ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИДГ РАН)

Разработка новых корректоров волнового фронта с высоким пространственным разрешением управляющих элементов

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 (Samarkin V. et al. Proc. SPIE 7789, p.77890B, 2010) и на основе пьезокерамических актюаторов (Allan Wirth et al. Proc. SPIE 8780, 87800M, 2013).

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 (А.С.Соболев и др. Оптика Атмосферы, т.18, №3, 2005). 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 (Vladimir Toporovskiy et al. Applied Optics 58, No.22, pp.6019-6025, 2019).

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 % (I. Galaktionov et al. Opt. Express 28(25), 38061-38075, 2020).
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). (V.Toporovsky et al. Proc.of SPIE 11560, 115601Z, 2020).
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%) (Yu.Sheldakova et al. Proc. SPIE 11486, 4860E,2020; and Yu. Sheldakova et al. Proc. SPIE 11266, 112661L-1, 2020).

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. (Рукосуев А.Л. и др. Оптика атмосферы и океана, 28 (2), 189-195, 2015). 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 (Yeong Kim et al. Journal of the Korean Physical Society, 66(11), 1680–1686. 2015). 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 (V. Toporovsky Et al. Optics & Laser Technology 144, 107427, 2021; V. V. Toporovsky et al. Atmos Ocean Opt, 33, 584-590, 2020)

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 (V.V. Toporovsky et al. 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), 2020, p. 87).

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 (V.Toporovskiy et al. Proceedings of SPIE 11672, 116720W, 2021)

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% (A. Nikitin et al. Proc. SPIE 11672, 116720W, 2021). 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 (A. Rukosuev et al. , Proc. of SPIE 11272, 112721G, 2020; А.Рукосуев и др. Квантовая Электроника 50, №8, стр.707-709, 2020; F. A. Starikov et al. Proc. SPIE 11560, 1156025, 2020)

Публикации:

1. Галактионов И.В., Кудряшов А.В., Шелдакова А.В., Никитин А.Н. (Ilya Galaktionov, Alexis Kudryashov, Julia Sheldakova, Alexander Nikitin) 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. (Vladimir Toporovskiy, Alexis Kudryashova, Vadim Samarkin, Julia Sheldakova, Alexey Rukosuev) 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. (VLADIMIR TOPOROVSKIY,ALEXIS KUDRYASHOV, VADIM SAMARKIN, JULIA SHELDAKOVA, ALEXEY RUKOSUEV, ARKADIY SKVORTSOV, DANILA PSHONKIN) 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. (Vladimir Toporovsky, Alexis Kudryashov, Vadim Samarkin, Julia Sheldakova, Alexey Rukosuev, Arkadiy Skvortsov, Danila Pshonkin) 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. В.В. Топоровский, А.В. Кудряшов, В.В. Самаркин, А.Л. Рукосуев, А.А. Панич, А.И. Сокалло, А.Ю. Малыхин (V.V. Toporovsky, A.V. Kudryashov, V.V. Samarkin, A.L. Rukosuev, A.A. Panich, A.I. Sokallo,A. Yu. Malykhin) 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. (Ilya Galaktionov, Yulia Sheldakova, Alexander Nikitin, Alexis Kudryashov) 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. (Alexis Kudryashov, Alexey Rukosuev, Alexander Nikitin, Ilya Galaktionov, Yulia Sheldakova) 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. (Alexey Rukosuev, Vadim Belousov, Ilya Galaktionov, Alexis Kudryashov, Alexander Nikitin, Vadim Samarkin, Yulia Sheldakova) 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. (A.L.Rukosuev, V.N.Belousov, A.N.Nikitin, Yu.V.Sheldakova, A.V. Kudryashov, V.A.Bogachev, M.V.Volkov, S.G.Garanin, F.A.Starikov) 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)