Адаптивная оптика для коррекции волнового фронта в сверхмощных лазерных комплексах
Проведённые в 2020 г. модельные и макетные исследования показали, что использование для регулировки сжатия эластичных прокладок в системе крепления круглого деформируемого биморфного зеркала диаметром 320 мм и толщиной около 7 мм шестнадцати дополнительных винтов, равномерно расположенных по кругу вне диаметра зеркальной подложки, позволяет не только обеспечить равномерное сжатие прокладок по всему пятну контакта, но и эффективно компенсировать возникающие при сборке зеркала начальные деформации поверхности в виде “многолистников” вплоть до 6-го порядка. Для квадратных и прямоугольных зеркал размером 300х300 мм и более для обеспечения равномерного сжатия прокладок и компенсации начальных деформаций зеркальной поверхности достаточно 20-24 дополнительных регулировочных винтов, равномерно размещенных по периферии оправы.
Кроме того, показано, что конструктивное совмещение регулировочных винтов с пьезоактюаторами позволяет использовать последние в качестве дополнительных к электродам биморфного зеркала периферийных исполнительных механизмов в системах автоматизированной коррекции динамических искажений волнового фронта лазерного излучения.
В качестве модели выбрано круглое биморфное 127-электродное зеркало активным диаметром 320 мм со стеклянной подложкой (оптическое стекло К8) толщиной 7 мм и пьезокерамикой PZT5K1 толщиной 0.8 мм, которое может рассматриваться в качестве прототипа корректора волнового фронта лазерного излучения для компенсации искажений в выходном каскаде установки PEARL, разрабатываемой в ИПФ РАН. Радиальная конфигурация электродов была выбрана исходя из размеров и геометрии апертуры выходного излучения и из существующих оценок характера и величины ожидаемых искажений волнового фронта после компрессора импульсов.
Численные расчеты для такой модели показали, что при управляющих напряжениях 400, 500 и 600 В на электродах может быть достигнута максимальная деформация зеркальной поверхности 155, 190 и 230 мкм, соответственно, что соответствует радиусам кривизны поверхности 82, 66 и 55 м. Численные оценки локальных деформаций зеркальной поверхности при подаче управляющего напряжения 150 В на отдельно взятые электроды дали величину в диапазоне 2.2-2.4 мкм в зависимости от положения электрода. Численные расчеты для оценки частотных характеристик рассматриваемой модели деформируемого биморфного зеркала дали значение частоты первого резонанса механических колебаний зеркала около 800 Гц.
Одной из задач по проекту являлось создание активной механической оправы с тангенциальными и радиальными пьезокерамическими толкателями для крепления широкоапертурного зеркала. Такая оправа должна позволить корректировать дефокусировку и астигматизм зеркала, благодаря чему удастся сохранить динамический диапазон зеркала для коррекции аберраций лазерного излучения. В течение первого года работы над проектом была разработана конструкция и краткое техническое задание на изготовление активной механической оправы. Вкратце принцип работы и схему оправы можно описать следующим образом. Блок с регулируемой длиной имеет привод двухтактного типа, и оба конца закреплены на двух стойках. Силы, возникающие на стойках, создают два равных и противоположных изгибающих момента в местах крепления стоек. Радиальные и тангенциальные приводы закреплены на опорной плите для независимой коррекции ошибки поверхности. Восемь исполнительных механизмов расположены по окружности в тангенциальных направлениях, ещё восемь механизмов — в радиальных направлениях. Их геометрия оптимизирована для компенсации полиномов Цернике низкого порядка за счет использования теоретических функций отклика. Для коррекции начальных аберраций биморфного деформируемого зеркала было предложено использовать актюаторы с кольцевыми пьезопакетами со следующими параметрами: внешний диаметр – 8 мм, внутренний диаметр – 4,5 мм, длина – 18 мм. При данных размерах пьезопакет имеет номинальное перемещение 20 мкм при подаче напряжения 150 В. Несмотря на относительно большую емкость пьезоактюаторов (1,5 мкФ), которая в свою очередь влияет на операционную скорость, данный параметр большого влияния на скорость адаптивной системы не оказывает, так как собственные аберрации зеркала компенсируются заранее.
Как известно, с ростом апертуры деформируемых зеркал и апертуры датчиков встаёт вопрос приведения в соответствие расположения электродов зеркала и субапертур микролинзового растра датчика. Выбор узлов аппроксимации волнового фронта полиномами Цернике должен преследовать цель получения как можно лучшей обусловленности конструкционной матрицы Традиционно применяемая прямоугольная сетка узлов является не самой оптимальной — большое количество узлов приходится на центральную область зрачка, где аберрации волнового фронта изменяются достаточно плавно. Обусловленность конструкционной матрицы для нахождения коэффициентов аппроксимации в этом случае гораздо хуже, чем в случае радиально разреженной структуры узлов. Поэтому при коррекции волнового фронта с помощью деформируемых зеркал мы постарались учесть геометрию расположения управляющих электродов. Мы провели тестирование программно изменяемой геометрии маски линзового растра для экспериментальной схемы, включающей датчик Шака-Гартмана на основе цифровой видеокамеры Basler acA2040-90um, имеющей размер сенсора 11.2х11.2 мм и разрешение 2048х2048 пикселей и деформируемое биморфное зеркало с диаметром 240 мм и 96 управляющими электродами. Были проведены измерения волнового фронта для исходной (прямоугольной) сетки субапертур и для прореженных масок. Для всех рассмотренных случаев число обусловленности конструкционной матрицы менялось несущественно (оно составляло порядка 80-90). Также несущественно изменялась амплитуда измеряемых аберраций — колебания параметра Peak-to-Valley (PV) составили 4% (от 0.53 мкм до 0.55 мкм), и среднеквадратичное отклонение (RMS) — его колебания составили порядка 2% (от 0.126 мкм до 0.128 мкм). Таким образом, было показано, что прореживание сетки субапертур для используемой конфигурации датчика волнового фронта и деформируемого зеркала не приводит к сколь-нибудь существенному изменению параметров измеряемого волнового фронта, а значит такой алгоритм прореживания можно применять в адаптивной системе, не опасаясь искажения измеряемых параметров.
На лазерной гравировальной установке была показана возможность выжигания лазерным излучением межэлектродных дорожек в пьезокерамической пластине для изготовления биморфного зеркала. Нами был выполнен ряд экспериментов на лазерной гравировальной установки с варьированием таких параметров,как частота повторения импульсов, скорость обработки, мощность излучения. Чтобы удовлетворять критериям, экспериментально было обнаружено, что оптимальными параметрами лазерной гравировки являются следующие: мощность излучения – 4 Вт, скорость обработки – 150 мм/с, частота повторения – 200 кГц. На диске были прорезаны дорожки шириной 1 мм. Экспериментально было выявлено, что для такой ширины максимальное электрическое напряжение, при котором не происходит межэлектродный поверхностный пробой, составляет 1 кВ.
В 2021г.:
1. Был разработан прототип динамической оправы с актюаторами изгибного типа для коррекции низших аберраций волнового фронта (дефокус, астигматизмы, комы). Проведен теоретический анализ необходимого количества управляющих элементов (пьезопакетов) с целью получения приемлемых значений радиуса кривизны для данной конфигурации актюаторов. Экспериментально была подтверждена эффективность использования подобного устройства для компенсации начальных искажений разработанного широкоапертурного биморфного деформируемого зеркала.
2. Были разработаны многослойные диэлектрические покрытия деформируемых зеркал для импульсных лазерных установок петаваттного уровня мощности в диапазоне длин волн 800+/-100 нм и 910+/-100 нм с высокой лучевой стойкостью и малым значением дисперсии групповой задержки. Изготовлены пробные образцы покрытия для экспериментального исследования их характеристик.
3. Было выполнено исследование основных характеристик изготовленного биморфного зеркала на диагностическом стенде. По разности деформации зеркала в зависимости от направления изменения приложенного напряжения было рассчитано значение гистерезиса пьезокерамики — оно составило порядка 12 %, что является стандартным значением для зеркал биморфного типа. Также была выполнена оценка плоскостности начальной поверхности зеркала, в отсутствие приложенных напряжений на электродах — она была представлена в виде разложения по полиномам Цернике. Амплитуда начальной поверхности зеркала составила 1.951 мкм (СКО 0.41 мкм). Амплитуда поверхности зеркала после подачи управляющих напряжений составила 0.06 мкм (СОКО 0.011 мкм). Было проведено исследование частотного диапазона управления корректором с помощью генератора звуковых частот и осциллографа. Измерялся индуцированный пьезоэлектрический сигнал на одном из электродов, когда на соседний подавалось синусоидальное напряжение. Также измерялся фазовый сдвиг между этими сигналами. Частота первого резонанса, при которой сигнал отклика имеет экстремальное значение и фазовый сдвиг равен π/2, была обнаружена при 774 Гц. Анализ показал, что зеркало обеспечивает управляемое изменение волнового фронта до 400 Гц. Путем подачи тестовых напряжений на отдельные электроды и анализа полученных в результате деформаций с помощью датчика Шака-Гартмана были рассчитаны функции отклика, представленные в виде интерферограмм и разложений по полиномам Цернике. Alexis Kudryashov, Alexander Alexandrov, Ilya Galaktionov, Efim Khazanov, Anton Kochetkov, Alexander Kotov, Sergey Perevalov, Vadim Samarkin, Andrey Shaykin, Alexander Soloviev) “240-mm bimorph deformable mirror for wavefront correction at the PEARL facility”, PROCEEDINGS OF SPIE (2021 г.)
4. Были проведены численные и экспериментальные исследования и показано, что использование сплайн-аппроксимации имеет преимущество перед использованием аппроксимации через полиномы Цернике. Результаты аппроксимации поверхности Франке показали, что би-сплайны существенно более эффективно воспроизводят такую поверхность с точки зрения среднеквадратичного отклонения. СКО начальной поверхности составляло 0.38 мкм, СКО поверхности, восстановленной с помощью би-сплайнов, составляло 0.39 мкм, в то время как СКО поверхности, восстановленной по полиномам Цернике, составляло 0.5 мкм (I. Galaktionov, A. Nikitin, J. Sheldakova, A. Kudryashov, «B-spline approximation of a wavefront measured by Shack-Hartmann sensor», Proc. of SPIE 11818, pp.118180N, 2021). Также выполнен анализ волнового фронта и для случая некруглых апертур — в частности, для светового пучка в форме кольца. Деталь в виде кольца из полированной стали с внешним диаметром 114 мм, внутренним диаметром 95 мм и толщиной 12 мм была исследована в нашей лаборатории — она представляла собой тонкое металлическое кольцо, используемое в качестве прокладки в авиационных двигателях. Необходимо было измерить плоскостность поверхности, поскольку от этого зависело то, насколько эффективно кольцо будет уплотнять соединяемые детали. Применение би-сплайн аппроксимации позволило измерить волновой фронт поверхности, амплитуда которого составила 3.5 мкм, СКО — 0.74 мкм (I. Galaktionov, A. Nikitin, J. Sheldakova, A. Kudryashov, «B-spline approximation of a wavefront measured by Shack-Hartmann sensor», Proc. of SPIE 11818, pp.118180N, 2021).
5. Для оценки эффективности предкомпенсации гистерезиса был собран лабораторный макет адаптивной оптической системы и соответствующим образом модифицировано программное обеспечение. На собранной лабораторной системе была исследована динамика пошаговой коррекции методом фазового сопряжения в двух режимах – стандартном, при котором на управляющие электроды биморфного зеркала выставлялись напряжения, рассчитанные по пришедшей гартманограмме и измеренным функциям отклика, и модифицированном, при котором таким же образом рассчитанные напряжения умножались на коэффициент k = (1+h), где h - величина измеренного гистерезиса адаптивного зеркала. Анализ полученных данных показал, что модифицированный алгоритм существенно увеличивает скорость компенсации аберраций и, соответственно, уменьшает время, необходимое адаптивной системе для коррекции. Показанная принципиальная возможность переопределения эталонного фазового профиля открывает дополнительные экспериментальные возможности, потому что датчик, даже находясь в аберрационном диагностическом тракте и на достаточном удалении, может быть откалиброван таким образом, чтобы диагностировать качество фокусировки в целевой точке. При этом снижаются требования как к безаберрационности диагностического тракта, так и к аберрациями в фокусирующей системе. Кроме того, такой подход, с определенными ограничениями, позволяет измерять волновой фронт излучения высокой мощности в разовом режиме. Эти ограничения касаются в первую очередь необходимости переноса изображения деформируемого зеркала на плоскость датчика и точности переопределения эталонного фронта для излучения в разовом режиме с учетом его высокой интенсивности, малой частоты следования импульсов и возможных вариаций в заполнении ближней зоны лазерного излучения (А. В. Котов, С. Е. Перевалов, М. В. Стародубцев, Р. С. Земсков, А. Г. Александров, И. В. Галактионов, А. В. Кудряшов, В. В. Самаркин, А. А. Соловьев, “Адаптивная система коррекции оптических аберраций излучения мощных лазеров с динамическим определением эталонной формы волнового фронта”, Квантовая электроника, 2021)
Публикации:
1. Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Никитин А.Н., Самаркин В.В., Парфёнов В.А., Кудряшов А.В. Laser beam focusing through a moderately scattering medium using bimorph mirror Optics Express, Vol. 28, Issue 25, pp. 38061-38075, 2020.
2. Канев Ф.Ю., Аксенов В.П., Веретехин И.Д. Analyses of optical vortex registration methods PROCEEDINGS OF SPIE, Proceedings Volume 11560, 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics; 115602B, 2020.
3. Соловьев А.А., Котов А.В., Перевалов С.Е., Есюнин М.В., Стародубцев М.В., Александров А.Г., Галактионов И.В., Самаркин В.В., Кудряшов А.В., Хазанов Е.А., Шайкин А.А., Гинзбург В.Н., Яковлев И.В., Коробейникова А.П., Кузьмин А.А., Кочетков А.А. Адаптивная система коррекции волнового фронта лазерного комплекса PEARL Квантовая электроника, Том 50, № 12, с. 1115-1122, 2020.
4. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Рукосуев А.Л., Никитин А.Н., Шелдакова Ю.В., Отрубянникова О.В. Исследование охлаждаемого деформируемого зеркала на пьезоактюаторах для коррекции атмосферных флуктуаций фазы Оптика атмосферы и океана, том 33, №9, 2020.
5. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Шелдакова Ю.В., Самаркин В.В. Development and investigation of small-aperture bimorph deformable mirror for correction of low-order aberrations of laser radiation PROCEEDINGS OF SPIE, Proceedings Volume 11560, 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics; 115601Z, 2020.
6. Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л., Белоусов В.Н., Галактионов И.В., Никитин А.Н. FPGA-based 2 kHz closed-loop adaptive optical system with stacked actuator deformable mirror PROCEEDINGS OF SPIE, Proceedings Volume 11508, Unconventional Imaging and Adaptive Optics 2020; 115080K, 2020.
7. Шелдакова Ю.В., Топоровский В.В., Галактионов И.В., Никитин А.Н., Рукосуев А.Л. Flat-top beam formation with miniature bimorph deformable mirror PROCEEDINGS OF SPIE, Proceedings Volume 11486, Laser Beam Shaping XX; 114860E, 2020.
10. Галактионов И., Никитин А., Шелдакова Ю., Кудряшов А. (Galaktionov I., Nikitin A., Sheldakova J., Kudryashov A.) Spatial light modulator control algorithm to focus moderately scattered laser beam IEEE Proceedings (2021)
