ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА НА ОСНОВЕ БЕССЕЛЬ ПУЧКОВ

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана преимущественно в миллиметровом и 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 http://laser-http://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.
i
i
Так, при малых искажениях волнового фронта смещение Δx области фокусировки (центров изображений) от оси симметрии микролинзы соответствует направлению распространения (наклона) участка волнового фронта (α: угол относительно оптической оси):
Известен датчик волнового фронта Шака-Гартмана по патенту США (Mark Abitbol et. al. “Apparatus for mapping Optical Elements,” Patent US 5825476, Oct. 20, 1998), устройство классического датчика Шака-Гартмана описано в работе (Shack, R.V. and B.C. Piatt, “Production and Use of a Lenticular Hartmann Screen” J. Opt. Soc. Am., 61, 656 (1971)).
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.
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 (см. Фиг. 1).
Датчик волнового фронта по патенту США 2014/0043599 принят за прототип.
Однако такому датчику волнового фронта присущи следующие недостатки. Известные технологии изготовления микролинзовых растров, особенно в терагерцовом диапазоне, 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.
Кроме того, основными параметрами, определяющими метрологические характеристики датчика волнового фронта Шака-Гартмана, являются размер субапертуры и размер области фокусировки, которые определяют точность и пространственное разрешение данного датчика (Calibration of a Shack Hartman sensor for absolute measurements of wave fronts / U. Sterr, F. Riehle, J. Helmccke, J. Pfund II Applied optics. 2005. Vol. 44. №30. P. 6419-6425). Однако уменьшение диаметра субапертуры приводит к увеличению дифракционной расходимости пучков, что принципиально ограничивает возможности такого подхода. Более того, путь увеличения точности датчика за счет получения пятен меньшего размера с помощью увеличения размера субапертуры приводит к уменьшению пространственного разрешения датчика.
Другой существенный недостаток известных датчиков волнового фронта Шака-Гартмана на основе матрицы микролинз заключается в том, что при сильных искажениях волнового фронта прямолинейный закон смещения центров фокусировки (фокуса) согласно выражению (1) не выполняется, а само дифракционное пятно существенно расширяется из-за аберраций (Физический энциклопедический словарь, «Советская эниклопедия», М. 1960, с. 7-9). Более того, смещение пятна фокусировки в этом случае наблюдается не только вдоль поверхности матрицы приемников (Фиг. 1а, Δx), но и в продольном направлении (Фиг. 1a, Δy). При этом возможна частичная компенсация внеосевых аберраций за счет замены плоской поверхности матричного приемника на криволинейную (Физический энциклопедический словарь, «Советская эниклопедия», М. 1960, с. 9, рис. 3), однако этот путь технологически не приемлем.
Задача заявленной полезной модели - величение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана при значительных искажениях анализируемого волнового фронта в терагерцовом диапазоне за счет уменьшения размера формируемого субапертурой пучка и увеличения его глубины фокуса.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в терагерцовом датчике волнового фронта на основе Бессель пучков, состоящего из делителя волнового фронта в виде растр субапертур, матричного приемника и регистрирующего устройства, субапертуры выполнены в виде преимущественно дифракционных аксиконов.
На фиг. 1 показана блок схема датчика волнового фронта Шака-Гартмана: на фиг. 1а - известного датчика, фиг. 1b - заявляемого. На фиг. 1 обозначены: D - диаметр субапертуры, f - фокусное расстояние, Δx - смещение фокального пятна в поперечном направлении, Δy - смещение фокального пятна в продольном направлении, 1 - положение пятна при неискаженном волновом фронте, 2 - положение пятна при малом искажении волнового фронта, 3, 4 - положение пятна фокусировки при сильном искажении волнового фронта, 5 - Бессель пучок (струя).
На фиг. 2 показаны экспериментальные результаты распределения интенсивности поля вдоль оси для дифракционного аксикона при нормальном падении плоского фронта и под углом 10 градусов.
Заявленный терагерцовый датчик волнового фронта на основе Бессель пучков работает следующим образом.
Излучение проходит через делитель волнового фронта в виде растра субапертур в виде преимущественно дифракционных аксиконов и падает на матричный приемник. Растр субапертур разбивает падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на матричном приемнике в виде протяженных Бессель пучков. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением микролинз матрицы. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то положение Бессель пучков смещаются со своих номинальных значений. Смещение центров изображений по двум ортогональным направлениям пропорционально средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по субапертурам. Схема работы датчика понятна из фиг. 1b.
В предлагаемой полезной модели датчика волнового фронта в качестве микролинз используются преимущественно дифракционные аксиконы и фокусирующие падающий на них участок волнового фронта в так называемую Бессель струю (пучки). Характерной особенностью таких Бессель струй является, в частности, то, что поперечный размер области фокусировки описывается функцией Бесселя, превышающий предельно допустимый размер области фокусировки известных линз не менее, чем в 1.2…1.5 раза, а его протяженность вдоль оптической оси превышает глубину резкости классической линзы в несколько раз как при нормальном падении волнового фронта, так и при падении искаженного участка волнового фронта под углом (Minin I.V., Minin O.V. Scanning properties of the diffractive “LENS-PLUS AXICON” lens in THz // Proc. of the Diffractive Optics 2005, 3-7 September, Warsaw, Poland, URL http://www2.inos.pl/do2005/DO_manuscript/posters/P-015.pdf).
Это существенно улучшает метрологические характеристики заявляемого датчика волнового фронта (уменьшается погрешность метода нахождения центроид и, соответственно, нижний порог чувствительности датчика). При этом поскольку ширина основного пучка у аксикона меньше, чем ширина пучка от круглой микролинзы, следовательно, достигается увеличение точности датчика за счет получения пятен меньшего размера.
Использование таких масок также позволяет уменьшить размер субапертур и реализовать предельно высокое разрешение датчика Шака-Гартмана.
Таким образом, при дифракции излучения (части анализируемого волнового фронта) на отдельной субапертуре в виде преимущественно дифракционного аксикона удается уменьшить величину центрального максимума рассеяния (размер области фокусировки) и увеличить глубину фокуса, что приводит к увеличению точности реконструкции общего вида анализируемого волнового фронта.
Техническим результатом является увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана при значительных искажениях анализируемого волнового фронта в терагерцовом диапазоне за счет уменьшения размера формируемого субапертурой пучка и увеличения его глубины фокуса.