие, которое за счет поглощения энергии излучения греется и меняет свое фазовое состояние, а также показатель преломления. Активное покрытие 2 условно разделяется на условные элементы 7 по количеству нагревающих элементов из массива 3.
Возможно высокоточное изменение оптических параметров зеркала с помощью дополнительного воздействия на покрытие 2 лазерным лучом от излучателя 4 (фиг. 2). Интенсивность и распределение пучка излучения контролируется заранее заданными параметрами отражающего элемента на основе матрицы микрозеркал 5, при этом на активном покрытии 2 образуется область воздействия 8, охватывающая все условные элементы 7.
Также возможно высокоточное изменение оптических параметров зеркала с помощью дополнительного воздействия от излучателя 4 на активное покрытие 2 лазерным лучом (фиг. 3), отклоняющегося системой гальванических зеркал 6. Путь сканирования условных элементов 7 такой системой показан стрелкой 9 (фиг. 4).
Предлагаемое техническое решение обеспечивает быстрое и независимое изменение оптических свойств адаптивного зеркала в результате использования активного покрытия на основе фазоизменяемых материалов. Полезная модель является промышленно применимой, так как при ее реализации используют известные и апробированные компоненты, такие как матрицы резистивных микронагревателей, лазерные диоды поверхностного излучения с вертикальным резонатором, твердотельные лазерные излучатели и другие лазерные излучатели, а также матрицы микрозеркал и гальванические зеркала.
Хотя данное техническое решение описано конкретным примером его реализации, это описание не является ограничивающим, но приведено лишь для иллюстрации и лучшего понимания существа технического решения, объем которого определяется прилагаемой формулой.
Источники информации
1. Патент RU 2.313.810 С2, «Полупассивное биморфное многослойное гибкое зеркало», МПК G02B 5/08, опубл. 27.12.2007.
2. G.D. Love. «Wave-frontcorrectionandproductionofZernikemodeswithaliquid-crystalspatiallightmodulator», Appl. Optics, 1997, Vol. 36, 7, pp. 1517-1524.
3. Патент RU 2.186.412 C1 «Адаптивное зеркало», МПК G02B 5/10, G02A 1/29, опубл. 27.07.2002.