СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И КОМПЕНСАЦИИ АСТИГМАТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ФРОНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR FORMATION AND COMPENSATION OF ASTIGMATIC WAVE FRONT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу формирования и компенсации астигматического волнового фронта и к устройству для осуществления этого способа.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известны устройства формирования и компенсации астигматического волнового фронта на основе комбинаций цилиндрических и телескопических линз (например, Андреев Л.Н., Дегтярева Г.С. Афокальный компенсатор аберраций // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, №8. С. 621-624). Такие устройства неприемлемы в системах, где нужно избежать механических перемещений.
Из существующего уровня техники известны управляемые жидкокристаллические линзы, которые могут использоваться для формирования волновых фронтов заданной формы, в частности, цилиндрические [С. 77. Котова, М.Ю. Локтев, А.Ф. Наумов, А.В. Парфенов, Т.Н. Сапцина. «Управление фазовым пропусканием жидкокристаллической линзы». Вестник СамГУ, 2(4), стр. 167-173 (1997),] и сферические [Е.Г. Абрамочкин, Ф.Ф. Васильев и др. «Управляемая жидкокристаллическая линза», препринт ФИАН, 194, Москва, 1988, 18 с.; Г.В. Вдовин, И.Р. Гуралъник, С.П. Котова и др. «Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. I. Теория, II. Численная оптимизация и эксперимент» // Квантовая электроника, 26, №3, 1999, с. 256-264)] волновые фронты, управление формой которых осуществляется без каких-либо механических напряжений за счет изменения амплитуд и частот прикладываемых напряжений. Однако такая линза не позволяет формировать и корректировать произвольный астигматический волновой фронт.
Известны жидкокристаллические устройства, позволяющие формировать волновые фронты заданной формы и корректировать аберрации волнового фронта, в том числе формировать астигматический волновой фронт и корректировать астигматизм - это так называемые корректоры волнового фронта с модальным принципом управления [Naumov A F 1993 Modal wavefront correctors Proc. P.N. Lebedev Physical Institute, 217, 177-182], недостатком которых является необходимость использования большого количества (нескольких десятков) контактных электродов.
Динамический способ управления профилем волнового фронта светового пучка и устройство для его реализации (в вариантах) предложены в патенте РФ №2214617 (опубл. 20.10.2003). Устройство позволяет реализовать различные типы волновых фронтов, в том числе астигматический волновой фронт, однако особенностью способа формирования волновых фронтов с помощью данного устройства является необходимость подавать напряжение последовательно в течение некоторого времени t на различные пары используемых контактных электродов. Это накладывает ограничения на используемые жидкие кристаллы, поскольку для реализации подобного способа время включения должно быть много больше времени выключения электрооптического эффекта в жидком кристалле.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является жидкокристаллический (ЖК) фокусатор (четырехканальный ЖК модулятор) (Котова С.П., Патлань В.В., Самагин С.А. Перестраиваемый жидкокристаллический фокусатор. 1. Теория; 2. Эксперимент // Квантовая электроника, 2011, т. 41. №1, с. 58-70), который представляет собой устройство, реализованное на основе скрещенных подложек цилиндрических модальных ЖК линз, объединенных в одну конструкцию. На стеклянные подложки наносятся прозрачные высокоомные покрытия (поверхностное сопротивление от 100 кОм/квадрат и до единиц МОм/квадрат) и низкоомные непрозрачные полосковые контакты. Подложки располагаются так, чтобы их контактные электроды были перпендикулярны друг другу. Между подложками заключен слой нематического жидкого кристалла, толщина которого задается прокладками, а первоначальная планарная ориентация - нанесенными на подложки ориентирующими покрытиями. Управляя амплитудами и фазами потенциалов, прикладываемых к контактам устройства, можно изменять распределение электрического напряжения по апертуре. Под действием напряжения в ЖК слое происходит переориентация молекул (S-эффект). Это приводит к изменению пространственного распределения фазовой задержки, вносимой ЖК слоем в проходящую световую волну. Устройство позволяет реализовать фокусировку излучения в точку и отрезок, а также формировать световые поля с распределением интенсивности в заданной плоскости в виде колец, эллипсов и С-образные световые поля. За счет изменения прикладываемых напряжений можно изменять положение сформированного поля, его размеры, а также форму (например, от кольца к эллипсу и наоборот). Этот ЖК фокусатор характеризуется возможностью работать при достаточно высоких плотностях мощности излучения, падающего на фокусатор (эксперименты проводились при плотностях мощности излучения до 30 Вт/см), простотой и компактностью устройства и системы управления и, как следствие, более низкой стоимостью системы по сравнению с коммерческими многопиксельными ПМС. Недостатком рассматриваемого устройства является невозможность с его помощью формировать и компенсировать произвольный астигматический волновой фронт.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение решает задачу формирования и компенсации астигматического волнового фронта. При этом, помимо расширения арсенала технических средств, обеспечивается хорошая энергетическая эффективность, широкий рабочий спектральный диапазон и технологичность изготовления простого и компактного устройства и системы его управления.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ формирования астигматического волнового фронта, заключающийся в том, что: наносят на каждую из первой и второй прозрачных подложек прозрачное высокоомное покрытие; наносят на края каждой из прозрачных подложек непрозрачные низкоомные покрытия, соединенные с прозрачным высокоомным покрытием, формируя тем самым на каждой из прозрачных подложек четыре контактных электрода; наносят ориентирующее покрытие на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды на каждой из прозрачных подложек; располагают прозрачные подложки на заданном расстоянии одна от другой с обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями так, чтобы высокоомные прозрачные покрытия были повернуты на угол 45° друг относительно друга, формируя таким образом октогональную апертуру; размещают между прозрачными подложками слой нематического жидкого кристалла; подают на контактные электроды на обеих прозрачных подложках такие переменные потенциалы, чтобы действующее значение напряжения между подложками было в пределах линейного участка вольт-фазной характеристики, для формирования между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределения напряжения и профиля фазовой задержки в виде поверхностей гиперболического параболоида, угол поворота которых относительно центра апертуры и глубина прогиба определяется приложенными потенциалами, что и обеспечивает формирование астигматического волнового фронта с различной угловой ориентацией и величиной астигматизма.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что на пару противоположных контактных электродов первой прозрачной подложки могут подавать потенциалы равной амплитуды, на другую пару противоположных контактных электродов этой же подложки могут подавать потенциалы также равной амплитуды, но отличающиеся по величине от потенциалов первой пары, фазы потенциалов, поданных на контакты первой подложки равны, а на контактные электроды второй прозрачной подложки подают потенциалы с амплитудами, равными для противоположных контактов, но отличающимися между соседними контактами, а разность фаз потенциалов, приложенных к контактам первой и второй подложек, равна π.
Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что размеры контактных электродов, наносимых на края каждой из прозрачных подложек, могут быть меньше размеров половины апертуры устройства (линейного размера нанесенного высокоомного покрытия) - предпочтительное соотношение ширин контактного электрода и апертуры устройства составляет 0,45.
Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что перед нанесением ориентирующего покрытия на одну из прозрачных подложек на ее высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах могут размещать диэлектрическое зеркало.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для формирования и компенсации произвольного астигматического волнового фронта, содержащее: первую прозрачную подложку с нанесенными на нее прозрачным высокоомным покрытием и низкоомными непрозрачными покрытиями, соединенными с высокоомным прозрачным покрытием на противоположных краях первой прозрачной подложки, с формированием четырех контактных электродов, при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; вторую прозрачную подложку с таким же прозрачным высокоомным покрытием и такими же контактными электродами, причем прозрачное высокоомное покрытие и контактные электроды повернуты на угол 45° друг относительно друга, формируя таким образом октогональную апертуру; при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; слой нематического жидкого кристалла заданной толщины, размещенный между первой и второй прозрачными подложками; при этом контактные электроды на обеих прозрачных подложках предназначены для подачи на них переменных потенциалов для формирования между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределения напряжения и профиля фазовой задержки в виде поверхности гиперболического параболоида, угол поворота которых относительно центра апертуры и глубина прогиба определяется приложенными потенциалами, что и обеспечивает формирование астигматического волнового фронта с различной угловой ориентацией и величиной астигматизма.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что пара противоположных контактных электродов первой прозрачной подложки может быть предназначена для подачи потенциалов равных амплитуд и равных фаз, другая пара противоположных контактных электродов этой же подложки может быть предназначена для подачи потенциалов также равных амплитуд, но отличающихся по величине от потенциалов первой пары, и с фазами, равными фазам потенциалов на контактах первой подложки, а контактные электроды второй прозрачной подложки предназначены для подачи потенциалов с амплитудами, равными для противоположных контактов, но отличающимися между соседними контактами, и с фазами, отличающимися на π от фаз потенциалов, приложенных к контактам первой подложки.
Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что размеры контактных электродов, наносимых на края каждой из прозрачных подложек, могут быть меньше размеров половины апертуры устройства (линейного размера нанесенного высокоомного покрытия) - предпочтительное соотношение ширин контактного электрода и апертуры устройства составляет 0,45.
Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что на высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах одной из прозрачных подложек может быть размещено диэлектрическое зеркало.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена условная структурная схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 2 и 3 схематически показано размещение электродов на разных прозрачных подложках устройства по Фиг. 1.
На Фиг. 4-6 показаны распределения напряжения по апертуре в устройстве по Фиг. 1 для разных соотношений амплитуд и фаз согласно таблицам 1-3, соответственно.
На Фиг. 7-9 приведены распределения фазовой задержки по апертуре в устройстве по Фиг. 1 для разных соотношений амплитуд и фаз согласно таблицам 1-3, соответственно.
На Фиг. 10-12 представлены поляризационные интерферограммы, иллюстрирующие распределение фазовой задержки по Фиг. 7-9, соответственно.
На Фиг. 13-15 показаны примеры распределения интенсивности светового поля, формируемого на разных расстояниях от устройства по Фиг. 1 для разных соотношений амплитуд и фаз согласно таблицам 1-3, соответственно.
Подробное описание вариантов осуществления
Способ по первому объекту настоящего изобретения может быть реализован с помощью устройства по второму объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 1 представлена условная структурная схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Такое устройство содержит первую и вторую прозрачные подложки, условно показанные на Фиг. 1 в виде бледных параллелепипедов, имеющих ссылочные позиции 1 и 2, соответственно. На Фиг. 1 первая прозрачная подложка 1 изображена сверху (что не имеет принципиального значения) и в дальнейшем будет иногда именоваться «верхняя прозрачная подложка», вторая прозрачная подложка 2, изображенная внизу, будет иногда именоваться «нижняя прозрачная подложка». Как правило, первая и вторая прозрачные подложки 1, 2 изготавливаются стеклянными, но могут выполняться и из прозрачного пластика, как это известно специалистам.
Как показано на Фиг. 2, на первую прозрачную подложку 1 нанесено прозрачное высокоомное покрытие 3 (с поверхностным сопротивлением порядка 100 кОм/квадрат или более), которое может быть выполнено, например, из оксидов индия и олова, как это известно специалистам. На каждом крае первой прозрачной подложки 1 нанесены низкоомные непрозрачные покрытия, которые могут быть выполнены, например, из меди или алюминия, как это известно специалистам. Эти низкоомные непрозрачные покрытия соединены с высокоомным прозрачным покрытием 3 и образуют четыре контактных электрода 4-7.
На Фиг. 3 показана вторая прозрачная подложка 2, выполненная аналогично первой прозрачной подложке 1, т.е. на нее нанесено такое же прозрачное высокоомное покрытие 17, а по краям второй прозрачной подложки 2 нанесены низкоомные непрозрачные покрытия, образующие четыре контактных электрода 8-11, аналогичных контактным электродам 4-7 на первой прозрачной подложке 1. При этом прозрачное высокоомное покрытие 6 и получившиеся контактные электроды подложки 2 повернуты на угол 45 градусов относительно высокомного покрытия и контактных электродов подложки 1.
На Фиг. 1 ссылочными позициями 12 и 13 помечены ориентирующие покрытия, нанесенные на высокоомные прозрачные покрытия 3 и 17 и контактные электроды 4-7 и 8-11 обеих прозрачных подложек 1 и 2.
Как видно из Фиг. 1, прозрачные подложки 1 и 2, выполненные согласно Фиг. 2 и 3, собираются в пакет обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями 12 и 13. Иными словами, непрозрачные контактные электроды 4, 5 и 8-11 на скрещенных прозрачных подложках 1 и 2 образуют октагональную апертуру (апертуру в виде правильного восьмиугольника).
Обе прозрачные подложки 1 и 2 в упомянутом пакете расположены на заданном расстоянии одна от другой благодаря, например, прокладкам 14, 15 такой толщины, которая соответствует толщине слоя 16 жидкого кристалла, заливаемого в пространство между первой и второй прозрачными подложками 1, 2. В качестве жидкого кристалла используют немати-ческий жидкий кристалл, как это известно из вышеуказанного ближайшего аналога или из патента РФ №2582208 (опубл. 20.04.2016). Первоначальная планарная ориентация используемого нематического жидкого кристалла задается как раз нанесенными ориентирующими покрытиями 12, 13.
В результате получается жидкокристаллическая (ЖК) астигматическая пластина. Для того, чтобы с ее помощью реализовать способ по первому объекту настоящего изобретения, на контактные электроды 4-7 и 8-11 на обеих прозрачных подложках 1, 2 необходимо подать переменные потенциалы для формирования между высокоомными покрытиями 3 и 17 на разных прозрачных подложках 1, 2 распределений напряжения и фазовой задержки в виде поверхности гиперболического параболоида, что и обеспечивает формирование либо компенсацию астигматического волнового фронта, который математически может быть описан как суперпозиция волновых фронтов, описываемых полиномами Цернике  с разными значениями коэффициентов . Здесь используется одно из удобных представлений аберраций волнового фронта - разложение по полиномам Цернике. Полиномы Цернике в общем виде имеют следующий вид [Борн М., Вольф Э. / Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.]:
где r и θ - полярные координаты; m, n - целые числа, причем m+n - четное число. Волновую аберрацию в общем виде через полиномы Цернике можно представить следующим образом:
Потенциалы задают так, чтобы величины действующих значений напряжений в области апертуры сформированного распределения были из линейного участка вольт-фазной характеристики используемого жидкого кристалла.
В частности, на противоположные контактные электроды 4, 6 первой прозрачной подложки 1 подают потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 5, 7 этой же подложки подают потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 4 и 6, а фазы потенциалов на всех контактах 4-7 первой подложки равны между собой. Аналогично на противоположные контакты 8, 10 второй прозрачной подложки 2 подают потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 9, 11 этой же подложки подают потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 8 и 10, а фазы потенциалов 8-11 второй подложки равны между собой и отличаются на π от потенциалов, поданных на контакты первой подложки.
Полученная ЖК астигматическая пластинка реализует способ по первому объекту настоящего изобретения следующим образом.
На контакты 4-7 и 8-11 подают потенциалы, характерные для формирования распределения в виде поверхности гиперболического параболоида. Для формирования либо компенсации астигматического волнового фронта, описываемого полиномом Цернике  нужно подать на противоположные контакты 4, 6 первой подложки равные потенциалы, на противоположные контакты 5, 7 той же подложки равные между собой потенциалы, но отличающиеся по амплитуде от потенциалов 4, 6, фазы потенциалов на контактах 4-7 нужно задать равными нулю, а на контакты 8-11 нижней подложки подать нулевые потенциалы. Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4-7 и 8-11, приведен ниже в таблице 1.
Заданные значения приводят к формированию профиля напряжения и соответственно волнового фронта в виде поверхности гиперболического параболоида (Фиг. 10), распределение интенсивности в некоторой плоскости будет иметь вид светового отрезка (Фиг. 13).
Если подать на контакты 4-7 подложки 1 нулевые потенциалы, а на противоположные контакты 8, 10 второй подложки потенциалы равной амплитуды, на противоположные контакты 9, 11 той же подложки подать равные между собой потенциалы, но отличающиеся по амплитуде от потенциалов 8, 10, а фазы потенциалов на контактах 8-11 задать равными нулю, то можно сформировать (либо компенсировать) волновой фронт, описываемый полиномом Цернике  Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4-7 и 8-11, приведен ниже в таблице 2.
Заданные значения приводят к формированию профиля напряжения и соответственно волнового фронта в виде поверхностей гиперболического параболоида, повернутых на 45 градусов относительно центра апертуры (Фиг. 11), распределение интенсивности в некоторой плоскости будет иметь вид светового отрезка, повернутого на 45 градусов (Фиг. 14).
Для формирования (и соответственно компенсации) произвольного астигматического волнового фронта, который математически может быть описан как суперпозиция волновых фронтов, описываемых полиномами Цернике  с разными значениями коэффициентов  необходимо на противоположные контактные электроды 4, 6 первой прозрачной подложки 1 подать потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 5, 7 этой же подложки подать потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 4 и 6, фазы потенциалов на всех контактах 4-7 первой подложки равны между собой; аналогично на противоположные контакты 8, 10 второй прозрачной подложки 2 нужно подать потенциалы равной амплитуды, а на противоположные контактные электроды 9, 11 этой же подложки подать потенциалы также с равными амплитудами, но отличающимися от амплитуд для контактов 8 и 10, фазы потенциалов 8-11 второй подложки равны между собой и отличаются на π от потенциалов, поданных на контакты первой подложки. Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4-7 и 8-11, приведен ниже в таблице 3.
Заданные значения приводят к формированию профиля напряжения и соответственно волнового фронта в виде поверхностей гиперболического параболоида, повернутых на некоторый угол относительно центра апертуры (Фиг. 12), распределение интенсивности в некоторой плоскости будет иметь вид светового отрезка, повернутого на тот же угол (Фиг. 15).
Работа устройства по второму объекту настоящего изобретения иллюстрируется результатами численного моделирования. При моделировании апертура полагалась квадратной с длиной стороны 1 мм; толщина слоя 16 жидкого кристалла задавалась равной 20 мкм; длины контактных электродов задавались равными 0,45 мм, для расчета фазовой задержки использовалась экспериментальная вольт-фазная характеристика ЖК BL037. При моделировании предполагалось, что устройство освещается плоской однородной волной, ограниченной круглой диафрагмой, которая играла роль апертуры устройства. Распределение напряжения по апертуре для значений потенциалов, указанных в таблицах 1-3, представлены на Фиг. 4 (где U - действующее значение напряжения в области апертуры, приложенное к слою 16 жидкого кристалла; х и у - координаты в плоскости устройства). Соответствующие распределения фазовой задержки представлены на Фиг. 7-9 (где δФ - фазовая задержка; х и у - координаты в плоскости апертуры устройства), а поляризационная интерферограмма - на Фиг. 10-12 (х и у - координаты в плоскости апертуры устройства).
При прохождении световой волны через такой фазовый транспарант (т.е. пакет из прозрачных подложек по Фиг. 1) формируется астигматический волновой фронт световой волны. Примеры рассчитанных световых полей в предположении, что на транспарант падает плоская однородная световая волна в плоскостях наблюдения, где световая волна фокусируется в отрезок, представлены на Фиг. 13-15.
Изменяя прикладываемые к контактным электродам потенциалы так, чтобы их амплитуды и фазы соответствовали описанным выше правилам, можно управлять величиной астигматизма для каждой подложки, то есть управлять коэффициентами  Соответственно, можно плавно поворачивать распределения на произвольный угол и формировать и корректировать произвольный астигматический волновой фронт, который математически может быть описан как суперпозиция волновых фронтов, описываемых полиномами Цернике  с разными значениями коэффициентов
Настоящее изобретение может быть осуществлено по другому варианту. В этом варианте для реализации астигматической пластины, работающей в режиме отражения, на одной из прозрачных подложек (например, второй, т.е. нижней прозрачной подложке 2) на ее высокоомном прозрачном покрытии 17 и контактных электродах 8-11 перед нанесением ориентирующего покрытия 13 размещают диэлектрическое зеркало.
В этом варианте изобретения астигматический волновой фронт будет формироваться при отражении световой волны от рассматриваемого фазового транспаранта (т.е. пакета из прозрачных подложек по Фиг. 1 с добавленным диэлектрическим зеркалом на подложке 2).
Таким образом, предлагаемая сдвоенная жидкокристаллическая пластина, расширяя арсенал технических средств и будучи технологически довольно простым, компактным и недорогим устройством, позволяет формировать и компенсировать произвольный астигматический волновой фронт.