1. Научная деятельность
  2. Гранты РНФ
  3. Гранты РНФ
  4. Разработка новых корректоров волнового фронта с высоким пространственным разрешением управляющих элементов

Разработка новых корректоров волнового фронта с высоким пространственным разрешением управляющих элементов

Конкурс РНФ 2019 года:

«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Проект № 19-19-00706

«Разработка новых корректоров волнового фронта с высоким пространственным разрешением управляющих элементов»

Сроки выполнения проекта

2019-2022
+
2022-2023

Отрасль знаний

Инженерные науки

Руководитель проекта

к.т.н. Самаркин Вадим Васильевич

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

18 млн. рублей
+
14 млн. рублей

Аннотация 

    В настоящее время при решении задач современной лазерной оптики, лазерной технологии обработки материалов, астрономии, систем квантовой связи, передачи лазерного излучения сквозь турбулентную атмосферу, медицины, биофотоники и др. возникает необходимость коррекции искаженного волнового фронта и оптимизации распределения излучения в фокусе линзы, а также формирования заданных профилей пучка. Для подобного рода целей используются адаптивные оптические системы (АОС), основным исполнительным элементом которых являются корректоры волнового фронта (КВФ) или деформируемые зеркала (ДЗ). Такие оптические устройства широко используются в различных областях науки и разрабатываются разными группами ученых всего мира. 

   На сегодня существуют очень надежные КВФ с размерами от 30 до 400 мм, которые показали высокую эффективность их использования в мощных лазерах для коррекции аберраций волнового фронта и повышения качества фокусировки излучения. В этой области наиболее распространены КВФ с управляющими элементами на основе биморфных пьезо-пластин и многослойных пьезопакетов (актюаторов). Преимуществом модальных биморфных корректоров является возможность с высокой точностью воспроизводить медленноменяющиеся крупномасштабные аберрации волнового фронта с помощью небольшого количества управляющих электродов. ДЗ на пьезоактюаторах имеют локальные функции отклика актюаторов, широкую частотную полосу управления, возможность установки большого количества актюаторов на активной апертуре. Поэтому они предназначены для коррекции быстроменяющихся и мелкомасштабных аберраций. 

   Также существуют МЕМS, мембранные КВФ и жидкокристаллические модуляторы (ЖКМ) с диаметром до 10 мм и большим количеством актюаторов (или микрозеркал). Однако, такие КВФ крайне ненадежны, существует большой процент брака при изготовлении и выхода из строя некоторого количества актюаторов в процессе эксплуатации, что приводит к необходимости частой замены всего зеркала. Они обладают низкой дифракционной эффективностью, крайне малой амплитудой деформации поверхности, а также порой и медленным откликом на управляющее напряжение. Кроме того, такие зеркала нельзя использовать в мощных лазерах ввиду их низкой лучевой стойкости.  
Основная идея данного проекта состоит в разработке новых типов КВФ, обладающих преимуществами как широкоапертурных ДЗ, так и корректоров типа МЕМS и ЖКM, но в то же время лишенных их недостатков.  В рамках проекта будут разработаны КВФ с высоким пространственным разрешением управляющих элементов как биморфного типа, так и на основе многослойных пьезокерамических пакетов. Для изготовления ДЗ будут использованы современные лазерная 2D технология, 3D пьезокерамическая и другие технологии микроэлектроники. Предлагаемые КВФ будут включать 50-100 актюаторов, расположенных на площади 1 см2,  и иметь большой диапазон перемещения и деформации поверхности.  Разрабатываемые КВФ будут способны эффективно компенсировать мелкомасштабные аберрации волнового фронта. Такие КВФ можно будет установить в мощных лазерах киловаттного уровня, что важно для использования в задачах передачи излучения на расстояние, лазерной технологии обработки материалов и др. 

   КВФ будут являться составными элементами замкнутой АОС с обратной связью от датчика волнового (ДВФ) Шак-Гартмановского типа. В рамках проекта предполагается разработать быстрый ДВФ с использованием программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с частотой регистрации фазовых экранов порядка 4 кГц. В отличие от компьютера, ПЛИС сосредоточена на решении одной задачи, что позволяет повысить стабильность работы. Использование параллельного программирования, характерного для ПЛИС, позволяет вести обработку информации десятками одновременно выполняемых потоков, тем самым решать поставленные задачи за более короткий промежуток времени. На базе ПЛИС будет разработан метод скоростной адаптивной коррекции фазы излучения с динамическим диапазоном управления фазой излучения в полосе частот до 1,5 кГц. Такая конфигурации АОС позволит осуществить коррекцию лазерного излучения, проходящего сквозь турбулентную атмосферу по горизонтальной трассе с длиной несколько километров. Такие АОС можно внедрить в оптико-электронные системы (ОЭС) беспроводной квантовой связи и в наземные телескопы для повышения их разрешающей способности. АОС, включающие КВФ с высоким пространственным разрешением управляющих элементов, также можно будет использовать в лазерной обработке материалов, медицине, биофотонике (микроскопии) и в других областях, где требования по частотной полосе управления значительно ниже.  

при поддержке RNF.png

   В рамках проекта будут разработаны КВФ с высоким пространственным разрешением управляющих элементов как биморфного типа, так и на основе многослойных пьезокерамических пакетов. Для изготовления ДЗ будут использованы современные лазерная 2D технология, 3D пьезокерамическая и другие технологии микроэлектроники. Предлагаемые КВФ будут включать 50-100 актюаторов, расположенных на площади 1 см2, и иметь большой диапазон перемещения и деформации поверхности. Разрабатываемые КВФ будут способны эффективно компенсировать мелкомасштабные аберрации волнового фронта. Такие КВФ можно будет установить в мощных лазерах киловаттного уровня, что важно для использования в задачах передачи излучения на расстояние, лазерной технологии обработки материалов и др. КВФ будут являться составными элементами замкнутой АОС с обратной связью от датчика волнового (ДВФ) Шак-Гартмановского типа. В рамках проекта предполагается разработать быстрый ДВФ с использованием программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с частотой регистрации фазовых экранов порядка 4 кГц. В отличие от компьютера, ПЛИС сосредоточена на решении одной задачи, что позволяет повысить стабильность работы. Использование параллельного программирования, характерного для ПЛИС, позволяет вести обработку информации десятками одновременно выполняемых потоков, тем самым решать поставленные задачи за более короткий промежуток времени. На базе ПЛИС будет разработан метод скоростной адаптивной коррекции фазы излучения с динамическим диапазоном управления фазой излучения в полосе частот до 1,5 кГц. Такая конфигурации АОС позволит осуществить коррекцию лазерного излучения, проходящего сквозь турбулентную атмосферу по горизонтальной трассе с длиной несколько километров. Такие АОС можно внедрить в оптико-электронные системы (ОЭС) беспроводной квантовой связи и в наземные телескопы для повышения их разрешающей способности. АОС, включающие КВФ с высоким пространственным разрешением управляющих элементов, также можно будет использовать в лазерной обработке материалов, медицине, биофотонике (микроскопии) и в других областях, где требования по частотной полосе управления значительно ниже.

при поддержке RNF.png

   Достижение поставленной в предлагаемом проекте цели будет обеспечено благодаря комплексному подходу и согласованию экспериментальных и теоретических исследований. Исследование разрабатываемых КВФ и других элементов АОС будет проведено сначала на лабораторном макете с последующим испытанием в реальной оптической системе для формирования заданных распределений интенсивности для лазерной обработки материалов.

   ДЗ на основе биморфного пьезоэлемента рассматривается в качестве КВФ, так как такие типы зеркал наиболее точно корректируютмедленно меняющиеся крупномасштабные аберрации волнового фронта низких порядков, которые преобладают в ОЭС и лазерных источниках. При увеличении количества электродов на относительно малом диаметре зеркало становится эффективным для коррекции аберраций высоких порядков. Для сохранения амплитуды деформации необходимо уменьшить общую толщину такого зеркала.ДЗ на пьезоактюаторах имеют высокое быстродействие, плотную упаковку актюаторов и позволяют воспроизводить мелкомасштабные аберрации волнового фронта высоких порядков. Поэтому они являются наиболее подходящими для компенсации динамически меняющихся аберраций лазерного излучения.

   В рамках проекта будет разработана математическая модель миниатюрного ДЗ с большим количеством актюаторов, методы расчета электрических и термических деформаций зеркала, функций отклика отдельных актюаторов, а также динамических (частотных) характеристик зеркала, которое представляет собой суперпозицию нескольких колебательных систем. Также будут проведены численное моделирование биморфного зеркала с большим пространственным разрешением расположения электродов. Для решения поставленных задач, в первую очередь, предлагается использовать современные технологические методы, которые позволят сконструировать два типа корректоров волнового фронта для воспроизведения и компенсации мелкомасштабных и крупномасштабных аберраций волнового фронта лазерного излучения.

   Во время выполнения проекта будет создано миниатюрное биморфное зеркало с большой плотностью электродов. При этом за счёт небольшого диаметра и общего веса (толщина подложки будет составлять порядка 0,2–0,4 мм) зеркало будет обладать высокой резонансной частотой (5 кГц), достаточной для коррекции быстро меняющихся аберраций. При создании зеркала планируется использовать технологию лазерной гравировки для формирования сетки электродов, а также технологию ультразвуковой сварки для прикрепления контактного провода.

   В конструкции ДЗ на пьезоактюаторах предлагается использовать двумерную матрицу актюаторов, которая будет состоять из пьезокерамических гребёнок, зубцы которых будут являться актюаторами. При изготовлении зеркала пьезокерамические гребенки будут приклеены друг за другом к толстому основанию, таким образом может быть достигнута плотная упаковка актюаторов. Необходимый динамический диапазон перемещения может быть достигнут уменьшением толщины подложки, как и в случае с биморфным зеркалом. Для изготовления гребёнки на подложку из кремния будут нанесены поочерёдно пьезокерамические и металлические слои, которые впоследствии будут спечены при высокой температуре. Впоследствии такой спеченный брусок будет разрезан для формирования зубцов-актюаторов.

   На следующем этапе проекта планируется совершенствование данного метода путем использования 3D-технологии для производства единой матрицы блока пьезоактюаторов посредством послойного поочередного нанесения пьезокерамических и электрически проводящих слоев.

   Для обеспечения работы замкнутой адаптивной оптической системы планируется разработать новые алгоритмы управления, которые позволят не только корректировать волновой излучения и формировать заданное распределение интенсивности (в частности в фокусе линзы), но и одновременно компенсировать флуктуации, возникающие вследствие воздействия окружающей среды. Мы считаем, что наиболее грамотный подход заключается не только в усовершенствования элементной базы АО, но и в организации принципиально нового способа формирования сигналов управления в системе путём организации их с помощью алгоритмов на базе специальных ПЛИС процессоров, интегрируемых с активной матрицей, регистрирующей сигнал. Благодаря совершенствованию быстродействия исполнительных элементов, такой подход способен путем последовательных приближений достичь требуемой точности коррекции.

при поддержке RNF.png

  • Самаркин Вадим Васильевич
  • Панич Александр Анатольевич
  • Рукосуев Алексей Львович
  • Александров Александр Георгиевич
  • Сокалло Александр Иванович
  • Галактионов Илья Владимирович
  • Топоровский Владимир Владимирович
  • Малыхин Анатолий Юрьевич
  • Шелдаков Юрий Вячеславович
  • Никитин Александр Николаевич
  •    2019 г. -2021 г.

       Задача проекта состояла в разработке надежных корректоров волнового фронта (КВФ) с высокой плотностью расположения управляющих актюаторов. Разрабатываемые  КВФ должны корректировать мелкомасштабные аберрации волнового фронта высоких порядков, меняющиеся с частотой не менее 1 кГц. Такие КВФ могут быть использованы для коррекции волнового фронта, повышения качества фокусировки и распознавания изображения в оптических системах, где излучение проходит сквозь искажающую турбулентную и рассеивающую среду. В качестве КВФ рассматриваются деформируемые зеркала на основе биморфного пьезоэлемента. 

      Биморфные КВФ наиболее точно корректируют медленно меняющиеся крупномасштабные аберрации волнового фронта низких порядков, которые преобладают в оптических и лазерных системах. Определены требования к КВФ, предназначенных для коррекции мелкомасштабных аберраций волнового фронта высоких порядков (полиномы Цернике до 7-го порядка). На примере параметров турбулентной атмосферной среды на внутригородской трассе для квантовой связи длиной 1.2 км, где радиус Фрида равна 1.6 см, скорость ветра 5-10 м/с, размер пучка 22.5 мм, разработан КВФ биморфного типа, позволяющего в результате коррекции в полосе частот до 1 кГц получения фактора Штреля 0.85. Теоретические расчеты показали, что КВФ должен иметь 37 электродов управления при амплитуде деформации поверхности не более 2 мкм. Функции отклика управляющих электродов определены по аналитической и численной модели с использованием метода конечных элементов, реализованного на Matlab. Показано, что с помощью 37 электродами можно с достаточно высокой точностью воспроизводить фиксированные аберрации, представляемых 28 полиномами Цернике. Первая резонансная частота такого КВФ составила 14 кГц, что позволит управление АОС в частотном диапазоне до 1.5 кГц . 

      Для формирования сетки управляющих электродов на поверхности пьезо-диска была использована технология лазерной гравировки. Методом абляции серебряной пленки фокусированным лазерным излучением выполнены изолирующие дорожки. Технология ультразвуковой сварки была использована для соединения электрических проводов с серебряной поверхностью пьезокерамики. Ее основным преимуществом является отсутствие локального нагрева места контакта. КВФ были экспериментально исследован на диагностическом стенде, включающем  датчик волнового фронта (ДВФ), электронную систему управления корректором; компьютер и программное обеспечение. Исследования показали, что биморфные КВФ с малым размером (до 20 мм) и с высоким пространственным разрешением управляющих электродов (до 63) с хорошей точностью воспроизводят аберрации излучения до 7-го порядка, совершают изменение волнового фронта с частотой не менее 1 кГц. 

      Биморфный корректор с апертурой 30 мм и 37 управляющими электродами был использован для компенсации искажений рассеянного лазерного излучения. В эксперименте излучение диодного лазера и с длиной волны 0.65 мкм проходило сквозь стеклянную кювету толщиной 5 мм, заполненную суспензией полистироловых микросфер диаметром 1 мкм в дистиллированный воде. Рассеянный пучок отражался от КВФ, далее с помощью ДВФ оценивался усреднённый ВФ, и с помощью ПЗС-камеры анализировались распределение сфокусированной интенсивности и диаметр фокального пятна. Целевая функция включала в себя значение максимальной яркости в пятне, а также минимальный диаметр фокального пятна. Экспериментально показано, что для рассеивающей среды с концентрацией частиц порядка 3.3×10E+5 мм-3,  КВФ позволяет увеличить эффективность фокусировки на 60 %.
    Биморфный КВФ с апертурой 10 мм и количеством электродов 13 имеет первую резонансную частоту 10,8 кГц, которая позволит использование КВФ в адаптивной оптической системе с частотой управления не менее 1,5 кГц. Такой корректор воспроизводил дефокусировку, астигматизм, кому с точностью не хуже 0.5% (СКО).
       Биморфный КВФ с 63 управляющими элементами, расположенными на апертуре 20 мм,  использован для формирования лазерного излучения на мишени.  Резонансная частота была равна  8,6 кГц. А адаптивной системе поверхность КВФ изменялась по алгоритму градиентного спуска для достижения теоретической целевой функции, описывающей распределение интенсивности в виде цилиндра с плоской вершиной (top-flat). Оптимизация распределение излучения в фокальном пятне 20 мм корректором позволило собрать 79% интенсивности излучения в целевом круге. Этот результат оказался не хуже, чем другой, полученный с помощью КВФ с диаметром 50 мм и 48 управляющими электродами (82%) . 

      КВФ на пьезоактюаторах имеет высокое быстродействие, плотную упаковку актюаторов и позволяют воспроизводить мелкомасштабные аберрации волнового фронта высоких порядков. Поэтому они являются наиболее подходящими для компенсации динамически меняющихся аберраций лазерного излучения. Рассматривались типичные параметры «умеренно-сильной» атмосферной турбулентности: Cn2 = 5*10E-14 м-2/3 на длине горизонтальной трассы 1км, параметр Фрида 33 мм для длины волны 1060 нм. Получено, что для коррекции атмосферных флуктуаций фазы светового пучка апертурой 120 мм прошедшего слой турбулентной среды необходимо иметь 121 управляющий элемент. Для оценки ожидаемых параметров была рассмотрена конструкция КВФ, включающей актюаторы на основе многослойных кольцевых пьезопакетов с длиной 10 мм, имеющих предварительную механическую нагрузку с помощью натянутой пружинной проволоки, и кремниевую подложку с отражающим покрытием, которая приклеивается на торцах актюаторов. Рассчитаны параметры актюатора для перемещения на 7 мкм при толщине кремниевой плаcтины с толщиной 1.6 мм. Частота первого резонанса такого зеркала составляет 18.5 кГц, что позволяет управлять таким зеркалом в адаптивной оптической системе в килогерцовом диапазоне. Основными преимуществами данной конструкции зеркала являются возможность термостабилизации зеркальной подложки и замены поврежденных актюаторов.

      Для создания миниатюрных КВФ с плотной упаковкой актюаторов предлагается использовать двумерную матрицу, состоящую из пьезокерамических линеек актюаторов. На толстом основании пьезокерамические линейки приклеиваются друг за другом, таким образом может быть достигнута плотная упаковка актюаторов. Проведены исследования и оптимизация пьезокерамических материалов ПКП-12 и ПКР7м, выпускаемых в НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ и предназначенных для изготовления актюаторов. Предложены методы увеличения пьезомодуля d33 до значения 660*10Е-12 Кл/Н, уменьшения гистерезиса до 12% и увеличения максимальной температуры использования устройств до +160 С градусов. В результате работ изготовлены линейки из 5 актюаторов с размерами 4х4х10 мм. Электрическую емкость актюатора была равна 12 нФ, перемещение (удлинение) - 4.5 мкм. 20 линеек установлены на основании с размерами 50х50х20 мм.  Для создания КВФ на концах матрицы актюаторов приклеена полированная стеклянная подложка толщиной 1.5 мм. Диапазон локальной деформации поверхности КВФ для каждого актюатора составляла около 7 мкм.  Частота первого резонанса КВФ составляла 19.5 кГц .

       С применением программной среды математического моделирования ANSYS проведен сравнительный анализ состояний многослойного пьезокерамического актюатора при переходе от размера 4х4мм до 4 2х2 мм. Теоретически и экспериментально показано, что при пленочной технологии коммутации пьезокерамических слоев, из-за бокового зажатия пакета вследствие неоднородной деформации на каждой пластине пакета, уменьшение площади поперечного сечения актюатора в линейке привело к уменьшению перемещения актюатора линейки с 4 мкм до 1.5 мкм. Поэтому была предложена проволочная коммутация слоев пьезокерамики, которая позволяет создать однородное электрическое поле в межэлектродном пространстве и, как следствие, однородную деформацию пластин.  Изготовлены линейки из пьезокерамического материала ПКР-7М с поперечными размерами актюаторов 2х2х мм.  Емкость актюатора была равна 3.5 нФ, перемещение –4.8 мкм. Блок основания был также изготовлен из горячепрессованной пьезокерамики и имел геометрические размеры 40х30х12мм. После вклейки 20 линеек получена матрица 30х30мм. На свободных торцах актюаторов приклеивалась полированная стеклянная пластина толщиной 1 мм. Таким образом, был собран КВФ с 100 актюаторами и активной поверхностью 30х30 мм. Общий ход актюатора в области ее расположения составил 5 мкм. Первая резонансная частота корректора была равна 20,2 кГц.  Такие параметры, как высокая резонансная частота и малая емкость актюатора (3.5 нФ), в совокупности дают возможность изменения волнового фронта с частотой не менее 3.5 кГц .

       КВФ c 100 актюаторами на  размере 30х30 мм был использован  для улучшения фокусировки при вводе кодированного лазерного излучения в оптическое волокно в устройствах оптической связи. Были проведены эксперименты по фокусировке лазерного излучения в точечное отверстие размером 10 микрон. Качество фокусировки оценивалось по интенсивности излучения, проходящего через точечную диафрагму. Интенсивность измерялась с помощью фотодиода, расположенного после диафрагмы. На актюаторы последовательно подавались пробные напряжения и измерялся сигнал на фотодиоде, максимизация которого являлась целевой функцией.  В результате оптимизации интенсивности после диафрагмы достигнута максимально достижимая эффективность фокусировки 82,2%. Отметим, что раньше использованием КВФ биморфного типа с 31 электродами была получена эффективность фокусировки, равная теоретическому дифракционному пределу 96% (A. Nikitin et al.  Proc.  Proc. SPIE 10904, pp. 109041I, 2019). Таким образом, многоканальные КВФ на основе пьезоэлектрических актюаторов, точно также, как биморфные корректоры, позволяют повысить прохождение сфокусированного излучения через точечные диафрагмы, размеры которых сравнимы со входными отверстиями оптических волокон, используемых в устройствах квантовой связи. 

      Создана адаптивная оптическая система на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), интегрированных с активной матрицей видеокамеры, регистрирующей оптический сигнал.  ПЛИС позволил развивать скорость коррекции до 2000 Гц.  В АОС на основе ПЛИС проведены исследования качества коррекции при различных частотах работы системы. Для создания динамических искажений волнового фронта использовался тепловентилятор, воздушный поток которого направлялся перпендикулярно лазерному лучу. На основе динамики координат фокальной точки микролинзового растра ДВФ Шака-Гартмана проведен анализ спектральной мощности турбулентного процесса с использованием дискретного преобразования Фурье. Поскольку динамика колебаний фокальной точки линзового растра напрямую связана с интенсивностью турбулентности, по полученному спектру можно судить о динамике исходных возмущающих воздействий. Из спектральной мощности путем интегрирования получен энергетический спектр турбулентного процесса. Показано, что 99% всей энергии возмущающего воздействия лежит в пределах от 0 до 100 Гц. Также в результате экспериментов установлено, что, начиная с частоты коррекции приблизительно в 1000 Гц, улучшения качества волнового фронта являются незначительными, что позволяет сделать вывод о том, что оптимальная частота коррекции равна верхней частоте спектра возмущающего воздействия, умноженной на 10. Таким образом, продемонстрирована возможность использования АОС для коррекции быстроменяющихся искажений волнового фронта излучения, проходящего через турбулентную атмосферу.

       2022 г.

       Выполнено проектирование биморфного корректора волнового фронта на 3Д принтере.  Для изготовления корректора была использована зеркальная подложка, состоящая из тонкой шлифованной стеклянной подложки диаметром 30 мм и приклеенных на обратной стороне пьезокерамических дисков толщиной 0.2 мм и диаметрами 30 и 20 мм. На внешней поверхности диска диаметром 20 мм выполнена сетка из 18 электродов.  Моделирование пластикового корпуса производилось с использованием программной среды SolidWorks. Для изготовления корректора был использован 3Д принтер QIDI Tech X-Max с FDM технологией печати материалом PLA. На рабочем столе камеры 3Д принтера при температуре 50 С производилось наращивание слоев PLA высотой 0.12 мм и шириной линий 0.3 мм. Поверхность подложки, оправленной в корпусе, подвергалась полировке до оптического качества и нанесению отражающего покрытия. Исследование такого корректора показало плоскостность  поверхности 0.2 мкм PV и 0.04 мкм RMS. Общая и локальная деформация поверхности, а также точность воспроизведения аберраций волнового фронта низких порядков аналогичны параметрам корректора с 18 электродами в металлической оправе. Показано, что данный корректор воспроизводит с достаточно высокой точностью фиксированные аберрации, представляемые первыми 12 полиномами Цернике. При этом ошибка воспроизведения фокусировки  составила 0.2%, астигматизма  0.28%, комы 0.3% и сферической аберрации 1.5% (RMS). Частота первого резонанса корректора  корректора составила 15 кГц, что значительно выше аналогичного корректора со частично свободными краями (12 кГц).  Это преимущество проявляется в повышенной скорости управления корректором в быстрых адаптивных системах, что важно для коррекции фазовых флуктуаций в сильно турбулентной атмосфере. 

       Использование 3Д печати позволило уменьшить вес и размеры корректора, обеспечить электрическую безопасность при управлении  высоким напряжением (до 300 В). Корпус корректора будет служить для крепления готового корректора, также является необходимой оснасткой для полировки  и нанесения отражающего покрытия. Полировка поверхности непосредственно в корпусе исключает аберрации поверхности, которые как правило возникают при креплении подложки в  корпусе. 

       Исследовалась и оптимизировались процессы лазерной гравировки для создания сетки электродов на поверхности пьезокерамических пластин с никелевым покрытием.   Электрохимически осажденный никель имеет степень черноты, близкий к пьезоматериалу, что позволит контролировать процесс абляции.  Для удаления пленочного никеля с поверхности пьезопластин было использовано лазерное излучения от Nd:YAG с длиной волны 1,06 мкм. Режимы абляции никелевого покрытия: длительность импульсов – 100 нс, частота излучения – 20 кГц, средняя мощность – 20 Вт, скорость прохода – 250 мм/сек. Ширина дорожек была получена 300 мкм. При этом поверхность пьезокерамического материала становилась шероховатой, однако, заметного съема материала не было обнаружено.  На поверхности пьезокерамического  диска с никелевым покрытием диаметром 30 мм  была нанесена сетка из 37 электродов. Такой диск будет использован для изготовления  корректора, где использовался диск с серебряным покрытием. 

       Методы микросварки использовались для создания микроконтактов на поверхности никелевого покрытия. Рассмотрены две  разновидности микросварки:  ультразвуковая (УЗС) и микроконтактная (МКС) расщепленным электродом. Ранее нами были проведены исследования по использованию данных методов для создания биморфных корректоров волнового фронта с пьезопластинами с серебряным покрытием. Экспериментально отработаны процессы УЗ приварки алюминиевых и медных проволок диаметром 50…100 мкм к никелевой поверхности. Для контактной пары  пары “медная проволока (75 мкм) – пленка никеля (20 мкм)” величина усилия на отрыв была равна 0.2…0.25 Н.

       Большие значения величины силы на отрыв были получены методом МКС расщепленным электродом. Данная технология является разновидностью контактной сварки, приспособленной к особенностям конструкции адаптивного зеркала. Свариваемыми материалами являлись медь, алюминий и никель.  Сварку осуществляли инструментом-электродом, изготовленным из вольфрама в виде токопроводящих частей, разделенных зазором 0.02...0.25 мм.  Качество сварки сдвоенным электродом обеспечивало для контактной пары “медная проволока (80 мкм) – пленка никеля (20 мкм)” значение усилия на отрыв 0.35…0.40 Н. Электрическое сопротивление на контактах оказалось равным 2 мОм. 

       Изготовлен биморфный корректор с диаметром 30 мм и 37 управляющими электродами, выполненными на пьезокерамическом диске Д30 мм с никелевым покрытием. Сетка электродов с шириной изолирующих дорожек 300 мкм была сформирована методом лазерной абляции. Электродная коммутация была выполнена медными проводами диаметром 80 мкм, которые были приварены к никелевой поверхности методом МКС расщепленным электродом.  Толщина зеркальной подложки корректора составляла 1,6 мм (0,2 мм – пьезопластина; 1,4 мм – подложка зеркала). Данный корректор имел точно такие же конструкцию и геометрические размеры, как у ранее изготовленного зеркала с серебряными электродами.  Плоскостность поверхности корректора  составила  0.3 мкм (PV) и 0.07 мкм (RMS). Деформация поверхности под действием одного электрода составляла 4,5 мкм. С помощью корректора были воспроизведены аберрации ВФ до седьмого порядка. Частота первого резонанса составила 12,5 кГц. Таким образом, исследования корректора с никелевыми электродами показали результаты, которые оказались качественно не хуже корректора с серебряными электродами. 

       Достигнуто уменьшение площади поперечного сечения пьезокерамических актюаторов в блочной матрице 10х10  с сохранением перемещения за счёт построения линеек актюаторов на принципе поперечного пьезоэффекта (d31- актюаторы).  Перемещение d31-актюаторов  будет зависеть от приложенного напряжения V, длины пластины L и величины пьезомодуля d31: Δl= d31* V* L. Для разработки пьезоэлектрических линеек d31-актюаторов был выбран пьезокерамический материал ПКР-7М, обладающий пьезомодулем |d31|=320-350 пКл/Н. При сечении актюатора 1,5х1,5 (3 слоя по 0,5 мм), длине рабочей части 12 мм и управляющем напряжении 300 В, ожидаемое перемещение составило +10 мкм. Этот результат превосходит полученные ранее результаты для d33-актюаторов (до +6 мкм). Кроме того, следует отметить, что площадь сечения d31-актюаторов составила 1.5х1.5 мм2, что в 2.2 раза меньше, чем ранее достигнутая площадь для d33-актюаторов. Уменьшение сечения отдельного актюатора позволит увеличить плотность упаковки актюаторов.

       2023 г.

       Благодаря использованию современных оптических, лазерных, микроэлектронных, пьезокерамических и аддитивных технологий на разработаны и исследованы 2 типа корректоров волнового фронта (КВФ), продемонстрирована их эффективность коррекции фазовых аберраций и повышения качества фокусировки лазерного излучения, прошедшего через турбулентную среду.  

       КВФ биморфного типа с хорошей точностью воспроизводит и корректирует медленно меняющиеся крупномасштабные аберрации волнового фронта низких порядков, преобладающие в оптико-электронных системах и лазерных источниках. Прототип биморфного КВФ, интегрированный в оправу по технологии 3Д печати, имел активный диаметр 20 мм с 37 управляющими электродами с электрической емкостью 2 нФ.  Показано, что с помощью данного КВФ можно воспроизводить с достаточно высокой точностью фиксированные аберрации, представляемые первыми 24 полиномами Цернике. Частота первого резонанса корректора составила 15 кГц, что делает его перспективным для коррекции фазовых флуктуаций в сильно турбулентной атмосфере.   

       КВФ на основе пьезо-актюаторов имеет высокое быстродействие и позволяет воспроизводить мелкомасштабные аберрации волнового фронта высоких порядков.  Изготовлен корректор из линеек d31-актюаторов размерностью 10х1, которые собирались в матрицу размерностью 10х10. Геометрические размеры матрицы составили 20х20х25мм. Электрическая емкость актюатора составила около 6 нФ, Максимальная блокирующая сила, приходящаяся на один актюатор, составляла 90Н. Для всех актюаторов общие электрические контакты «земля» были расположены на верхних торцах. Зеркальная подложка с металлизированной задней поверхностью с размерами 25х25х0.8 мм была приклеена к верхним торцам актюаторов серебросодержащим эпоксидным клеем. Перемещение поверхности под действием одного актюатора составляло в среднем 4.5 мкм. Частота первого резонанса корректора была равна 18.7 кГц. Показано, что с помощью КВФ можно воспроизводить с достаточно высокой точностью фиксированные аберрации, представляемых 64 полиномами Цернике, при этом ошибка воспроизведения низших аберраций (астигматизма, комы, сферической аберрации и др.), составила десятые доли процента, ошибка воспроизведения аберраций высших порядков составила от 0.5 до 6%. 

       Разработанные КВФ были интегрированы в быструю адаптивную оптическую систему (АОС) на основе спецпроцессора на базе ПЛИС (А.Л.Рукосуев и др. Квантовая Электроника 50(8), стр. 707-709, 2020). Схема АОС включала диодный лазер (λ=650 мкм), КВФ, датчик волнового фронта (ДВФ) типа Шака-Гартмана, компьютера и оптических элементов для формирования и масштабирования излучения. ДВФ на базе камеры JetCam-19 обеспечивал фазовые измерения с частотой 4000 кадр/сек при разрешении 480×480 пикселей. Видеоинформация с камеры ДВФ по оптоволокну (40 Гбит/с) поступала в плату захвата видеоизображения Arria V в составе ПЛИС, которая осуществляла управление АОС. ПЛИС обеспечивала быстрые вычисления благодаря аппаратной реализации и параллельности. Такая АОС обеспечивала управление корректором в диапазоне частот до 2.5 кГц. Для независимой проверки качества коррекции проводился контроль лазерного пятна в фокальной плоскости асферической линзы дифракционного качества с фокусным расстоянием 1 м.  Проведены экспериментальные исследования пространственных и временных характеристик фазы и качества лазерного излучения, искаженного турбулентным потоком воздуха от тепловентилятора, направленного поперек пучка с диаметром 75 мм. Радиус Фрида для турбулентного потока оценивался величиной около 15 мм (D/r0=5). На КВФ диаметр пучка масштабировался до 20 мм телескопом с увеличением 3.5.  Измерения параметров излучения в дальней зоне выполнялись при разных частотах фазовой коррекции. При увеличении частоты происходило уменьшение расходимости с перераспределением энергии лазерного излучения в фокусе линзы. 

       При установке в АОС биморфного КВФ в частотном диапазоне до 500 Гц получена концентрация 68 % энергии лазерного излучения в дифракционном круге 79 мкм, что явилось результатом хорошей компенсации крупномасштабных аберраций.  Дальнейшее повышение частотного диапазона коррекции до 2500 Гц привело к дополнительному снижению расходимости с 1.6 до 1.3 дифракционных пределов и концентрации энергии в дифракционном круге 84% за счет частичной компенсации быстроизменяющихся мелкомасштабных аберраций. Таким образом, благодаря использованию биморфного КВФ (37 электродов на диаметре 20 мм, емкость которых равна 2 нФ, резонансная частота 15 кГц) получено предельно возможное быстродействие (2.5 кГц) коррекции лазерного излучения, прошедшего через лабораторную турбулентную среду.  

       Для КВФ на основе d31-актюаторов в составе АОС с ПЛИС в диапазоне частот фазовой коррекции до 500 Гц была получена концентрация 65% энергии лазерного излучения в дифракционном круге.  При частоте коррекции 2500 Гц энергия в дифракционном круге составила 93%. Столь высокий процент энергии свидетельствует о коррекции мелкомасштабных аберраций высоких порядков. Межактюаторное расстояние в матричном КВФ было равно 2 мм, которое соответствует области турбулентной среды размером 7 мм, что более чем в 2 раза меньше радиуса Фрида. Это обстоятельство, а также локальный характер функций отклика актюаторов (деформация поверхности зеркала происходит в области расположения актюатора) обеспечили лучшую коррекцию мелкомасштабных и быстроизменяющихся аберраций волнового фронта. 

       Публикации :

    1. Галактионов И.В., Кудряшов А.В., Шелдакова А.В., Никитин А.Н. Laser beam focusing through the scattering medium using bimorph deformable mirror and spatial light modulator Proceedings of SPIE Viol. 11135, p. 111350B https://doi.org/10.1117/12.2533965 (2019) 

    2. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л. Water-cooled stacked-actuator deformable mirror for atmospheric applications PROCEEDINGS OF SPIE Vol.11135, 111350A https://doi.org/10.1117/12.2533984 (2019)

    3. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л., Скворцов А.А ., Пшонкин Д.Е. Bimorph deformable mirror with a high density of electrodes to correct for atmospheric distortions Applied Optics No.22, Vol.22, pp.6019-6026 https://doi.org/10.1364/AO.58.006019 (2019)

    4. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л., Скворцов А.А., Пшонкин Д.Е. Bimorph deformable mirrors for high-order aberrations simulation Proceedings of SPIE Vol. 11107, p.111070E-1-10  https://doi.org/0.1117/12.2533772 (2019)

    5. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В.,. Рукосуев А.Л,. Панич А.А, Сокалло А.И., Малыхин А.Ю. Miniature wavefront correctors based on monolithic piezostack block IEEE Xplore Digital Library (2020)

    6. Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Никитин А.Н., Кудряшов А.В. Comparison of efficiency of bimorph mirror and spatial light modulator for laser beam focusing through a moderately scattering medium Proceedings of SPIE Vol.11560,, p.115602A https://doi.org/10.1117/12.2575723 (2020) 

    7. Кудряшов А.В., Рукосуев А.Л., Никитин А.Н., Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В. Real-time 1.5 kHz adaptive optical system to correct for atmospheric turbulence Optics Express Issue 25, Vol.28, pp.37546-37552 https://doi.org/10.1364/OE.409201 (2020)

    8. Рукосуев А.Л., Белоусов В.Н., Галактионов И.В., Кудряшов А.В., Никитин А.Н., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В. 1.5 kHz adaptive optical system for free-space communication tasks Proceedings of SPIE Vol.11272, p.112721G https://doi.org/10.1117/12.2548337 (2020)

    9. Рукосуев А.Л., Белоусов В.Н., Никитин А.Н., Шелдакова Ю.В., Кудряшов А.В., Богачев В.А., Волков М.В., Гаранин С.Г., Стариков Ф.А.  Быстрая адаптивная оптическая система для коррекции волнового фронта лазерного излучения, искаженного атмосферной турбулентностью Квантовая Электроника №8, том 50, стр.707-709 https://doi.org/10.1070/QEL17382 (2020)

    10. Стариков Ф.А., Волков М.В., Богачев В.А,, Хлебников А.А.,Рукосуев А.Л., Никитин А.Н. (F.A.Starikov, M.V.Volkov, V.A.Bogachev, A.A.Khlebnikov, A.L.Rukosuev, A.N.Nikitin) Correction of dynamic phase turbulent aberrations of a laser beam with a frequency of 1500 Hz Proceedings of SPIE Vol. 11560, p. 1156025 https://doi.org/10.1117/12.2575647 (2020)

    11. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Рукосуев А.Л., Никитин А.Н., Шелдакова Ю.В., Отрубянникова О.В. (V.V. Toporovsky, A.V. Kudryashov, V.V.Samarkin, A.L.Rukosuev, A.N.Nikitin, Yu.V.Sheldakova, O.V.Otrubyannikova) Исследование охлаждаемого деформируемого зеркала на пьезоактюаторах для коррекции атмосферных флуктуаций фазы Оптика атмосферы и океана №9, том 33, стр. 677-684 https://doi.org/10.15372/AOO20200903 (2020)

    12. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л. (Vladimir Toporovsky, Alexis Kudryashov, Vadim Samarkin, Yulia Sheldakova, Alexey Rukosuev) Applicability of small size wavefront correciors to compensate for wavefront aberrations in laser systems Proceedings of SPIE Vol.11266, p.1126619-1 https://doi.org/10.1117/12.2548325 (2020)

    13. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Шелдакова Ю.В., Самаркин В.В. (Vladimir Toporovsky, Alexis Kudryashov, Yulia Sheldakova, Vadim Samarkin) Development and investigation of small-aperture bimorph deformable mirror for correction of low-order aberrations of laser radiation Proceedings of SPIE Vol. 11560, p.115601Z https://doi.org/10.1117/12.2575599 (2020)

    14. Шелдакова Ю.В., Галактионов И.В., Никитин А.Н., Рукосуев А.Л., Самаркин В.В., Топоровский В.В., Кудряшов А.В. (Yulia Sheldakova, Ilya Galaktionov, Alexander Nikitin, Alexey Rukosuev, Vadim Samarkin, Vladimir Toporovsky, Alexis Kudryashov) Miniature bimorph deformable mirror for laser beam shaping Proceedings of SPIE Vol.11266, p.112661L-1 https://doi.org/10.1117/12.2548292 (2020)

    15.  Шелдакова Ю.В., Топоровский В.В., Галактионов И.В., Никитин А.Н., Рукосуев А.Л., Самаркин В.В., Кудряшов А.В. (Yulia Sheldakova, Vladimir Toporovsky, Ilya Galaktionov, Alexander Nikitin, Alexey Rukosuev, Vadim Samarkin, Alexis Kudryashov) Flat-top beam formation with miniature bimorph deformable mirror Proceedings of SPIE Vol.11486, p.14860E https://doi.org/10.1117/12.2569387 (2020)

    16.  Галактионов И.В., Топоровский В.В., Шелдакова Ю.В., Кудряшов А.В. (Ilya Galaktionov, Vladimir Toporovsky, Julia Sheldakova, Alexis Kudryashov) Comparison of stacked actuator and bimorph mirrors for scattered laser beam focusing Proceedings of SPIE Vol.11818, p.118180O https://doi.org/10.1117/12.2599209 (2021)

    17. Никитин А.Н., Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Рукосуев А.Л., Топоровский В.В. (Alexander Nikitin, Ilya Galaktionov, Julia Sheldakova, Alexis Kudryashov, Vadim Samarkin, Alexey Rukosuev, Vladimir Toporovsky) Focusing laser beam through pinhole using high-resolution stackedactuator deformable mirror Proceedings of SPIE Vol. 11672, p.116720W https://doi.org/10.1117/12.2578116 (2021)

    18. Самаркин В.В., Александров А.Г., Топоровский В.В., Рукосуев А.Л., Кудряшов А.В. (Vadim Samarkin, Alexander Alexandrov, Vladimir Toporovsky, Aleksei Rukosuev, Alexis Kudryashov) Water-cooled deformable mirrors for high power beam correction Proceedings of SPIE Vol.11849, p.1184917 https://doi.org/10.1117/12.2599116 (2021)

    19. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Панич А.А., Сокалло А.И., Малыхин А.Ю., Скрылев А.В, Шелдакова Ю.В. (Vladimir Toporovskiy, Alexis Kudryashov, Vadim Samarkin, Alexander Panich, Alexander Sokallo, Anatoliy Malykhin, Alexander Skrylev, Julia Sheldakova) Small-aperture stacked-array deformable mirror made of the piezoceramic combs Proceedings of SPIE Vol. 11672, p.1167215 https://doi.org/10.1117/12.2578126 (2021)

    20. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В. (V.V. Toporovsky, A.V. Kudryashov, V.V.Samarkin, Yu.V.Sheldakova) Пьезоактюаторное деформируемое зеркало с возможностью замены вышедших из строя управляющих элементов Новые технологии высшей школы. Наука, техника, педагогика. Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Наука – Общество – Технологии – 2021», 26 марта 2021 Стр. 196-201 (2021)

    21.  Топоровский В.В., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л., Кудряшов А.В. (Vladimir Toporovsky, Vadim Samarkina, Julia Sheldakovaa, Alexey Rukosueva, Alexis Kudryashov) Water-cooled stacked-actuator flexible mirror for high-power laser beam correction Optics and Laser Technology Volume 144, p.107427 https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107427 (2021)

    22. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Рукосуев А.Л., Галактионов И.В. Evaluation of bimorph deformable mirror performance through Zernike polynomials reconstruction Proceedings of SPIE, Vol. 12218, p.1221807 (2022) https://doi.org/10.1117/12.2632915

    23. Топоровский В.В., Самаркин В.В., Кудряшов А.В., Галактионов И.В. Bimorph deformable mirror parameters optimization in atmospheric applications Proceedings of SPIE, Vol. 12218, p.1221806 (2022) https://doi.org/10.1117/12.2632914

    24. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Скворцов А.А., Рукосуев А.Л., Самаркин В.В., Галактионов И.В. State-of-the-Art Technologies in Piezoelectric Deformable Mirror Design Photonics, Том 9, выпуск 5, номер статьи 321, стр 1-10 (2022) https://doi.org/10.3390/photonics9050321

    25. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Панич А.А., Сокалло А.И., Малыхин А.Ю. Stroke analysis of piezocomb stack-array deformable mirrors IEEE Xplore Digital Library, Vol.54117, p.01 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ICLO54117.2022.9839916

    26. Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Самаркин В.В., Топоровский В.В., Кудряшов А.В. Atmospheric Turbulence with Kolmogorov Spectra: Software Simulation, Real-Time Reconstruction and Compensation by Means of Adaptive Optical System with Bimorph and Stacked-Actuator Deformable Mirrors MDPI Photonics, Vol.10, 1147 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10101147

    27. Топоровский В.В., Самаркин В.В., Кудряшов А.В., Галактионов И.В., Малыхин А.Ю., Панич А.А. Исследование электрофизических и механических параметров пьезокерамических материалов для деформируемых зеркал картриджного типа ИЗВЕСТИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, Том 87, номер 11, стр. 1637-1641 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0367676523702836

    28. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Галактионов И.В., Малыхин А.Ю., Панич А.А. Stroke simulation of control elements in cartridge-type deformable mirror for correction of aberrations of laser radiation passed through turbulent medium Proceedings of SPIE, Vol. 12780, 127800S (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2689908

    29. Топоровский В.В., Галактионов И.В., Самаркин В.В., Кудряшов А.В., Панич А.А., Малыхин А.Ю., Ласкин А.В. Wavefront control with high-spatial cartridge-type piezostack deformable mirror Proceedings of SPIE, Vol. 12667, 126670L (2023) https://doi.org/10.1117/12.2676879

    30. при поддержке RNF.png


    По любым вопросам можно связаться с

    Самаркиным Вадимом Васильевичем
    samarkin@idg.ras.ru

    Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1


    при поддержке RNF.png