ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана 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-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. Piatt, "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 G01J 11/00 (2006.01)).
В терагерцовом 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 (M. 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, M. Greiner-Bär, N. Deßmann, J. Pfund, M. Wienold et al. Terahertz wavefront measurement with a Hartmann sensor // Appl. Phys. L ett. 101, 031103 (2012); doi: 10.1063/1.4737164).
Растр субапертур представлял собой экран с матрицей из круглых отверстий диаметром D=0.5 мм 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.
Задача заявленной полезной модели - увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака - Гартмана в терагерцовом диапазоне за счет минимизации интерференционных эффектов субапертур.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в датчике волнового фронта, состоящего из делителя волнового фронта, представляющего собой растр с убапертур, выполненный в виде маски с круглыми отверстиями, матричного приемника и регистрирующего устройства, субапертуры выполнены в виде мягких диафрагм.
a
a
a
При этом мягкая диафрагма выполняется в виде круглого отверстия с неровным контуром с величиной неровности Δ≈λZ/2, где λ, Z,  - соответственно длина волны анализируемого излучения, расстояние до матричного приемника от делителя волнового фронта и радиус отверстия субапертуры.
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 показаны делители волнового фронта в виде матрица круглых отверстий (по прототипу - (a)), и мягких диафрагм в виде круглых отверстий с неровным контуром (b)).
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, для фиксированной величины числовой апертуры отдельных субапертур, искомая структура должна обеспечить одновременно как быстрое затухание «хвостов» функции рассеяния (подавление паразитных дифракционных максимумов), так и минимизацию эффективного поперечного размера этой функции.
В предлагаемой полезной модели датчика волнового фронта в качестве растра субапертур, обеспечивающих одновременно как быстрое затухание «хвостов» функции рассеяния, так и минимизацию эффективного поперечного размера этой функции, используется матрица мягких диафрагм (Лукишова С.Г., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров А.М. Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерныз установок на неодимовом стекле // Труды ИОФАН, т. 7, 92-147 (1987)). Достоинством аподизирующих (или, как их называют, мягких) диафрагм является возможность формирования заданного профиля пучка, который можно аппроксимировать функцией гауссова или супергауссова типа.
Наименьшие интерференционные эффекты проявляются в амплитудно-фазовых масках с субапертурами в виде мягких диафрагм на основе рефракционных микролинз с гауссовой аподизацией. Использование таких масок позволяет, уменьшить размер субапертур и реализовать предельно высокое разрешение датчика Шака-Гартмана, с шагом субапертур порядка их первой зоны Френеля. Однако их практическая реализация в терагерцовом диапазоне технологически весьма затруднительна на сегодняшний день.
Среди всего многообразия мягких диафрагм, разработанных для оптического диапазона, наиболее просто и технологично в терагерцовом диапазоне длин волн реализуются мягкие диафрагмы на основе круглого отверстия с неровным контуром (фиг. 2).
a
a
a
Для того, чтобы дифракционная картина от мягкой диафрагмы радиуса  сглаживалась на расстоянии Z от нее, необходимо, чтобы изменение числа Френеля , вызванное размытием, было порядка 1. То есть, Отсюда следует, что величина неровности контура отверстия составляла Δ≈λX/2.
Таким образом, при дифракции излучения (части анализируемого волнового фронта) на отдельной субапертуре (круглом отверстии с неровным контуром) удается существенно уменьшить величину боковых максимумов рассеяния, что приводит к увеличению точности реконструкции общего вида анализируемого волнового фронта.
Техническим результатом является увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана в терагерцовом диапазоне за счет минимизации интерференционных эффектов субапертур.