RU2106002C1

RU2106002C1 - Optical mirror

Info

Publication number: RU2106002C1
Application number: RU95120738A
Authority: RU
Inventors: Г.П. Лашманов; В.М. Солгалов
Original assignee: Балтийский государственный технический университет им.Д.Ф.Устинова
Priority date: 1995-12-09
Filing date: 1995-12-09
Publication date: 1998-02-27

Abstract

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: mirror has supporting construction which carries flexible plate made of thermosensitive alloy with memory of form. Actuating mechanisms manufactured in the form of heaters are positioned on rear side of plate uniformly over its area. Supporting construction may have open towards flexible plate. Heaters made as electric spirals or graphite rods are arranged in cells. Base made of composition material with polymeric matrix and coupled to flexible plate may be introduced between flexible plate and supporting construction. Channels in which graphite rods are installed are made in base. Layer of elastic material may be positioned between base and flexible plate. EFFECT: more effective construction. 5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому машиностроению, в частности к активной оптике. Характеристиками активной оптики управляют в процессе работы с целью видоизменения волнового фронта. Изобретение может быть использовано для коррекции волнового фронта инфракрасного и лазерного излучений. The invention relates to optical engineering, in particular to active optics. The characteristics of active optics are controlled during operation in order to modify the wavefront. The invention can be used to correct the wavefront of infrared and laser radiation.

Одной из проблем, стоящих на пути создания мощных лазеров является проблема искажения волнового фронта, вызываемая отклонением геометрической формы зеркала от теоретической. Высокая степень искажений волнового фронта приводит к повышенной расходимости излучения и трудности фокусировки. One of the challenges facing the creation of high-power lasers is the wavefront distortion caused by the deviation of the geometric shape of the mirror from the theoretical one. A high degree of wavefront distortion leads to increased radiation divergence and focusing difficulties.

Известны системы активной оптики (У. Харди. Активная оптика. Новая техника управления световым пучком. ТИИЭР, т. 66, N 6, 1978), которые как правило содержат деформируемые зеркала. Основные типы зеркал активной оптики: сплошные зеркала из гибких пластин и монолитные зеркала. Active optical systems are known (W. Hardy. Active optics. A new technique for controlling the light beam. TIIER, vol. 66, No. 6, 1978), which typically contain deformable mirrors. The main types of mirrors of active optics: solid mirrors from flexible plates and monolithic mirrors.

В настоящее время известно зеркало оптическое, содержащее опорную конструкцию, на которой установлена металлическая гибкая пластина, с наружной стороны пластины выполнена отражающая поверхность, а с тыльной стороны равномерно по площади размещены исполнительные механизмы (см. стр. 58, рис. 21, ТИИЭР, т. 66, N 6, 1978). At present, an optical mirror is known that contains a supporting structure on which a metal flexible plate is mounted, a reflective surface is made on the outside of the plate, and actuators are uniformly distributed on the back side (see page 58, Fig. 21, TIIER, t 66, No. 6, 1978).

Из исполнительных механизмов известны электромеханические (винты, управляемые от электродвигателей) и пьезоэлектрические устройства. Of the actuators known electromechanical (screws controlled by electric motors) and piezoelectric devices.

Система управления обнаруживает отклонение геометрической формы зеркала от теоретической и вырабатывает в соответствии с величиной отклонения управляющие сигналы, которые подаются к исполнительным механизмам, расположенным в местах возникновения отклонений формы. В результате деформации гибкой пластины происходит исправление геометрической формы зеркала, что обеспечивает коррекцию волнового фронта. Точность коррекции волнового фронта определяется расстоянием между исполнительными механизмами. Чем меньше расстояния, тем выше точность волнового фронта. The control system detects a deviation of the geometric shape of the mirror from the theoretical one and generates control signals in accordance with the magnitude of the deviation, which are fed to actuators located in the places where the shape deviations occur. As a result of deformation of the flexible plate, the geometric shape of the mirror is corrected, which ensures correction of the wavefront. The accuracy of wavefront correction is determined by the distance between the actuators. The smaller the distance, the higher the accuracy of the wavefront.

Недостатком аналога является низкая точность коррекции волнового фронта. Это объясняется тем, что коррекция волнового фронта зависит от расстояния между исполнительными механизмами, а это ограничивается их минимальными габаритными размерами, обеспечивающими получение требуемого усилия деформации. A disadvantage of the analogue is the low accuracy of wavefront correction. This is because the wavefront correction depends on the distance between the actuators, and this is limited by their minimum overall dimensions, providing the required deformation force.

Известно монолитное активное зеркало (см. стр. 68, рис. 38, ТИИЭР, т.66, N 6, 1978), где в качестве основания зеркала использована монолитная пластина из пьезоэлектрической керамики и которая установлена на опорную конструкцию. На верхнюю поверхность пьезоэлектрической пластины наклеена тонкая стеклянная отражающая пластина и на эту же поверхность нанесена матрица электродов, связанная с системой управления. A monolithic active mirror is known (see page 68, Fig. 38, TIIER, v.66, N 6, 1978), where a monolithic plate made of piezoelectric ceramics is used as a mirror base and which is mounted on a support structure. A thin glass reflective plate is glued to the upper surface of the piezoelectric plate and an electrode matrix connected to the control system is applied to the same surface.

При подаче напряжений на электроды от системы управления в поверхностном слое монолитной пьезоэлектрической пластины возникает деформация, которая передается на тонкую стеклянную пластину. Таким образом путем деформирования стеклянной пластины обеспечивается коррекция волнового фронта. When voltage is applied to the electrodes from the control system, a deformation occurs in the surface layer of the monolithic piezoelectric plate, which is transmitted to the thin glass plate. Thus, by deforming the glass plate, wavefront correction is provided.

Недостатком также является низкая точность коррекции волнового фронта, которая объясняется тем, что пьезоэлектрическая деформация монолитной пластины передается не полностью на поверхность тонкой стеклянной пластины из-за наличия промежуточного клеевого слоя и это приводит к снижению точности коррекции волнового фронта. A disadvantage is also the low accuracy of the wavefront correction, which is explained by the fact that the piezoelectric deformation of the monolithic plate is not transmitted completely to the surface of the thin glass plate due to the presence of an intermediate adhesive layer and this reduces the accuracy of the wavefront correction.

Ближайшим аналогом по технической сущности является оптическое зеркало (патент США N 4239343, кл. G 02 B 5/10, 1980), содержащее опорную конструкцию, на которой установлена гибкая пластина, с наружной стороны пластины выполнена отражающая поверхность, а с внутренней стороны пластины равномерно по площади распределены исполнительные механизмы, связанные с системой управления. В качестве исполнительных механизмов используются сферические пьезотолкатели. The closest analogue in technical essence is an optical mirror (US patent N 4239343, class G 02 B 5/10, 1980) containing a supporting structure on which a flexible plate is mounted, a reflective surface is made on the outside of the plate, and uniformly on the inside of the plate actuators associated with the control system are distributed over the area. Spherical piezo pushers are used as actuators.

Особенностью работы зеркала является то, что контактное воздействие от сферических толкателей по сигналу от системы управления создает на поверхности гибкой пластины локальные деформации. Эти деформации корректируют отклонение от теоретической формы поверхности зеркала, но при этом отражающая поверхность гибкой пластины копирует геометрическую форму сферических толкателей. В этом случае общая деформация пластины исправляется, но образуются местные пикообразные выступы, что снижает точность коррекции волнового фронта. A feature of the operation of the mirror is that the contact action from spherical pushers, according to the signal from the control system, creates local deformations on the surface of the flexible plate. These deformations correct the deviation from the theoretical shape of the mirror surface, but the reflective surface of the flexible plate copies the geometric shape of the spherical pushers. In this case, the general deformation of the plate is corrected, but local peak-like protrusions are formed, which reduces the accuracy of the wavefront correction.

Задачей изобретения является повышение точности коррекции волнового фронта за счет ликвидации на поверхности гибкой пластины пикообразных выступов, что в свою очередь исключает местные рассеивания в волновом фронте. The objective of the invention is to increase the accuracy of correction of the wavefront due to the elimination on the surface of the flexible plate of peak-like protrusions, which in turn eliminates local dispersion in the wavefront.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое зеркало содержит гибкую пластину, выполненную из термочувствительного сплава, обладающего памятью формы, опорную конструкцию с ячейками, открытыми в сторону гибкой пластины и в которых размещены исполнительные механизмы в виде электрических спиралей или графитовых стержней с выходами для подключения к системе управления. The task is achieved in that the proposed mirror contains a flexible plate made of a heat-sensitive alloy having a shape memory, a support structure with cells open to the side of the flexible plate and in which actuators are placed in the form of electric spirals or graphite rods with outputs for connecting to the system management.

Новый технический результат достигается в создании плавных деформаций оптической поверхности гибкой пластины, что позволяет увеличить точность коррекции волнового фронта. Это достигается в процессе изготовления оптического зеркала при помощи "обучения" термочувствительной гибкой пластины с памятью формы методом периодических осадок и восстановления формы нагреванием. В результате получается пластина, которая при повышении температуры увеличивает свою толщину, а при понижении температуры уменьшает свою толщину. В предложенном устройстве тепловое воздействие на гибкую пластину производится локально и поэтому получается локальное деформирование за счет плавного изменения толщины гибкой пластины. В этом случае не возникают местные пикообразные выступы. A new technical result is achieved in creating smooth deformations of the optical surface of a flexible plate, which allows to increase the accuracy of wavefront correction. This is achieved in the process of manufacturing an optical mirror by “training” a thermosensitive flexible plate with a shape memory by periodic precipitation and heat recovery. The result is a plate, which increases its thickness with increasing temperature, and decreases its thickness with decreasing temperature. In the proposed device, the thermal effect on the flexible plate is made locally and therefore local deformation is obtained due to a smooth change in the thickness of the flexible plate. In this case, local peak-like protrusions do not occur.

Для этого оптическое зеркало представляет собой термочувствительную гибкую пластину из материала с памятью формы, например из никелида титана, с наружной стороны отполированная и алюминированная поверхность которой служит отражающей поверхностью, а с тыльной стороны в ячейках опорной конструкции равномерно по площади расположены нагревательные элементы, выполняющие функцию исполнительных механизмов. Нагревательные элементы выполнены в виде электрических спиралей или графитовых стержней с выходами для подключения к системе управления. For this, the optical mirror is a heat-sensitive flexible plate made of a material with a shape memory, for example, titanium nickelide, on the outside of which the polished and aluminized surface serves as a reflective surface, and from the back side in the cells of the supporting structure there are uniformly located heating elements acting as executive mechanisms. The heating elements are made in the form of electric spirals or graphite rods with outputs for connection to a control system.

В другом варианте предлагаемого зеркала поставленная задача достигается тем, что термочувствительная гибкая пластина через слой из эластичного материала скрепляется с основанием из композиционного материала. В основании выполнены каналы и в них установлены исполнительные механизмы в виде графитовых стержней. In another embodiment of the proposed mirror, the task is achieved in that the heat-sensitive flexible plate through the layer of elastic material is bonded to the base of the composite material. The channels are made at the base and actuators in the form of graphite rods are installed in them.

В этом варианте новый техническийре зультат также достигается в создании локальных деформаций оптической поверхности гибкой пластины за счет теплового воздействия, что приводит к плавному изменению толщины гибкой пластины и при этом не возникают пикообразные выступы. In this variant, a new technical result is also achieved in the creation of local deformations of the optical surface of the flexible plate due to heat exposure, which leads to a smooth change in the thickness of the flexible plate and no peak-like protrusions occur.

Для этого гибкая пластина скреплена с основанием из композиционного материала с полимерной матрицей, например, из стекло- или органопластика. Между пластиной и основанием расположен слой из эластичного материала, например, термостойкой резины, а в основании выполнены каналы, в которых установлены графитовые стержни исполнительных механизмов с выходами для подключения к системе управления. Гибкая пластина в первом и втором вариантах при помощи трех узлов крепления установлена на опорной конструкции. For this, the flexible plate is bonded to the base of a composite material with a polymer matrix, for example, glass or organoplastics. Between the plate and the base there is a layer of elastic material, for example, heat-resistant rubber, and at the base there are channels in which graphite rods of actuators are installed with outputs for connecting to the control system. A flexible plate in the first and second variants with the help of three attachment points is mounted on a supporting structure.

Геометрическая точность отражающей поверхности гибкой пластины зеркала, то есть коррекция волнового фронта, обеспечивается за счет создания температурных деформаций гибкой пластины, которые локализованы в окрестности нагревательного элемента, на который подается сигнал от системы управления в соответствие с величиной искажения волнового фронта. The geometric accuracy of the reflecting surface of the flexible plate of the mirror, that is, the wavefront correction, is ensured by creating temperature deformations of the flexible plate, which are localized in the vicinity of the heating element to which the signal from the control system is supplied in accordance with the amount of wavefront distortion.

Технический результат предлагаемого зеркала заключается в том, что изобретение обеспечивает повышение точности коррекции волнового фронта за счет исключения пикообразных выступов и при этом не возникают местные рассеивания в волновом фронте. The technical result of the proposed mirror is that the invention improves the accuracy of correction of the wavefront by eliminating peak-like protrusions and local scattering in the wavefront does not occur.

Для чего в опорной конструкции выполнены ячейки и в них размещены исполнительные механизмы, которые выполнены в виде электрических спиралей и открытые в сторону гибкой пластины или исполнительные механизмы выполнены в виде графитовых стержней, которые соприкасаются с тыльной стороной гибкой пластины. В другом варианте гибкая пластина скреплена с основанием из композиционного материала. В основании имеются каналы, в которых размещены исполнительные механизмы в виде графитовых стержней. Между основанием и гибкой пластиной размещен слой из эластичного материала. For this, cells are made in the supporting structure and actuators are placed in them, which are made in the form of electric spirals and open towards the flexible plate, or actuators are made in the form of graphite rods that are in contact with the back of the flexible plate. In another embodiment, the flexible plate is bonded to a base of composite material. At the base there are channels in which actuators are placed in the form of graphite rods. Between the base and the flexible plate is a layer of elastic material.

Изобретение является новым, так как оно не известно из уровня техники. The invention is new, as it is not known from the prior art.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники. The invention has an inventive step, since it does not explicitly follow from the prior art for a specialist.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого зеркала в разрез; на фиг. 2 в плане с гибкой пластиной, которая установлена на опорной конструкции, вид А на фиг. 1; на фиг. 3 фрагмент исполнительного механизма, выполненного в виде электрических спиралей, узел 1 на фиг. 1; на фиг. 4 фрагмент исполнительного механизма, выполненного в виде графитовых стержней, узел 1 на фиг. 1; на фиг. 5 показан общий вид зеркала оптического в разрезе, с основанием из композиционного материала; на фиг. 6 в плане с гибкой пластиной, которая скреплена с основанием из композиционного материала и установлена на опорной конструкции, вид В на фиг. 5; на фиг. 7 представлена схема системы управления коррекцией волнового фронта зеркала. In FIG. 1 shows a General view of the proposed mirror in section; in FIG. 2 in plan with a flexible plate that is mounted on a support structure, view A in FIG. one; in FIG. 3 a fragment of an actuator made in the form of electric spirals, unit 1 in FIG. one; in FIG. 4 a fragment of an actuator made in the form of graphite rods, unit 1 in FIG. one; in FIG. 5 shows a general sectional view of an optical mirror with a base of composite material; in FIG. 6 in plan with a flexible plate that is bonded to a base of composite material and mounted on a support structure, view B in FIG. 5; in FIG. 7 is a diagram of a mirror wavefront correction control system.

Предлагаемое зеркало может быть реализовано в двух вариантах. The proposed mirror can be implemented in two versions.

По первому варианту (фиг. 1, 2, 3, 4) предлагаемое оптическое зеркало содержит опорную конструкцию 1, например, изготовленную из композиционных материалов, на которой при помощи трех узлов крепления 2 установлена термочувствительная гибкая пластина 3. В опорной конструкции 1 выполнены ячейки 4 (фиг. 1 и 2), в которых установлены исполнительные механизмы в виде электрических спиралей 5 (фиг. 3). According to the first embodiment (Fig. 1, 2, 3, 4), the proposed optical mirror comprises a support structure 1, for example, made of composite materials, on which a heat-sensitive flexible plate 3 is installed using three attachment points 2. Cells 4 are made in the support structure 1 (Fig. 1 and 2), in which actuators are installed in the form of electric spirals 5 (Fig. 3).

Корректировка волнового фронта оптического зеркала происходит следующим образом: управляющее напряжение 6 подается на электрические спирали 5 (фиг. 3), от теплового воздействия термочувствительная пластина 3 локально деформируется. The correction of the wavefront of the optical mirror occurs as follows: the control voltage 6 is supplied to the electric spirals 5 (Fig. 3), the heat-sensitive plate 3 is locally deformed due to the thermal effect.

В варианте корректировки волнового фронта, представленном на фиг. 4, вместо электрических спиралей имеется матрица графитовых стержней 7, соприкасающихся с тыльной стороной термочувствительной пластины 3 при помощи пружин 8. К каждому графитовому стержню 7 подведено управляющее напряжение 6 относительно общего электрода 9, расположенного на тыльной поверхности термочувствительной пластины 3. Корректирование волнового фронта происходит за счет контактного разогрева в зоне соприкосновения графитового стержня 7 и термочувствительной пластины 3. Таким образом создаются управляющие местные деформации, которые исправляют волновой фронт. In the wavefront correction embodiment shown in FIG. 4, instead of electric spirals, there is a matrix of graphite rods 7 in contact with the back side of the heat-sensitive plate 3 by means of springs 8. A control voltage 6 is connected to each graphite rod 7 relative to the common electrode 9 located on the back surface of the heat-sensitive plate 3. Wavefront correction occurs in due to contact heating in the contact zone of the graphite rod 7 and the heat-sensitive plate 3. In this way, control local deformations are created that orye correct wavefront.

Во втором варианте конструкция предлагаемого оптического зеркала, представленная на фиг. 5 и 6, состоит из гибкой термочувствительной пластины 3, скрепленной с основанием 10, изготовленным из композиционного материала с полимерной матрицей, через слой из эластичного материала 11. В основании 10 размещены графитовые стержни 7, которые соприкасаются с тыльной стороной гибкой пластины 3. К каждому графитовому стержню 7 подведено управляющее напряжение 6 относительно общего электрода 9, расположенного на тыльной стороне пластины 3. Для корректировки волнового фронта управляемые локальные деформации создаются за счет контактного разогрева в зоне соприкосновения графитовых стержней 7 с гибкой пластиной 3. Основание 10 с гибкой пластиной 3 при помощи трех узлов крепления 2 установлено на опорной конструкции 1. In a second embodiment, the design of the optical mirror of the invention shown in FIG. 5 and 6, consists of a flexible heat-sensitive plate 3, bonded to a base 10 made of a composite material with a polymer matrix, through a layer of elastic material 11. At the base 10 are placed graphite rods 7, which are in contact with the back of the flexible plate 3. To each control rod 6 is supplied to the graphite rod 7 relative to the common electrode 9 located on the back side of the plate 3. To correct the wavefront, controlled local deformations are created by contact roar in the contact area of graphite rods 7 with the flexible plate 3. The base 10 with the flexible plate 3 by means of three mounting units 2 installed on the support structure 1.

Следует отметить, что во втором варианте толщина гибкой пластины 3 выполняется в 5 10 раз меньше по сравнению с первым вариантом. It should be noted that in the second embodiment, the thickness of the flexible plate 3 is 5-10 times less than in the first embodiment.

Управление коррекцией волнового фронта зеркала оптического происходит следующим образом. The correction of the wavefront of the optical mirror is controlled as follows.

Для анализа волнового фронта, например, используется сдвиговый интерферометр с малой величиной сдвига. Особенностью интерферометров данного типа является выдача выходного сигнала, соответствующего первой производной от искажений волнового фронта, что приводит к необходимости введения в систему интегратора. Сдвиговый интерферометр представляет плоскопараллельную пластину 12, установленную под углом 45^o к оси лазерного луча, где сдвиг волнового фронта происходит при отражении части света от внутренней и части света от внешней поверхности пластины и их взаимной интерференции.For wavefront analysis, for example, a shear interferometer with a small shear value is used. A feature of interferometers of this type is the generation of an output signal corresponding to the first derivative of wavefront distortions, which leads to the necessity of introducing an integrator into the system. The shear interferometer is a plane-parallel plate 12 mounted at an angle of 45 ^o to the axis of the laser beam, where the wavefront shift occurs when part of the light is reflected from the inside and part of the light from the outside surface of the plate and their mutual interference.

Схема управления коррекцией волнового фронта зеркала представлена на фиг. 7 и работает следующим образом. The mirror wavefront correction control circuit is shown in FIG. 7 and works as follows.

Часть лазерного луча, отражаясь от гибкой пластины 3 зеркала, попадает на плоскопараллельную пластину 12 сдвигового интерферометра, затем отраженное излучение направляется на пластину 13, чувствительную к данному типу излучения, и преобразуется в электрический сигнал, который поступает в аналого-цифровой преобразователь 14, который, в свою очередь, информацию о распределении плотностей излучения в различных интерференционной картины направляет в ЭВМ 15, где происходит выбор схем распределения тепловых полей в термочувствительной пластине 3 зеркала и информация в виде электрических импульсов поступает в преобразователь сигналов 16, где происходит перевод этих импульсов в управляющие напряжения, которые подаются на исполнительные механизмы (5 на фиг. 3 и 7 на фиг. 4 и 5). A part of the laser beam, reflected from the flexible plate 3 of the mirror, enters the plane-parallel plate 12 of the shear interferometer, then the reflected radiation is directed to the plate 13, sensitive to this type of radiation, and converted into an electrical signal, which enters the analog-to-digital Converter 14, which, in turn, the information on the distribution of radiation densities in various interference patterns is sent to a computer 15, where the distribution of thermal fields in the heat-sensitive plates is selected Mirror 3 and the information in the form of electrical pulses supplied to the signal converter 16 where it is converted into control pulses of voltage which are supplied to actuators (5 in FIG. 3 and 7 in FIGS. 4 and 5).

Изобретение соответствует критерию "промышленная применимость", так как техническая задача, вытекающая из современного уровня техники, решена полностью. The invention meets the criterion of "industrial applicability", since the technical problem arising from the state of the art has been completely solved.

Claims

1. An optical mirror containing a supporting structure on which a flexible plate is mounted, a reflective surface is made on the outside of the plate, and actuators associated with a control system are uniformly distributed on the back side thereof, characterized in that the flexible plate is made of a heat-sensitive alloy having a shape memory, and actuators are made in the form of heaters.

2. The mirror according to claim 1, characterized in that in the supporting structure there are made cells open towards the flexible plate, and heaters made in the form of electric spirals are placed in them.

3. The mirror according to claim 1, characterized in that the heaters are made in the form of graphite rods in contact with springs with the back of the flexible plate on which the electrode is located.

4. The mirror according to claim 3, characterized in that between the flexible plate and the supporting structure, a base is made of a composite material with a polymer matrix connected to the flexible plate, and channels are made in the base in which graphite rods are installed.

5. The mirror according to claim 4, characterized in that between the base and the flexible plate is a layer of elastic material.