Адаптивный оптический модуль - RU2084941C1

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано для управления волновым фронтом излучения или компенсации фазовых искажений в оптических приборах и системах широкого класса, включая промышленные лазерные технологические комплексы, оптические телескопы различного спектрального диапазона, оптические системы наведения и сопровождения.

Известна адаптивная оптическая система компенсации атмосферных фазовых искажений в телескопе (см. J. Anuskiewicz, M. J. Northcott, J.E.Graves. "Adaptive optics at the University of Hawaii: II. Control system with real-time diagnostics. " Proc.SPIE, 1994, vol. 2201, p. 879-888 и J.E.Graves, F. Roddier, M.J.Northcott, J.Anuskiewicz. "Adaptive ortics at the University of Hawaii: IV. A photon counting curvature wavefront sensor." Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p. 502-507.), содержащая корректирующее устройство, включающее деформируемое биморфное зеркало на основе активной пьезоэлектрической биморфной структуры с 13 управляющими электродами в виде центрального круга и двух концентрических колец, каждое из которых разбито на 6 отдельных сегментов (см. J.P.Gaffard, P.Jagourel, P.Gigan. "Adaptive Optics: description of available components at Laserdot." Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p. 688-702, и, возможно, зеркало для динамической компенсации наклонов волнового фронта; светоделительный элемент; модулирующее мембранное зеркало; задающий генератор; усилитель сигнала модулирующего зеркала, вход которого соединен с одним из выходов задающего генератора, а выход с модулирующим зеркалом; формирующую оптику; решетку из 13 отдельных линз, расположение и форма световой апертуры каждой из которых соответствуют отдельному управляющему электроду деформируемого биморфного зеркала; оптический элемент, сопряженный с решеткой линз, так что фокусы всех субапертур последней совпадают с его задней плоскостью; приемник излучения, содержащий 13 отдельных лавинных фотодиодов; набор волоконно-оптических кабелей, каждый из которых с одной стороны сопряжен с фокусом отдельным фотодиодом приемника излучения; электронный усилитель-преобразователь, входы которого соединены с выходами приемника излучения и задающего генератора, а выходы с корректирующим устройством. Работа данной адаптивной оптической системы основана на измерении локальной кривизны волнового фронта внутри сечения светового пучка и локальных радиальных наклонов фазы на его границе с последующей их компенсацией с использованием биморфного зеркала. Для компенсации общих наклонов волнового фронта на основании соответствующих данных измерения может также использоваться дополнительное зеркало. Модулирующее мембранное зеркало создает на решетке линз два внефокальных изображения зрачка телескопа: первое формируется, когда модулирующее зеркало максимально вогнуто; второе когда оно максимально выпукло. При этом при отсутствии модуляции плоское мембранное зеркало формирует изображение зрачка телескопа точно на решетке линз. При отсутствии фазовых искажений в пучке оба этих изображения будут тождественны, при наличии искажений изображения будет отличаться. Тем самым для каждого фотодиода будут различными сигналы для различных внефокальных изображений. Сигнал ошибки в каждом канале управления есть разность сигналов одного и того же фотодиода приемника излучения, соответствующих различных внефокальным изображением.

Усиленное напряжение ошибки подается на соответствующий электрод биморфного зеркала, которое компенсирует фазовые искажения в оптической системе. Недостатками данной адаптивной оптической системы являются: 1) малая амплитуда компенсируемых фазовых искажений, обусловленная малой величиной управляемых деформаций биморфного зеркала и его низкой чувствительностью (соответственно, максимум +/-10 мкм и максимум 25 мкм/кВ); 2) большая сложность системы, обусловленная сложностью и высокой трудоемкостью изготовления ее отдельных компонент, в частности, 13-ти высоковольтных блоков управления биморфным зеркалом (+/-400 В) и решетки линз, из которых 12 имеют нестандартную форму в виде кольцевых сегментов; 3) невозможность существенного повышения точности фазовой коррекции путем значительного увеличения числа каналов управления, обусловленная невозможность создания эффективных биморфных зеркал данного класса с большим числом управляющих электродов; 4) низкая точность фазовой коррекции, обусловленная низким порядком симметрии отдельных управляющих электродов биморфного зеркала и отдельных субапертур решетки линз; 5) низкий допустимый уровень мощности входного оптического излучения (приблизительно не более 1 кВт), обусловленный невозможностью изготовления охлаждаемых биморфных зеркал данного класса.

Известна адаптивная оптическая система компенсации атмосферных фазовых искажений в телескопе (см. J.S.Pazder, E.H.Richardson, G.Barrick. "Optical Designs of Adaptive Optics Modules for the Canada-France-Hawaii and Gemini Telescopes". Proc. of the ICO-16 Satellite Conference on Active and Adaptive optics, Aug. 2-5, 1993, Garching/Munich, Germany, F.Merkle ed. ESO Conference and Workshop Proc. N 48, p.59-64 и R.Arsenault, D.Salmon, J.Kerr и et al. "PUEO", The Canada-France-Hawaii Telescope Adaptive Optics Bonnette. I. System Description. " Proc. SPIE, 1944, vol.2201, p.833-842.), содержащая корректирующее устройство, включающее зеркало для динамической компенсации наклонов волнового фронта и деформируемое биморфное зеркало на основе активной пьезоэлектрической биморфной структуры с 19 управляющими электродами в виде центрального эллипса и двух концентрических эллиптических колец, разбитых соответственно на 6 и 12 отдельных сегментов (см. C.Boyer, P.Jagourel, J. P.Gaffard et al."Laserdot components of the PUEO Adaptive Optics System."
Laserdot-Cilas, September 1995); светоделительный элемент; модулирующее мембранное зеркало; задающий генератор; усилитель сигнала модулирующего зеркала, вход которого соединен с одним из выходов задающего генератора, а выход с модулирующим зеркалом; формирующую оптику; решетку из 19 отдельных линз, расположение и форма световой апертуры каждой из которых соответствуют отдельному управляющему электроду деформируемого биморфного зеркала; оптический элемент, сопряженный с решеткой линз так, что фокусы всех субапертур последней совпадают с его задней плоскостью; приемник излучения, содержащий 19 отдельных лавинных фотодиодов; набор волоконно-оптических кабелей, каждый из которых с одной стороны сопряжен с фокусом отдельной субапертуры решетки линз и соединен с оптическим элементом, а с другой сопряжен с отдельным фотодиодом приемника излучения; электронный усилитель-преобразователь, входы которого соединены с выходами приемника излучения и задающего генератора, а выходы с корректирующим устройством.

Работа данной адаптивной оптической системы аналогична предыдущей с той лишь разницей, что в ней имеется 19 каналов управления фазой вместо 13, из которых для коррекции периферийных радиальных наклонов волнового фронта используется 12.

Недостатками данной адаптивной оптической системы являются: 1) малая амплитуда компенсируемых фазовых искажения, обусловленная малой величиной управляемых деформаций биморфного зеркала и его чувствительностью (предельный управляемый радиус кривизны зеркала составляет +/-34 м); 2) большая сложность системы, обусловленная, во-первых, необходимостью использования специального зеркала для компенсации наклонов волнового фронта, а во-вторых, сложностью и высокой трудоемкостью изготовления ее отдельных компонент, в частности: 19-ти высоковольтных блоков управления биморфным зеркалом (+/- 400 В) и решетки линз, из которых 18 имеют нестандартную форму в виде кольцевых сегментов; 3) невозможность существенного повышения точности фазовой коррекции путем значительного увеличения числа каналов управления, обусловленная невозможностью создания эффективных биморфных зеркал данного класса с большим числом управляющих электродов; 4) низкая точность фазовой коррекции, обусловленная низким порядком симметрии отдельных управляющих электродов биморфного зеркала и отдельных субапертур решетки линз; 5) низкий допустимый уровень мощности входного оптического излучения (приблизительно не более 1 кВт), обусловленный невозможностью изготовления охлаждаемых биморфных зеркал данного класса.

Известна адаптивная оптическая система компенсации атмосферных фазовых искажений в телескопе, выбранная за прототип (см. J.E. Graves, D.L.McKenna. "The University of Hawaii adaptive optics system: III. The Wavefront Curvature Sensor." Proc. SPIE, 1991, vol. 1542, p. 262 272. и M.J.Northcott, K. Jim, J. E.Graves и др. "The UH Curvature Based Adaptive Optics Instrument." Proc. of the ICO-16 Satellite Conference on Active and Adaptive Optics, Aug. 2-5, 1993, Garching/Munich, Germany, F. Merkle ed. ESO Conference and Workshop Proc. N 48, p. 41-46 ), содержащая корректирующее устройство, включающее зеркало для динамической компенсации наклонов волнового фронта и деформируемое биморфное зеркало на основе активной пьезоэлектрической биморфной структуры с 13 управляющими электродами в виде центрального круга и двух концентрических колец, каждое из которых разбито на 6 отдельных сегментов (см. J.-P.Gaffard, P. Jagourel, P.Gigan. "Adaptive Optics: Description of available components at Laserdot." Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p. 688 702); светоделительный элемент; модулирующее мембранное зеркало; задающий генератор; усилитель сигнала модулирующего зеркала, вход которого соединен с одним из выходов задающего генератора, а выход с модулирующим зеркалом; формирующую оптику; приемник излучения, выполненный в виде решетки из 13 pin-фотодиодов, расположение и форма световой апертуры каждого из которых соответствуют отдельному управляющему электроду деформируемого биморфного зеркала; электронный усилитель-преобразователь, входы которого соединены с выходами приемника излучения и задающего генератора, а выходы с корректирующим устройством.

Работа известной адаптивной оптической системы аналогична предыдущим с той лишь разницей, что в данном случае при модуляции мембранного зеркала внефокальные изображения зрачка телескопа формируются непосредственно на приемнике излучения, а не на решетке линз. Недостатками известной системы являются: 1) малая амплитуда компенсируемых фазовых искажений, обусловленная малой величиной управляемых деформаций биморфного зеркала и его низкой чувствительностью (соответственно, максимум +/-10 мкм и максимум 25 мкм/кВ); 2) большая сложность системы, обусловленная необходимостью использования 13-ти высоковольтных блоков управления биморфным зеркалом (+/-400 В) и специального зеркала для компенсации наклонов волнового фронта; 3) невозможность существенного повышения точности фазовой коррекции путем значительного увеличения числа каналов управления, обусловленная невозможностью создания эффективных биморфных зеркал данного класса с большим числом управляющих электродов; 4) низкая точность фазовой коррекции, обусловленная низким порядком симметрии отдельных управляющих электродов биморфного зеркала и отдельных субапертур приемника излучения; 5) низкий допустимый уровень мощности входного оптического излучения (приблизительно не более 1 кВт), обусловленный невозможностью изготовления охлаждаемых биморфных зеркал данного класса.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение диапазона и повышение точности компенсации фазовых искажений оптического излучения с одновременным увеличением допустимого уровня мощности последнего и упрощением адаптивной оптической системы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в адаптивном оптическом модуле, содержащем корректирующее устройство, включающее деформируемое биморфное зеркало, светоделительный элемент, модулирующее зеркало, задающий генератор, усилитель сигнала модулирующего зеркала, вход которого соединен с одним из выходов задающего генератора, а выход с модулирующим зеркалом, формирующую оптику, приемник излучения, выполненный в виде решетки фотодиодов, и электронный усилитель-преобразователь, входы которого соединены с выходами приемника излучения и задающего генератора, а выходы с корректирующим устройством, корректирующее устройство выполнено в виде динамической юстировочной головки с установленным в ней деформируемым биморфным зеркалом, выполненным в виде полупассивной биморфной структуры, содержащей гексагональную мозаичную систему многослойных пьезоэлектрических элементов шестиугольной или круглой формы, приемник излучения выполнен в виде гексагональной решетки из фотодиодов с круглой или шестиугольной световой апертурой, а электронный усилитель-преобразователь выполнен с возможностью формирования сигналов управления приводами динамической юстировочной головки. Кроме того, адаптивный оптический модуль может быть снабжен расположенной перед приемником излучения гексагональной решеткой линз с круглыми световыми апертурами; каждый из фотодиодов приемника излучения может располагаться в фокусе соответствующей субапертуры гексагональной решетки линз. Модуль также может быть снабжен набором волоконно-оптических кабелей, каждый из которых с одной стороны сопрягается с отдельной субапертурой гексагональной решетки линз, а с другой с соответствующим фотодиодом приемника излучения; оптическим элементом, сопряженным с одной стороны с гексагональной решеткой линз, а с другой стороны с набором отдельных волоконно-оптических кабелей, при этом фокусы всех субапертур гексагональной решетки линз совпадают с задней плоскостью этого оптического элемента; корпусом, в котором располагаются все оптические элементы, включая приемник излучения, содержащем входное и выходное оптические окна, причем входное оптическое окно располагается перед деформируемым биморфным зеркалом в ходе луча, поступающего на него, а выходное оптическое окно располагается после светоделительного элемента в ходе луча, отраженного от него или прошедшего через него.

Входное оптическое окно также может быть выполнено в виде объектива, входная световая апертура которого соответствует поперечному размеру луча, входящего в модуль, а его выходная световая апертура согласована с управляемой световой апертурой деформируемого биморфного зеркала с учетом угла наклона последнего по отношению к падающему на него лучу; деформируемое биморфное зеркало в модуле может быть выполнено охлаждаемым; электронный усилитель-преобразователь может включать в себя предварительный усилитель, входами связанный с соответствующими фотодиодами приемника излучения, а выходами с входами синхронного детектора со схемой вычитания, один из входов которого связан с выходом задающего генератора, а к выходам параллельно подсоединены преобразователь и блок умножения, последовательно связанные соответственно через первый усилитель с приводами динамической юстировочной головки и через цифро-аналоговый преобразователь и второй усилитель с многослойными пьезоэлектрическими элементами деформируемого биморфного зеркала.

Расширение диапазона компенсации фазовых искажений оптического излучения, т.е. увеличение максимальной амплитуды компенсируемых искажений волнового фронта, достигается за счет того, что деформируемое биморфное зеркало выполнено в виде полупассивной биморфной структуры, содержащей гексагональную мозаичную систему многослойных пьезоэлектрических элементов шестиугольной или круглой формы. Действительно, в этом случае за счет использования многослойных пьезоэлектрических элементов в полупассивном биморфном зеркале повышается амплитуда управляемых перемещений его оптической поверхности, во-первых, и увеличивается его чувствительность, во-вторых (см. А.Г. Сафронов. "Мозаичное адаптивное биморфное зеркало". Патент РФ по заявке N 96104503 от 19 марта 1996 г. МПК G 02 B 5/08, положительное решение от 23 апреля 1996 г. ). Причем, оба этих эффекта имеют место даже по сравнению с активным биморфным зеркалом, которое используется в прототипе.

В случае одноканального многослойного биморфного зеркала (содержащего один многослойный пьезоэлемент) оба этих эффекта могут быть подтверждены численным примером: деформации отражающей поверхности при максимальном напряжении 300 В составляют порядка 21 мкм (для зеркала, использующегося в прототипе 10 мкм при 400 В); чувствительность порядка 70 мкм/кВ (для зеркала в прототипе 25 мкм/кВ), см. А.Г. Сафронов "Одноканальные адаптивные зеркала для лазерной оптики". Квантовая электроника, 1995, т. 22, N 11, с. 1113 1117. Необходимо отметить, что приведенные данные являются усредненными и соответствуют биморфному зеркалу с молибденовой отражающей пластиной, световая апертура которой несколько больше, чем в зеркале, использующемся в прототипе. Поскольку перемещения оптической поверхности деформируемого биморфного зеркала возрастают, то тем самым в предлагаемом адаптивном оптическом модуле происходит увеличение максимальной амплитуды компенсируемых искажений волнового фронта по сравнению с прототипом, т.е. достигается расширение диапазона компенсации фазовых искажений оптического излучения. Соответствующим отличительным признаком в данном случае является то, что полупассивная биморфная структура деформируемого зеркала в предлагаемом адаптивном оптическом модуле содержит многослойный пьезоэлектрические элементы. Необходимо отметить, что использование данного отличительного признака в известных прототипе и аналогах невозможно, т.к. отдельные многослойные пьезоэлементы могут быть реализованы только в полупассивной биморфной структуре.

Повышение точности компенсации фазовых искажений оптического излучения в предлагаемом изобретении достигается за счет возможности увеличения числа каналов управления фазой в адаптивной системе. Действительно, в этом случае возможны измерения и компенсации искажений волнового фронта с большей пространственной частотой, чем в прототипе, и тем самым снижается остаточная ошибка компенсации, а значит повышается ее точность. Соответствующими отличительными признаками в данном случае являются следующие: полупассивная биморфная структура деформируемого зеркала в предлагаемом адаптивном оптическом модуле содержит гексагональную мозаичную систему многослойных пьезоэлектрических элементов шестиугольной или круглой формы, а приемник излучения выполнен в виде гексагональной решетки из фотодиодов с круглой или шестиугольной световой апертурой. Отметим, что значительное увеличение числа каналов управления фазой в известных прототипе и аналогах практически невозможно, т. к. создание деформируемого зеркала на основе активной биморфной структуры с большим количеством управляющих электродов является в сущности невыполнимой задачей из-за невозможности электрической разводки управляющих электродов и доступа к ним.

Необходимо также отметить, что из уровня техники известна адаптивная оптическая система компенсации атмосферных фазовых искажений в телескопе, содержащая полупассивное деформируемое биморфное зеркало с гексагональной системой из 19 или 37 управляющих электродов (см. F.F. Forbes, N. Roddier. "Adaptive optics using curvature sensing". Proc. SPIE, 1991, vol. 1542. p. 140 147). Однако, известная система в отличие от предлагаемого модуля содержит в деформируемом биморфном зеркале не многослойные пьезоэлементы, а всего лишь пьезопластину с нанесенными на ее внешнюю поверхность управляющими электродами. Рабочие характеристики и эффективность такого зеркала очень низкие, в частности, оно имеет очень малую амплитуду перемещений отражающей поверхности и, следовательно, известная адаптивная оптическая система на его основе имеет небольшой диапазон фазовой компенсации (по амплитуде искажений волнового фронта). Кроме того:
1) в известной системе также невозможно существенное увеличение числа каналов управления по причине невозможности электрической разводки управляющих электродов;
2) используемое в известной системе биморфное зеркало имеет низкие рабочие характеристики, обладает высокой сложностью эксплуатации его в реальной оптической системе, а также настолько трудоемко в изготовлении, что его практическая реализация в сущности невозможна;
3) в известной системе используется существенно другой приемник излучения, содержащий набор призм и твердотельный фотоумножитель; практическая реализуемость и эффективность такого приемника излучения весьма низкие.

Следовательно, эффективность известной системы в целом и ее "работоспособность" также являются очень низкими. Т.о. на основании вышеизложенного можно утверждать, что только сочетание указанных отличительных признаков позволяет добиться отмеченного технического результата, т.е. расширения диапазона и повышения точности компенсации фазовых искажений оптического излучения.

Упрощение адаптивной оптической системы в предлагаемом изобретении обеспечивается по следующим причинам.

1) За счет исключения из оптической схемы специального зеркала для динамической компенсации общих наклонов волнового фронта и замены его динамической юстировочной головкой. Соответствующими отличительными признаками в данном случае являются следующие: корректирующее устройство выполнено в виде динамической юстировочной головки с установленным в ней деформируемым биморфным зеркалом, выполненным в виде полупассивной биморфной структуры, а электронный усилитель-преобразователь выполнен с возможностью формирования сигналов управления приводами динамической юстировочной головки.

2) За счет снижения управляющего напряжения деформируемого биморфного зеркала и, как следствие этого, замены громоздких и сложных высоковольтных блоков управления зеркалом на низковольтную аппаратуру. Снижение управляющего напряжения деформированного биморфного зеркала, в свою очередь, обеспечивается за счет использования в его конструкции многослойных пьезоэлементов. Действительно, в этом случае для компенсации фазовых искажений с заданной амплитудой на деформируемое биморфное зеркало требуется подать гораздо меньшее управляющее напряжение по сравнению с известными прототипом и аналогами. Следовательно, высоковольтные блоки управления могут быть заменены на низковольтные без снижения эффективности адаптивного оптического модуля. Соответствующим отличительным признаком в данном случае является то, что полупассивная биморфная структура деформируемого биморфного зеркала содержит гексагональную мозаичную систему многослойных пьезоэлектрических элементов.

Необходимо отметить, что из существующего уровня техники известно использование юстировочной головки для упрощения адаптивной оптической системы (см. А.В.Икрамов, А.Г.Сафронов. "Оптический адаптивный модуль." Патент РФ по заявке N 92010078/28(055859) от 7 декабря 1992 г. МПК G 02 B 26/06, положительное решение от 4 августа 1994 г.). Однако, только сочетание обоих вышеперечисленных отличительных признаков позволяет гарантированно получить существенный указанный выше технический результат. Т.е. добиться существенного гарантированного упрощения адаптивной оптической системы в предлагаемом изобретении, причем как в ее оптико-механической части, так и в электронной.

Кроме того, необходимо отметить, что использование в прототипе первого из двух вышеназванных отличительных признаков, а именно, что корректирующее устройство выполнено в виде динамической юстировочной головки с установленным в ней деформируемым биморфным зеркалом, невозможно. Во всяком случае, если использовать для этой цели стандартную промышленную юстировочную головку, например, B-455.20 (или B-455.30) Gimbal-Mount Mirror Holder with Piezoelectric Fine Adjustment (держатель зеркала с карданным закреплением и тонкой пьезоэлектрической юстировкой, N по каталогу B-455.20 или B-455.30) фирмы Physik Instrumente (PI) GmbH. Причина этого значительные габариты и масса деформируемого биморфного зеркала, использующего в прототипе (диаметр
100 мм, длина 80 мм, масса порядка 1 кг). Для примера, эти данные можно сравнить с аналогичными характеристиками многослойного одноканального полупассивного биморфного зеркала (массогабаритные параметры многоканального зеркала, очевидно, будут отличаться весьма незначительно): диаметр 60-70 мм; толщина (без электрического разъема) 13 мм, масса около 250 г (см. А.Г.Сафронов Одноканальные адаптивные зеркала для лазерной оптики. Квантовая электроника, 1995, т.22, N 11, с.1113-1117). Деформируемое зеркало с перечисленными характеристиками практически идеально устанавливается в динамическую юстировочную головку, в том числе в указанный выше промышленный образец. Таким образом достижение по сравнению с прототипом указанного выше технического результата (т.е. упрощения адаптивной оптической системы) обеспечивается только в случае сочетания перечисленных признаков, а именно, что корректирующее устройство выполнено в виде динамической юстировочной головки с установленным в ней деформируемым биморфным зеркалом, выполненным в виде полупассивной биморфной структуры, содержащей гексагональную мозаичную систему многослойных пьезоэлектрических элементов, а электронный усилитель преобразователь выполнен с возможностью формирования сигналов управления приводами динамической юстировочной головки.

Другим отличием предлагаемого изобретения является то, что, с целью повышения чувствительности адаптивного оптического модуля, он снабжен расположенной перед приемником излучения гексагональной решеткой линз с круглыми световыми апертурами. Увеличение чувствительности адаптивного оптического модуля в данном случае достигается благодаря возможности уменьшения световых апертур всех фотодиодов приемника излучения и, тем самым, снижения их темновых токов и собственных шумов системы. Необходимо отметить, что применение решетки линз для повышения чувствительности имеет место в известных аналогах. Однако, в обоих случаях в этих решетках используются отдельные линзы, форма которых, соответствующая форме отдельных электродов биморфного зеркала, является нестандартной. Следовательно, их изготовление и оптический контроль являются сложными и трудоемкими. Возможность замены нестандартных оптических линз обычными линзами круглой формы приводит к еще большему упрощению адаптивного оптического модуля. Т.о. только использование данного отличительного признака в целом (т.е. что модуль снабжен расположенной перед приемником излучения гексагональной решеткой линз с круглыми световыми апертурами) позволяет не только добиться повышения чувствительности адаптивного оптического модуля, но и обеспечивает существенный технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение (упрощение адаптивной оптической системы).

Для повышения чувствительности и надежности предлагаемого адаптивного модуля, а также с целью дальнейшего расширения его функциональных возможностей каждый из фотодиодов приемника излучения может быть расположен в фокусе соответствующей субапертуры гексагональной решетки линз; модуль может быть снабжен набором волоконно-оптических кабелей, каждый из которых с одной стороны сопрягается с отдельной субапертурой гексагональной решетки линз, а, с другой, с соответствующим фотодиодом приемника излучения; модуль может быть снабжен оптическим элементом, сопряженным с одной стороны с гексагональной решеткой линз, а, с другой стороны, с набором отдельных волоконно-оптических кабелей, при этом фокусы всех субапертур гексагональной решетки линз совпадают с задней плоскостью этого оптического элемента; модуль может быть снабжен единым корпусом, в котором располагаются все оптические элементы, включая излучение, содержащем входное и выходное оптические окна, причем входное оптическое окно располагается перед деформируемым биморфным зеркалом в ходе луча, поступающего на него, а выходное оптическое окно располагается после светоотделительного элемента в ходе луча, отраженного от него или прошедшего через него; входное оптическое окно может быть выполнено в виде объектива, входная световая апертура которого соответствует поперечному размеру луча, входящего в модуль, а его выходная световая апертура согласована с управляемой световой апертурой деформируемого зеркала с учетом угла наклона последнего по отношению к падающему на него лучу; электронный усилитель-преобразователь может включать в себя предварительный усилитель, входами связанный с соответствующими фотодиодами приемника излучения, а выходами с входами синхронного детектора со схемой вычитания, один из входов которого связан с выходом задающего генератора, а к выходам параллельно подсоединены преобразователь и блок умножения, последовательно связанные соответственно через первый усилитель с приводами динамической юстировочной головки и через цифро-аналоговый преобразователь и второй усилитель с многослойными пьезоэлектрическими элементами деформируемого биморфного зеркала.

Другим отличием предлагаемого адаптивного оптического модуля является то, что, с целью увеличения допустимого уровня мощности входного оптического излучения, деформируемое биморфное зеркало выполнено охлаждаемым. Необходимо отметить, что использование данного отличительного признака в прототипе невозможно (т.е. указанный технический результат увеличение допустимого уровня мощности входного оптического излучения не достижим), т.к. невозможно реализовать систему охлаждения отражающей поверхности в биморфном деформируемом зеркале на основе активной биморфной структуры. Следовательно, только сочетание отличительных признаков (что деформируемое биморфное зеркало выполнено в виде полупассивной биморфной структуры и одновременно охлаждаемым) позволяет добиться указанного технического результата.

Указанные цели и преимущества изобретения будут понятны из нижеследующего описания конструкции и прилагаемых чертежей.

На фиг.1 показано схематичное устройство адаптивного оптического модуля и, в том числе, возможное исполнение его корпуса. На фиг. 2 схематично показано устройство динамической юстировочной головки для пояснения принципа ее действия. На фиг. 3 показан схематичный разрез деформируемого биморфного зеркала на основе полупассивной биморфной структуры в случае использования в каждом многослойном пьезоэлементе пяти пьезоэлектрических пластин (пьезослоев). На фиг. 4 показан вид деформируемого биморфного зеркала со стороны многослойных пьезоэлектрических элементов для случая, когда они имеют шестиугольную форму, а их количество составляет 19. На фиг. 5 показан приемник излучения для случая, когда он представляет собой решетку из 19 фотодиодов с шестиугольными световыми апертурами. На фиг. 6 показана примерная блок-схема электронного усилителя-преобразователя. На фиг. 7 показан фрагмент устройства адаптивного оптического модуля в случае использования решетки линз с круглыми световыми апертурами. На фиг. 8 показана решетка линз для случая, когда они имеют круглую форму, а их общее количество составляет 19. На фиг. 9 показан фрагмент устройства адаптивного оптического модуля в случае использования после решетки линз дополнительного оптического элемента и набора волоконно-оптических кабелей.

Предлагаемое устройство состоит из динамической юстировочной головки 1, в которой размещено деформируемое биморфное зеркало 2, светоделительного элемента 3, модулирующего зеркала 4, приемника излучения 5, задающего генератора 6, усилителя сигнала модулирующего зеркала 7 и электронного усилителя-преобразователя 8 (фиг.1). Кроме того, в адаптивный оптический модуль может входить корпус 9, содержащий входное 10 и выходное 11 оптические окна (фиг.1). Динамическая юстировочная головка состоит из неподвижного основания 12, двух опор 13 и 16, двух пьезоэлектрических приводов 14 и 17, подвижного основания 15 и подвижной оправы 18 (фиг. 2). Деформируемое биморфное зеркало состоит из корпуса 19, отражающей пластины 20, многослойных пьезоэлектрических элементов 21, соединительных электрических проводов 22 и электрического разъема 23 (фиг. 3 и 4). Приемник излучения состоит из фотодиодов 24 (фиг. 5). Электронный усилитель-преобразователь состоит из предварительного усилителя 25, синхронного детектора и схемы вычитания 26, устройства умножения на матрицу управления 27, цифро-аналогового преобразователя 28, выходных усилителей 29 и преобразователя 30 (фиг. 6). В адаптивный оптический модуль могут также входить решетка линз 31 (фиг. 7) с круглыми световыми апертурами 32 (фиг. 8), оптический элемент 33 и набор волоконно-оптических кабелей 34 (фиг. 9). На фиг. 1 в динамической юстировочной головке 1 стрелками условно показаны пьезоприводы, входящие в ее конструкцию. На фиг. 1, 7 и 9 соответствующими стрелками показаны направление распространения оптического пучка между оптическими компонентами и направления прохождения электрических сигналов между электронными устройствами. Пунктирными линиями на фиг. 1, 7 и 9 схематично показаны два крайних положения оптической поверхности модулирующего зеркала 4. На фиг. 2 символами X и Y обозначены две взаимно перпендикулярные координатные оси. На фиг. 6 символами N и 2 возле линий связи отдельных блоков показано, что соответствующие устройства имеют несколько входных и выходных каналов.

Адаптивный оптический модуль работает следующим образом. Входное оптическое излучение (пучок) поступает, см. фиг. 1, на деформируемое биморфное зеркало 2, установленное в динамической юстировочной головке 1, и далее на светоделительный элемент 3, с которого небольшая доля излучения отводится в приемный оптический канал (т.е. на модулирующее зеркало 4), а основной пучок поступает на выход из модуля. Отраженное от модулирующего зеркала 4 оптическое излучение поступает на приемник излучения 5, электрические сигналы которого подаются на вход электронного усилителя-преобразователя 8. В исходном состоянии оптическая форма деформируемого биморфного зеркала 1 и модулирующего зеркала 4 плоская, а все оптико-механические элементы модуля (1, 2, 3, 4 и 5), включая формирующую оптику, на чертежах на показанную, съюстированы таким образом, что на приемнике излучения 5 формируется действительное фокальное изображение либо источника излучения, либо объекта наблюдения. При этом при начальной юстировке оптической схемы модуля используется оптический пучок с плоским волновым фронтом. Заметим, что на всех прилагающихся чертежах углы падения оптического пучка на оптические элементы показано условно и в каждом конкретном случае могут изменяться необходимом образом.

Когда в исходном состоянии на модулирующее зеркало 4 от задающего генератора 6 через усилитель 7 (фиг. 1) поступает электрический сигнал, например синусоидальный, то модулирующее зеркало 4 изменяет свою кривизну. Модулирующее зеркало может быть выполнено либо мембранным, либо биморфным. В моменты времени, соответствующие двум максимальным и противоположным по знаку прогибам модулирующего зеркала 4, см. фиг. 1, на приемнике излучения 5 формируются два внефокальных изображения. В исходном состоянии при входном оптическом пучке с плоским волновым фронтом эти внефокальные изображения тождественны.

Электрический сигнал с каждого фотодиода 24 (фиг. 5), приемника излучения 5 (фиг. 1) поступает на вход электронного усилителя-преобразователя 8, в котором каждый сигнал сначала усиливается в предварительном усилителе 25 (фиг. 6), а затем поступает на синхронный детектор и схему вычитания 26. Число каналов предварительного усилителя 25 и синхронного детектора со схемой вычитания 26 (фиг. 6) соответствует количеству фотодиодов 24 (фиг. 5) приемника излучения 5 (фиг. 1). На фиг. 6 это показано символом N возле линий связи соответствующих блоков. В каждом канале синхронного детектора 26 (фиг. 6) детектируется два сигнала, каждый из которых пропорционален интенсивности оптического излучения на соответствующем фотодиоде 24 (фиг. 5) приемника излучения 5 (фиг.1), в моменты времени, соответствующие двум крайним положениям оптической поверхности модулирующего зеркала 4, т.е. когда на приемнике излучения 5 формируются два внефокальных изображения. Для этого на синхронный детектор 26 (фиг. 6) подается электрический сигнал от задающего генератора 6 (фиг.1). Электрический сигнал на выходе каждого канала схемы вычитания 26 (фиг. 6) представляет собой разность двух указанных сигналов. Поскольку в исходном состоянии при входном оптическом пучке с плоским волновым фронтом формируемые внефокальные изображения тождественны, то в данном случае на выходе всех каналов синхронного детектора и схемы вычитания 26 электрические сигналы будут равны нулю. Тем самым, будут равны нулю все электрические сигналы на выходе электронного усилителя-преобразователя 8 (фиг. 1) и на входе динамической юстировочной головки 1 и деформируемого биморфного зеркала 2. При этом форма зеркала 1 останется плоской и выходной оптический пучок будет по-прежнему иметь плоский волновой фронт.

При наличии во входном оптическом пучке искажений волнового фронта, внефокальные изображения, формируемые на приемнике излучения 5 (фиг. 1), в моменты времени, соответствующие двум крайним положениям отражающей поверхности модулирующего зеркала 4, различны. Тем самым, будут отличны от нуля выходные электрические сигналы в каждом канале синхронного детектора и схемы вычитания 26 (фиг.6) Причем, для внутренних фотодиодов 24 (фиг.5) приемника излучения 5 (фиг.1) соответствующий разностный сигнал на выходе каждого такого канала будет пропорционален локальной кривизне (обратно пропорционален радиусу кривизны) волнового фронта входного оптического пучка, т.е. кривизне волнового фронта в пределах отдельной субапертуры (чувствительной площадки отдельного фотодиода 24) приемника излучения 5. Для периферийных фотодиодов 24 (фиг. 5) приемника излучения 5 (фиг. 1) разностный сигнал на выходе каждого соответствующего канала синхронного детектора и схемы вычитания 26 (фиг. 6) будет пропорционален локальному наклону волнового фронта входного оптического пучка (см. F. Roddier. "Curvature sensing and compensation, a new concept in adaptive optics." Appl. Opt. 1988, v. 27, N 7, p. 1223 1225). Оба эти условия достигаются согласованием световой апертуры приемника излучения 5 и поперечного размера оптического пучка, поступающего на него.

С выхода синхронного детектора и схемы вычитания 26 (фиг. 6) электрические сигналы поступают на блок умножения 27, который формирует сигналы управления деформируемым биморфным зеркалом 2 (фиг. 1) посредством выполнения операции матричного умножения:
V C x U, (1)
где U вектор выходных сигналов синхронного детектора и схемы вычитания 26 (фиг. 6), т.е. каждый элемент U_i вектора U соответствует выходному напряжению в отдельном канале; размерность вектора U равна N, т.е. количеству отдельных субапертур (отдельных фотодиодов 24, фиг. 5) приемника излучения 5 (фиг. 1); C матрица управления, равномерность которой в данном случае составляет N x N; в простейшем случае матрица C является диагональной, а ее элементы определяются экспериментально на предварительном этапе калибровки адаптивного оптического модуля с использованием различных опорных источников; V вектор выходных сигналов блока управления 27 (фиг. 6); каждый элемент V_i вектора V соответствует отдельному управляющему сигналу деформируемого биморфного зеркала 2 (фиг.1); размерность вектора V равна числу каналов управления деформируемого биморфного зеркала 2 (в данном случае N).

Цифро-аналоговый преобразователь 28 (фиг. 6) и выходной усилитель 29 преобразуют выходные сигналы блока умножения 27 в управляющие электрические напряжения, которые подаются на деформируемое биморфное зеркало 2 (фиг. 1), состоящее из корпуса 19 (см. фиг. 3 и 4) и полупассивной биморфной структуры, образованной отражающей пластиной 20 и гексагональной мозаичной системой многослойных пьезоэлектрических элементов 21 шестиугольной или круглой формы (на фиг. 4 многослойные пьезоэлементы показаны шестиугольными). Управляющее электрическое напряжение подается на многослойные пьезоэлементы через электрический разъем 23 и соединительные провода 22, см. фиг. 3. Благодаря внутренним соединениям в каждом многослойном пьезоэлементе (см. А.Г. Сафронов. Мозаичное адаптивное биморфное зеркало. Патент РФ по заявке N 96104503 от 19 марта 1996 г. МПК G 02 B 5/08, положительное решение от 23 апреля 1996 г.) электрическое напряжение прикладывается к каждому его пьезослою (или пьезопластине), что является принципиально важным для достижения указанного технического результата. При подаче электрического напряжения на многослойные пьезоэлементы они деформируются за счет обратного пьезоэлектрического эффекта, что является причиной деформаций (изгиба) соответствующих локальных полупассивных биморфных структур и, тем самым, отражающей поверхности деформируемого биморфного зеркала.

В наиболее простом случае (при наличии либо единственного управляющего электрода, либо единственного многослойного пьезоэлемента круглой формы, центр которых совпадает с центром зеркала) форма отражающей поверхности W(r) полупассивного деформируемого биморфного зеркала при подаче управляющего напряжения V описывается следующей формулой (в пределах управляющего электрода или пьезоэлемента):
W(r) -K(r/r₀)²V, 00, (2)
где r₀ радиус управляющего электрода (многослойного пьезоэлемента); K амплитудная чувствительность зеркала. Аналитически формула (2) получена в работе: P.Jagourel, P.-Y.Madec, M. Sechaud. "Adaptive Optics: A bimorph mirror for wavefront correction". Proc. SPIE, 1990, vol. 1237, p. 394 405; экспериментальное подтверждение в работе: А.Г. Сафронов Одноканальные адаптивные зеркала для лазерной оптики. Квантовая электроника, 1995, т. 22, N 11, с. 1113 1117. Необходимо отметить, что формула (2) не учитывает влияния гистерезиса пьезокерамики и записана для деформируемого зеркала с плоской исходной формой отражающей поверхности. Как можно видеть, уравнение (2) описывает параболоид вращения с радиусом кривизны при вершине R_кр:
R_кр= r/2KV (3)
который обратно пропорционален управляющему напряжению V. Таким образом ясно, что в простейшем случае многослойного пьезоэлектрического элемента круглой формы имеется однозначное соответствие между разностным сигналом соответствующего фотодиода, пропорциональным кривизне искаженного волнового фронта, и кривизной отражающей поверхности деформируемого биморфного зеркала, пропорциональной управляющему напряжению (в данном случае подразумевается, что разностный сигнал снимается с фотодиода приемника излучения, месторасположение и размер которого соответствует многослойному пьезоэлементу биморфного зеркала). Следовательно, для рассматриваемого простейшего случая деформации биморфного зеркала с одним центральным пьезоэлементом, при подаче управляющего напряжения, пропорционального разностному сигналу фотодиода, приведут к коррекции (компенсации) кривизны волнового фронта во входном (искаженном) оптическом пучке. Рассмотренный простейший случай в предлагаемом адаптивном оптическом модуле соответствует центральному многослойному пьезоэлементу деформируемого биморфного зеркала (фиг. 4) и центральному фотодиоду приемника излучения (фиг. 5). Понятно, что в случае шестиугольной формы пьезоэлемента и субапертуры приемника излучения приведенные рассуждения сохраняют свою справедливость, поскольку отличие площади шестиугольника от площади вписанной в него окружности весьма незначительно.

Для указанных на фиг. 4 внутренних многослойных пьезоэлементов 21 форма отражающей поверхности биморфного зеркала при их деформации будет отличаться от формулы (2), даже если пьезоэлементы будут круглыми. Причина этого - смещение пьезоэлементов к краю зеркала. Однако, в пределах самого внутреннего многослойного пьезоэлемента это отличие будет незначительным и по-прежнему можно считать, что кривизна отражающей поверхности биморфного зеркала в пределах такого пьезоэлемента пропорциональна управляющему напряжению, приложенному к нему (например, для биморфного зеркала, содержащего монолитную пьезопластину и сегментированные управляющие электроды, это подтверждается расчетными и экспериментальными данными в следующей работе: А.В. Икрамов, И. М. Рощупкин, А. Г. Сафронов. Охлаждаемые биморфные адаптивные зеркала для лазерной оптики. Квантовая электроника, 1994, т. 21, N 7, с. 665 669). Следовательно, при подаче управляющего напряжения, пропорционального разностному сигналу, с соответствующего внутреннего фотодиода 24 (фиг. 5) приемника излучения, на внутренние пьезоэлементы 21 (фиг. 3 и 4) будет происходить коррекция локальной кривизны искаженного волнового фронта входного оптического пучка. Заметим, что последние рассуждения справедливы в том случае, если суммарная апертура, занимаемая внутренними многослойными пьезоэлементами 21 (фиг. 4), находится внутри поперечного сечения входного оптического пучка. Это также относится к суммарной апертуре, занимаемой внутренними фотодиодами 24 (фиг. 5) приемника излучения.

Необходимо отметить, что отдельные многослойный пьезоэлементы 21 биморфного зеркала (фиг. 4) и отдельные субапертуры 24 (фотодиоды) приемника излучения (фиг. 5) могут иметь круглую форму (на фиг. 4 и 5 это не показано). Причем, в этом случае по сравнению с их шестиугольной формой, как показано на фиг. 4 и 5, обеспечивается большая симметрия функций отклика отдельных многослойных пьезоэлементов за счет равной кривизны этих функций отклика по различным возможным угловым направлениям. Благодаря большей симметрии обеспечивается лучшее соответствие между реальной локальной кривизной в искаженном волновом фронте входного оптического пучка (которой пропорционален разностный сигнал соответствующего фотодиода 24) и управляемой локальной кривизной отражающей поверхности деформируемого биморфного зеркала, что приводит, в конечном итоге, к повышению точности компенсации (коррекции) существующих фазовых искажений. Однако, в свою очередь, необходимо сказать, что шестиугольная форма пьезоэлементов 21 (фиг. 4) и фотодиодов 24 (фиг. 5) обеспечивает наиболее плотную их упаковку в пределах световой апертуры. Более плотное заполнение пьезоэлементами световой апертуры обеспечивает при прочих равных условиях большую амплитуду деформаций отражающей поверхности (хотя и незначительно), которая пропорциональна площади пьезоэлемента(-ов), см. формулу (2).

Для указанных на фиг. 4 периферийных многослойных пьезоэлементов 21 форма отражающей поверхности биморфного зеркала в соответствующей зоне световой апертуры при их деформации соответствует локальному периферийному наклону, т. е. при подаче управляющего напряжения на периферийный пьезоэлемент 21 отражающая поверхность 20 (фиг. 3) деформируемого биморфного зеркала наклоняется на некоторый угол в соответствующей зоне световой апертуры, см. А. В. Икрамов, С. В. Романов, И.М. Рощупкин, А.Г. Сафронов, А.О. Сулимов. Биморфное адаптивное зеркало. Квантовая электроника, 1992, т. 19, N 2, с. 180 183). Строгое выполнение этого условия достигается согласованием поперечного размера оптического пучка, падающего на биморфное зеркало 2 (фиг. 1), и расположением периферийных многослойных пьезоэлементов 21 (фиг. 3 и 4); характерный пример для сегментированных электродов монолитной пьезопластины приведен в работе: R.Arsenault, D.Salmon, J.Kerr и et al. "PUEO", The Canada-France-Hawaii Telescope Adaptive Optics Bonnette. I. System Description". Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p 833-842). Т.о. ясно, что имеется однозначное соответствие между разностным сигналом некоторого периферийного фотодиода 24 (фиг. 5) приемника излучения, пропорционального локальному наклону искаженного волнового фронта в соответствующей зоне поперечного сечения входного оптического пучка, с одной стороны, и локальным наклоном отражающей поверхности деформируемого биморфного зеркала в соответствующей зоне световой апертуры, пропорциональным управляющему напряжению, приложенному к соответствующему периферийному многослойному пьезоэлементу, с другой стороны. Следовательно, при подаче управляющих напряжений, пропорциональных разностным сигналам с соответствующих периферийных фотодиодов 24 (фиг.5) приемника излучения, на периферийные пьезоэлементы 21 (фиг.3 и 4) (будет происходить коррекция локальных краевых (периферийных) наклонов искаженного волнового фронта входного оптического пучка.

Помимо описанной фазовой коррекции в предлагаемом адаптивном оптическом модуле возможна компенсация общих каналов волнового фронта с использованием динамической головки 1 (фиг.1). Это осуществляется следующим образом. С выхода синхронного детектора и схемы вычитания 26 (фиг. 6) разностные электрические сигналы поступают на преобразователь 30, который формирует сигналы управления двумя пьезоэлектрическими приводами 14 и 17 (фиг. 2) динамической юстировочной головки 1 (фиг.1). Данные сигналы управления формируются путем преобразования разностных сигналов только периферийных фотодиодов 24 (фиг. 5), приемника излучения 5 (фиг.1). В простейшем случае сигналы управления пьезоприводами могут быть сформированы путем объединения всех периферийных фотодиодов 24 (точнее их разностных сигналов) в четыре отдельные группы, расположение каждой из которых соответствует одному из четырех направлений двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, показанных на фиг. 2. Далее выполняется суммирование всех разностных сигналов в каждой такой группе, что приводит к получению четырех отдельных сигналов, каждый из которых соответствует одному из четырех направлений двух взаимно перпендикулярных осей X и Y. (Вместо указанных суммарных сигналов можно просто выбрать 4 разностных сигнала 4-х отдельных периферийных фотодиодов 24, расположение каждого из которых соответствует одному из направлений осей X и Y). Затем выполняется взаимное вычитание сигналов, соответствующих противоположным направлениям одной из оси X или Y. Понятно, что каждый полученный таким образом сигнал пропорционален углу наклона волнового фронта входного оптического пучка по соответствующей оси. Все перечисленные здесь операции выполняются преобразователем 30 (фиг. 6), после чего полученные сигналы усиливаются в усилителе 29 и поступают на соответствующие пьезопривода 14 и 17 (фиг. 2) динамической юстировочной головки 1 (фиг.1).

Схематичное устройство динамической юстировочной головки показано на фиг. 2. Соединение соответствующих пьезоприводов 14, 17 и опор 13, 16 с подвижными основанием 15 и оправой 18 выполняется в виде шарнира, что обеспечивает наклоны подвижной оправы 18 по двум взаимно перпендикулярным осям X и Y при перемещениях соответствующих пьезоприводов 14 и 17. В подвижной оправе 18 динамической юстировочной головки 1 (фиг. 1) закрепляется деформируемое биморфное зеркало 2. При подаче на пьезоприводы 14 и 17 (фиг. 2) управляющих напряжений с выхода усилителя 29 (фиг.6) за счет поворотов деформируемого биморфного зеркала 1 (фиг. 1) по двум осям происходит компенсация общих наклонов искаженного волнового фронта входного оптического пучка. Заметим, что как указывалось выше, вместо специальной динамической юстировочной головки, схема которой представлена на фиг.2, можно использовать стандартные промышленные образцы. Кроме того, использование в динамической юстировочной головке пьезоэлектрических управляющих приводов также не являются обязательным. Вместо них, в принципе, можно использовать любые другие приводы, в частности: электрострикционные, электромагнитные и т.п.

В случае динамических фазовых искажений, т.е. изменяющихся со временем, работа адаптивного оптического модуля аналогична описанной, с той лишь разницей, что компенсация локальной кривизны волнового фронта, его локальных периферийных наклонов и общих наклонов в каждом соответствующем канале представляет собой итерационный процесс, цель которого повышение качества оптической системы (улучшение изображения, динамическая фокусировка и т.д.).

Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать, что предлагаемый адаптивный оптический модель выполняет эффективную компенсацию фазовых искажений оптического излучения. При этом в соответствии с проведенным выше рассмотрением за счет сочетания всех указанных отличительных признаков описанное техническое решение обеспечивает гарантированное существенное расширение диапазона и повышение точности компенсации фазовых искажений оптического излучения с одновременным увеличением допустимого уровня мощности последнего и упрощением адаптивной оптической системы, т.е. позволяет добиться указанного технического результата.

Уместно сделать несколько замечаний относительно настройки и оптимизации предлагаемого устройства. Во-первых, неоднократно упоминавшаяся ранее пропорциональность между сигналами приемника излучения 5 (фиг.1), с одной стороны, и управляющими воздействиями деформируемого биморфного зеркала 2 и динамической юстировочной головки 1, с другой стороны, достигается путем экспериментального подбора коэффициентов усиления усилителей 25 и 29 в соответствующих каналах электронного усилителя-преобразователя 8. Во-вторых, путем добавления внедиагональных элементов в матрицу С, формула (1), можно добиться дальнейшего повышения точности компенсации фазовых искажения и уменьшения времени сходимости системы. Указанные внедиагональные элементы матрицы С определяются экспериментально путем калибровки адаптивного оптического модуля с использованием различных опорных световых источников.

Необходимо также отметить, что в предлагаемом адаптивном оптическом модуле по сравнению с прототипом и известными аналогами существует еще одна причина, приводящая к повышению точности компенсации фазовых искажений оптического излучения. Как отмечалось выше, и в прототипе, и в аналогах используются деформируемые биморфные зеркала с управляющими электродами в виде кольцевых сегментов. Следовательно, их размер в различных угловых направлениях различен. Отсюда вытекает, что при подаче управляющего напряжения на такой электрод локальная кривизна отражающей поверхности зеркала (т.е. в пределах электрода) будет различной для различных направлений. Это, в частности, видно из формулы (3), в которой радиус локальной кривизны отражающей поверхности пропорционален квадрату диаметра электрода r₀. Более точные вычисления и наглядные результаты для управляющих электродов в виде кольцевых сегментов представлены в работе: А.В.Икрамов, И.М.Рощупкин, А.Г.Сафронов. Охлаждаемые биморфные адаптивные зеркала для лазерной оптики. Квантовая электроника, 1994, т. 21, N 7, с. 665 669. Одним из результатов в указанной работе является то, что сечение функции отклика сегментного электрода представляет собой эллипс, что собственно и означает различную локальную кривизну отражающей поверхности биморфного зеркала (в пределах электрода) по различным направлениям, что, в свою очередь, эквивалентно различной корректируемой локальной кривизне волнового фронта излучения, отраженного от зеркала, по различным направлениям.

С другой стороны, локальная кривизна волнового фронта, измеряемая приемником излучения в пределах отдельной субапертуры, не содержит каких-то выделенных угловых направлений, в которых радиус локальной кривизны заметно отличался бы от других направлений. Одной из причин этого является, к примеру, случайный характер фазовых искажений во входном оптическом пучке. Кроме того, нет оснований полагать, что во входном оптическом пучке локальная кривизна волнового фронта в пределах отдельной субапертуры приемника излучения будет различаться именно в тех двух пространственных направлениях, в которых данная субапертура имеет существенно различные геометрические размеры (для сегментных субапертур приемника излучения в прототипе эти направления соответствуют радиальному направлению и перпендикулярно ему). Т.о. в известных аналогах и прототипе имеется диспропорция между фактической измеряемой локальной кривизной волнового фронта в пределах отдельной субапертуры приемника излучения и корректируемой локальной кривизной в пределах соответствующего управляющего электрода деформируемого биморфного зеркала, обусловленная низким порядком пространственной симметрии управляющих электродов зеркала. Понятно, что подобная диспропорция приводит к увеличению остаточной ошибки компенсации фазовых искажений в известных аналогах и прототипе, а значит к снижению точности компенсации.

В отличие от известных аналогов и прототипа в предлагаемом адаптивном оптическом модуле форма отдельных многослойных пьезоэлектрических элементов является либо круглой, либо шестиугольной, что обеспечивает равенство (или почти равенство) размеров этих пьезоэлементов по различным угловым направлениям, во всяком случае, по сравнению с сегментной формой управляющих электродов в прототипе и аналогах. Следовательно, в предлагаемом модуле функции отклика отдельных пьезоэлементов будут иметь большую симметрию, т.е. радиусы локальной кривизны отражающей поверхности зеркала в пределах соответствующего пьезоэлемента будут одинаковыми (или почти одинаковыми) для различных угловых направлений. Тем самым, будет достигнуто полное (или почти полное) соответствие между измеряемой локальной кривизной и корректируемой локальной кривизной, во всяком случае, по сравнению с прототипом. Это, соответственно, приведет к повышению точности компенсации фазовых искажений оптического излучения в предлагаемом адаптивном оптическом модуле. Соответствующим отличительным признаком в данном случае является то, что в предлагаемом изобретении многослойные пьезоэлектрические элементы полупассивной биморфной структуры деформируемого биморфного зеркала имеют шестиугольную или круглую форму и образуют гексагональную мозаичную систему, а приемник излучения выполнен в виде гексагональной решетки из фотодиодов с круглой или шестиугольной световой апертурой.

Заметим, что в данном случае полностью справедливы и актуальны приведенные выше рассуждения относительно известной из уровня техники адаптивной оптической системы компенсации атмосферных фазовых искажений в телескопе, содержащей полупассивное деформируемое биморфное зеркало с гексагональной системой из 19 или 37 управляющих электродов. Т.о. только сочетание всех указанных в п. 1 формулы изобретения отличительных признаков позволяет гарантированно получить существенный технический результат, а именно гарантированное существенное повышение точности компенсации фазовых искажений оптического излучения, во-первых, и расширение ее диапазона, во-вторых.

Использование в предлагаемом адаптивном оптическом модуле дополнительной решетки линз 31 показано на фиг.7, а конфигурация и расположение ее отдельных субапертур 32 на фиг. 8. В данном случае работа адаптивного оптического модуля аналогична приведенному выше описанию, с той лишь разницей, что оба внефокальных изображения, соответствующие двум максимальным и противоположным по знаку прогибам модулирующего зеркала 4, фиг. 7, формируются не на приемнике излучения 5 непосредственно, а на решетке линз 31. Каждая субапертура 32 (фиг. 8) этой решетки направляет (фокусирует) оптическое излучение на соответствующий фотодиод 24 (фиг. 5) приемника излучения 5 (фиг.7). Во всем остальном работа предлагаемого модуля, включая все отмеченные тонкости, соответствует приведенному выше описанию. При этом, в соответствии с проведенным выше рассмотрением за счет сочетания указанных отличительных признаков, а именно, что модуль снабжен расположенной перед приемником излучения гексагональной решеткой линз с круглыми световыми апертурами - описанное техническое решение обеспечивает повышение чувствительности адаптивного оптического модуля и дальнейшее (дополнительно к п.1 формулы изобретения) упрощение адаптивной оптической системы, т.е. позволяет добиться указанного выше технического результата. Отметим, что отдельные фотодиоды 24 (фиг. 5) приемника излучения 5 (фиг.7) могут располагаться в фокусах соответствующих субапертур 32 (фиг.8) гексагональной решетки линз 31 (фиг.7). Именно этот случай показан на фиг.7. Кроме того, в данном случае возможно использование в приемнике излучения отдельных фотодиодов с точечной субапертурой (чувствительной площадкой), например лавинного типа.

Использование в предлагаемом адаптивном оптическом модуле набора волоконно-оптических кабелей 34 показано на фиг.9. В данном случае предлагаемый модуль снабжен оптическим элементом 33, сопряженным с одной стороны с гексагональной решеткой линз 31. Оптическая сила и длина этого оптического элемента 33 выбираются таким образом, чтобы фокусы всех субапертур гексагональной решетки линз совпадали с его задней плоскостью, как показано на фиг.9. Каждый волоконно-оптический кабель 34, сопряженный с одной стороны через оптический элемент 33 с отдельной субапертурой гексагональной решетки линз 31 (точнее с ее фокусом), а с другой с соответствующим фотодиодом приемника излучения 5, обеспечивает транспортировку оптического излучения, попадающего на данную субапертуру решетки линз 31, к соответствующему фотодиоду приемника. Во всем остальном работа предлагаемого модуля, включая все отмеченные тонкости, соответствует приведенному выше описанию. Отметим, что в данном случае ввод или вывод оптического излучения в каждый волоконно-оптический кабель 34 или из него может осуществляться с помощью градиентных оптических элементов (граданов), на чертежах не показанных. Кроме того, отдельные фотодиоды приемника излучения 5 могут располагаться не в виде гексагональной решетки, как ранее, а в произвольном порядке.

Использование в предлагаемом адаптивном оптическом модуле корпуса 9, входного 10 и выходного 11 оптических окон показано на фиг.1. В данном случае входное оптическое излучение (пучок) проходит через входное оптическое окно 10 в едином корпусе 9 адаптивного оптического модуля. В этом корпусе расположены все оптические элементы, включая приемник излучения 5. Выходной (скорректированный) оптический пучок выводится из адаптивного оптического модуля наружу через выходное оптическое окно 11. При этом выходное оптическое окно 11 может располагаться как в ходе луча, отраженного от светоделительного элемента 3 (показано на фиг.1), так и в ходе луча, прошедшего через него (на фиг.1 не показано). В последнем случае изменяется также расположение модулирующего зеркала 4. Во всем остальном работа предлагаемого модуля, включая все отмеченные тонкости, соответствует приведенному выше описанию. Заметим, что в данном случае входное оптическое окно может быть выполнено в виде объектива, входная световая апертура которого соответствует поперечному размеру луча, входящего в модуль, а его выходная световая апертура согласована с управляемой световой апертурой деформируемого зеркала с учетом угла наклона последнего по отношению к падающему на него лучу. Данное отличие предлагаемого адаптивного оптического модуля обеспечивает существенное расширение его функциональных возможностей. Действительно, в этом случае предлагаемый модуль может комплектоваться набором различных сменных насадок, каждая из которых обеспечивает его согласование с внешней оптической системой. Аналогичные оптические насадки могут также использоваться вместо выходного оптического окна 11, что на чертежах не показано.

Необходимо отметить, что с целью увеличения допустимого уровня мощности входного оптического излучения в предлагаемом адаптивном оптическом модуле деформируемое биморфное зеркало 2 (фиг.1), может быть выполнено охлаждаемым. Этот вариант предлагаемого изобретения на чертежах не показан. Работа предлагаемого модуля в данном случае, включая все отмеченные тонкости, соответствует приведенному выше описанию. При этом, в соответствии с проведенным выше рассмотрением за счет сочетания указанных отличительных признаков, а именно, что деформируемое биморфное зеркало выполнено в виде полупассивной биморфной структуры и одновременно охлаждаемым описанное техническое решение обеспечивает увеличение допустимого уровня мощности входного оптического излучения, т.е. позволяет добиться указанного технического результата.

В заключение уместно отметить, что предлагаемое устройство, в том числе изображенное на чертежах, может быть реализовано с использованием стандартного промышленного оборудования, известных материалов и технологических операций. Детальное описание конструкции деформируемого биморфного зеркала приведено в следующем патенте: А.Г. Сафронов. Мозаичное адаптивное биморфное зеркало. Патент РФ по заявке N 96104503 от 19 марта 1996 г. МПК G 02 B 5/08, положительное решение от 23 апреля 1996 г. Остальные элементы предлагаемого адаптивного оптического модуля являются либо стандартной, либо опытно-экспериментальной промышленной продукцией.

По сравнению с современными системами компенсации (коррекции) искажений волнового фронта оптического (лазерного) излучения, например по сравнению с промышленной одноканальной адаптивной оптической системой немецкой фирмы Diehl GmbH Co. использующейся в лазерных технологических комплексах, предлагаемый адаптивный оптический модуль обладает следующими преимуществами (без учета различного количества каналов).

1. Простота конструкции, которая обеспечивается минимальным набором оптических и электронных компонентов, в свою очередь предельно простых.

2. Реализация всей оптической системы в едином корпусе в виде самостоятельного оптико-электронного прибора. Такая особенность позволит использовать данный прибор в качестве приставки (модуля) к лазерной системе для улучшения ее характеристик. Например, таким модулем может комплектоваться промышленный лазер, при этом согласование световых апертур производится с помощью соответствующего коллиматора, который как сменная насадка вставляется вместо входного окна 10 (фиг.1). Аналогично данный прибор может использоваться и с другими лазерными системами.

3. Отсутствие вмешательства в схему и конструкцию самой лазерной или оптической системы, в которой компенсируются фазовые искажения. Это достоинство может оказаться немаловажным, поскольку гораздо сложнее разработать и запустить в производство, скажем, технологический лазер с адаптивным резонатором. В последнем случае придется решить вопросы оптимизации схемы и конструкции такого лазера. И вообще, по сути это будет разработка и производство совершенно нового лазера со всеми вытекающими отсюда последствиями. В случае применения адаптивного оптического модуля все эти вопросы отпадают. Аналогична ситуация и с другими классами лазерных или оптических систем.

4. Универсальность адаптивного оптического модуля по отношению к различным классам оптических, в том числе лазерных, систем. Понятно, что адаптивный оптический модуль как конкретный прибор может использоваться вкупе с различными системами по своему назначению. Один и тот же модуль может работать и с промышленным лазером, и с интерферометром, и с приемной системой лазерного излучения. Причем набор сменных насадок для согласования световых апертур существенно расширяет возможности конкретного модуля.

5. Универсальность схемы и конструкции адаптивного оптического модуля по отношению к лазерным или оптическим системам различных спектральных диапазонов. При изменении длины волны лазерного или оптического излучения схема модуля остается неизменной; а в его конструкции изменяются: 1) отражающие покрытия зеркальных элементов; 2) материал проходной оптики (внешние окна и светоделительный элемент); 3) приемники излучения. При этом конструктивные параметры перечисленных элементов остаются неизменными.

6. Возможность сколь угодно большого увеличения количества каналов управления для дальнейшего повышения эффективности и точности фазовой коррекции практически без каких-либо схемных, конструктивных и технологических изменений адаптивного оптического модуля.

7. И последнее. Реализация и применение адаптивного оптического модуля позволит снизить требования к качеству конструкции оптических и лазерных систем. Например, в промышленных лазерах могут быть снижены допуска на разъюстировки оптических элементов, стабильность конструкции, чистоту активной среды и т.д. Аналогично и для других лазерных систем. Подобное обстоятельство не может не отразиться на стоимости этих самым систем. Без сомнения, их цена уменьшится. Кроме того, сфера использования оптических и лазерных систем, не нашедших широкого применения из-за своих низких характеристик, расширится, поскольку эти характеристики улучшатся благодаря применению лазерного адаптивного модуля.

Практически предложенное изобретение может быть использовано в любых оптических системах для выполнения динамической коррекции (компенсации) фазовых искажений оптических пучков с высокой точностью, например в астрономических телескопах с целью повышения качества изображения удаленных световых источников (компенсации влияния земной турбулентности).

Реферат

Использование: для управления волновым фронтом излучения или компенсации фазовых искажений в оптических приборах и системах широкого класса, включая промышленные лазерные технологические комплексы, оптические телескопы различного спектрального диапазона, оптические системы наведения и сопровождения. Сущность изобретения: адаптивный оптический модуль содержит корректирующее устройство, включающее деформируемое биморфное зеркало, светоделительный элемент, модулирующее зеркало, задающий генератор, усилитель сигнала модулирующего зеркала, формирующую оптику, приемник излучения, выполненный в виде решетки фотодиодов, и электронный усилитель-преобразователь, выполненный с возможностью формирования сигналов управления приводами динамической юстировочной головки. Деформируемое биморфное зеркало выполнено в виде полупассивной биморфной структуры, содержащей гексагональную мозаичную систему многослойных пьезоэлектрических элементов шестиугольной или круглой формы. Приемник излучения выполнен в виде гексагональной решетки из фотодиодов с круглой или шестиугольной световой апертурой. Перед приемником излучения может быть установлена гексагональная решетка линз, набор волоконно-оптических кабелей. 8 з.п.ф-лы, 9 ил.

Формула