Деформируемое зеркало
DEFORMABLE MIRROR

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.
о
о
N
N
N
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/, а к управляющим электродам приложено напряжение U±U, где U - напряжение на N-м электроде, создаваемое сигналом. Если к какому-либо управляющему электроду приложить напряжение U, 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.
1
N
св
1
N
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 6…6, размещенных на диэлектрическом основании 7, связанном с корпусом 1. Кроме того, вне светового диаметра Д /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 6…6 и отражающей мембраной 4 заполнено демпфирующей жидкостью 10, например трансформаторным маслом.
1
N
1
N
о
Предлагаемое деформируемое зеркало работает следующим образом. После приложения питающего напряжения U…U к управляющим электродам 6…6 в результате действия электростатических сил, отражающая мембрана 4 изгибается определенным образом. При этом к прозрачному электроду 3 приложено напряжение смещения U. 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.
2
1
N
В предпочтительной реализации конструкции зеркала прозрачный электрод 3 выполнен в виде токопроводящего покрытия SnO /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 6…6 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.