RU203240U1

RU203240U1 - Phase-shifting material adaptive mirror

Info

Publication number: RU203240U1
Application number: RU2020137320U
Authority: RU
Inventors: Виталий Вячеславович Ионин; Алексей Владимирович Киселев; Андрей Анатольевич Лотин; Михаил Александрович Панков; Егор Михайлович Притоцкий
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-03-29

Abstract

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. 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. При этом основание выполнено в виде пластины из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например сапфира или алмаза. В качестве фазоизменяемого материала используют селениды, теллуриды, антимониды, а также оксиды и халькогениды переходных металлов. Активное покрытие может состоять из нескольких слоев и иметь прозрачное защитное покрытие. Набор нагревающих элементов выполняется в виде распределенного массива лазерных диодов поверхностного излучения с вертикальным резонатором или в виде наборного блока твердотельных лазерных излучателей. Зеркало может дополнительно снабжаться лазерным излучателем с массивом микрозеркал или лазерным излучателем с системой управляемых гальванических зеркал. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.The utility model relates to adaptive optics, in particular to active mirror designs, and can be used in adaptive optical systems designed to compensate for wavefront distortions of light radiation, as well as to control the intensity distribution parameters. In an adaptive mirror, which includes a base, which is in contact with the active coating on one side, and on the other hand, in contact with a set of transducers, the active coating consists of a phase-changing material, and the set of transducers is made in the form of an array of heating elements distributed over the base area of the adaptive mirrors evenly or in some other predetermined manner. In this case, the base is made in the form of a plate made of a material with high thermal conductivity, such as sapphire or diamond. Selenides, tellurides, antimonides, as well as oxides and chalcogenides of transition metals are used as a phase-changing material. The active coating can consist of several layers and have a transparent protective coating. The set of heating elements is made in the form of a distributed array of surface radiation laser diodes with a vertical resonator or in the form of a set-up block of solid-state laser emitters. The mirror can be additionally equipped with a laser emitter with an array of micromirrors or a laser emitter with a system of controlled galvanic mirrors. 8 C.p. f-crystals, 4 ill.

Description

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.The utility model relates to adaptive optics, in particular to active mirror designs, and can be used in adaptive optical systems designed to compensate for wavefront distortions of light radiation, as well as to control the intensity distribution parameters.

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.Known designs of flexible adaptive mirrors, which are made in the form of a membrane with actuators attached to it. The disadvantages of such mirrors are the small dimensions of the produced mirrors, the presence of cross-links between the drives and the complexity of manufacturing.

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.Known semi-passive bimorph multilayer flexible mirror [1]. The disadvantage of this design of the mirror is only one degree of control freedom, therefore, it is able to reproduce only one specific type of aberration, but with different amplitudes. Also, this mirror, like any controlled corrector based on active bimorph piezosovers, has a coarse-mesh structure, which does not allow grinding it to obtain a reflective surface of good quality.

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.A known method of controlling the profile of the wavefront of a light beam, when the aperture of the light beam is divided into sub-apertures [2]. Each subaperture is a liquid crystal cell bounded by individual and common transparent electrodes. The value of the voltage applied to the individual electrode sets the value of the phase delay between ordinary and extraordinary light waves due to the electro-optical S-effect. A light beam passing through such a corrector with linear polarization coinciding with the initial orientation of the liquid crystal molecules acquires a phase delay in accordance with the distribution of voltages on the individual electrodes. The quality of the wavefront profile control is determined by the number of individual electrodes.

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.The disadvantage of the known method is the limited set of possible phase profiles, since in order to obtain complex phase profiles and correct astigmatism, coma and other higher-order aberrations, it is necessary to increase the number of control contacts. However, the distribution of the electric field modulus at the center of the active aperture remains practically unchanged. This is due to the mutual influence of adjacent conductive contacts, creating a leakage of electrical voltage without the participation of the central region.

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.The closest to the proposed utility model is an adaptive mirror [3]. This mirror includes a base made in the form of a plate and located on the one hand in contact with the active coating, and on the other hand in contact with a set of electromechanical converters made of ferroelectric ceramics, equipped with control electrodes. Moreover, the plate is made of ferroelectric ceramics with a diffuse phase transition, electromechanical converters are made in the body of the plate, and the control electrodes are applied to the second surface of the plate and represent fractal figures.

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.The disadvantage of the known mirror is that the use of electromechanical transducers to act on a plate of ferroelectric ceramics does not allow rapid and local deformation of individual elements, while the size of such elements is structurally limited. These disadvantages ultimately lead to the limitation of the possible minimum and maximum values of the adaptive mirror aperture.

Технической задачей настоящей полезной модели является преодоление указанных недостатков.The technical task of the present utility model is to overcome these disadvantages.

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.The technical result is the creation of a mirror, equipped with an actuator, providing high-speed operation with subsequent local correction at low speed, but with increased accuracy.

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.The stated technical problem and technical result are achieved as a result of the fact that in the adaptive mirror, including the base, which is in contact with the active coating on the one hand, and on the other hand in contact with the set of transducers, the active coating consists of a phase-changing material, and the set of transducers is made in the form of an array of heating elements distributed over the area of the base of the adaptive mirror evenly or in another predetermined manner.

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.The base is made in the form of a plate made of a material with high thermal conductivity, for example, sapphire or diamond, and selenides, tellurides, antimonides, as well as oxides and chalcogenides of transition metals are used as the phase-changing material. The adaptive coating can be composed of several layers and can be coated with a protective clear coat. The set of heating elements can be made in the form of a distributed array of surface radiation laser diodes with a vertical resonator or in the form of a stacked block of solid-state laser emitters. The adaptive mirror can be additionally equipped with a laser emitter with an array of micromirrors or a laser emitter with a system of controlled galvanic mirrors.

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)In contrast to the prototype, in which the plate is deformed under the influence of electromechanical converters, the control of the adaptive mirror in the proposed utility model is carried out by means of thermal action on the active coating elements (local heating using heating elements and / or by laser irradiation)

Полезная модель поясняется схематическими рисунками, представленными на фигурах.The utility model is illustrated by schematic drawings presented in the figures.

Фиг. 1 - схематическое изображение адаптивного зеркала;FIG. 1 is a schematic representation of an adaptive mirror;

Фиг. 2 - схематическое изображение функционирования зеркала при использовании дополнительного нагрева активного покрытия путем применения лазера и микрозеркал.FIG. 2 is a schematic representation of the functioning of the mirror when using additional heating of the active coating by using a laser and micromirrors.

Фиг. 3 - схематическое изображение функционирования зеркала при использовании дополнительного нагрева активного покрытия путем применения лазера и гальванических зеркал.FIG. 3 is a schematic representation of the functioning of the mirror when using additional heating of the active coating by using a laser and galvanic mirrors.

Фиг. 4 - фронтальный вид активного покрытия со схемой расположения условных элементов нагрева.FIG. 4 is a frontal view of an active coating with a diagram of the arrangement of conventional heating elements.

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).The device contains a base in the form of a plate 1, on one of the sides of which an active coating 2 of a phase-changing material is applied. On the other side of the plate is a set of transducers made in the form of an array of heating elements 3. These elements are distributed over the plate area evenly or in another predetermined manner. Heat fluxes from these elements to the coating 2 are shown by arrows. The plate is made of a material with high thermal conductivity, for example, sapphire or diamond, and selenides, tellurides, antimonides, as well as oxides and chalcogenides of transition metals are used as the phase-changing material. Active coating 2 can be made of several layers and have a protective transparent coating. The array of heating elements 3 can be made in the form of a distributed array of laser diodes of surface radiation with a vertical resonator or in the form of a set of solid-state laser emitters. For additional heating of the active coating, a laser emitter 4 with an array of micromirrors 5 (Fig. 2) or a laser emitter with a system of controlled galvanic mirrors 6 (Fig. 3) can be used. The surface of the active coating 2 is divided into conventional elements 7 (Fig. 4), under which there are heating elements from the array 3. A laser emitter 4 with an array of micromirrors 5 acts on the adaptive mirror, forming a heat-affected zone 8. When using a system of controlled galvanic mirrors, path 6 the laser beam is shown by arrow 9 (Fig. 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.The device works as follows. The initial setting of the correction parameters is set by the energy effect from the array of heating elements 3, evenly or in a special way distributed over the area of the adaptive optical mirror with the operating mode specified for each element (exposure time, exposure energy). This action, based on data from the wavefront sensor, sets a local change in the optical properties of an adaptive mirror consisting of an active coating 2 based on phase-changing materials on plate 1. Plate 1 is used in this case, including as a heat sink. The control of the local change in the optical properties of the active coating by an array of heating elements is carried out contactlessly under the action of laser (light) radiation on the coating, which, due to the absorption of radiation energy, heats up and changes its phase state, as well as the refractive index. Active coating 2 is conditionally divided into conditional elements 7 according to the number of heating elements from array 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.A highly accurate change in the optical parameters of the mirror is possible by means of additional action on the coating 2 with a laser beam from the emitter 4 (Fig. 2). The intensity and distribution of the radiation beam is controlled by the predetermined parameters of the reflecting element based on the matrix of micromirrors 5, while on the active coating 2 an area of influence 8 is formed, covering all conventional elements 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).It is also possible to change the optical parameters of the mirror with high precision by means of additional action from the emitter 4 on the active coating 2 with a laser beam (Fig. 3), which is deflected by a system of galvanic mirrors 6. The scanning path of conventional elements 7 by such a system is shown by arrow 9 (Fig. 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.The proposed technical solution provides a quick and independent change in the optical properties of the adaptive mirror as a result of the use of an active coating based on phase-change materials. The utility model is industrially applicable, since its implementation uses well-known and proven components, such as matrices of resistive microheaters, laser diodes of surface radiation with a vertical resonator, solid-state laser emitters and other laser emitters, as well as matrices of micromirrors and galvanic mirrors.

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.Although this technical solution is described by a specific example of its implementation, this description is not limiting, but is provided only for illustration and a better understanding of the essence of the technical solution, the scope of which is determined by the attached formula.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2.313.810 С2, «Полупассивное биморфное многослойное гибкое зеркало», МПК G02B 5/08, опубл. 27.12.2007.1. Patent RU 2.313.810 C2, "Semi-passive bimorph multilayer flexible mirror", IPC G02B 5/08, publ. 12/27/2007.

2. G.D. Love. «Wave-frontcorrectionandproductionofZernikemodeswithaliquid-crystalspatiallightmodulator», Appl. Optics, 1997, Vol. 36, 7, pp. 1517-1524.2. 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. 27.07.2002.3. Patent RU 2.186.412 C1 "Adaptive mirror", IPC G02B 5/10, G02A 1/29, publ. July 27, 2002.

Claims

1. An adaptive mirror based on phase-changing materials, including a base that is in contact with the active coating on one side, and on the other hand in contact with a set of converters, characterized in that the active coating consists of a phase-changing material, and the set of converters is made in the form an array of heating elements evenly distributed over the area of the base of the adaptive mirror or in another predetermined manner.

2. An adaptive mirror according to claim 1, characterized in that the base is made in the form of a plate made of a material with high thermal conductivity, such as sapphire or diamond.

3. An adaptive mirror according to claim 1, characterized in that selenides, tellurides, antimonides, as well as oxides and chalcogenides of transition metals are used as the phase-changing material.

4. An adaptive mirror according to claim 1, wherein the active coating consists of several layers.

5. An adaptive mirror according to claim 1, characterized in that a protective transparent coating is applied to the active coating.

6. An adaptive mirror according to claim 1, characterized in that the set of heating elements is made in the form of a distributed array of surface radiation laser diodes with a vertical resonator.

7. The device according to claim. 1, characterized in that the array of heating elements is made in the form of a typesetting block of solid-state laser emitters.

8 An adaptive mirror according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a laser emitter with an array of micromirrors.

9. An adaptive mirror according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a laser emitter with a system of controlled galvanic mirrors.