Управляемая биморфная оптика на основе пьезоэлектрических структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Л Г: ЛТГ А ТТТТ--1 ГГ^ГТ ТТ Л Т ГТГ

rv"jUmuT.a1 шшДЬшш тип

ИНСТИТУТ ОЕШЕЙ CUSIffiJi

- г п ОД

t 0 firiii bob

На правах рукописи УДК 631,''. Г;5.с : 5?!"' 'У,-

СЛФРОНОВ АНДРЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

УПРАВЛЯЕМАЯ БИШРФНАЯ ОПТИКА НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР

Специальность 01.04.£1 - лазерная i-игикл

диссертации на соискание ученой степени К^НЛИТаТЗ 1'~ ■ с!'! *7 Г ' ■ * а 7 е i.' S 7 -' ч -- С г7 '7 наук

Москва - 199&

Работа выполнена з ордена Трудового Красного Знамени научно-производственном объединении "Композит"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Аполлонов В.В.

Официальные оппоненты: ДОКТОР Технических Наук

Валуев В. В.

кандидат технических наук Кислов В.И.

ведущая организация: Государственное предприятие

"НПО Астрофизика"

■Защита состоится 1996г. в/5 часов на заседают

специализированного совета К 003.49.02 при Институте общей физики по адресу: 117942 Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики.

Автореферат разослан "_^¿ЛсЗрЛ■ 199о>г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физ.-мат. наук

Т.Б.Боляк

1. ОБ!ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Моззный пт-стресс- с'пг;14?екс-й науки и техники на протяжении последних 25 лет уберит-акс псказзд, чтс- одник ::в самых интересных, перспективных и эффективных средств повышения

ных, является адаптивная оптика или техника управления волновым

фронтом оптического излучения в реальном времени с пельй динамической компенсации фазовых искажений. Успешное развитие последней привело, б частности, к тому, что в настоящее время ни один из проектов крупных астрономических телескопов не обходится без ее использования. Плюс к этому: в современной лазерной оптике существуют отчетливые тенденции по внедрению адаптивной техники в лазерные комплексы, 5 тем числе в промышленные.

однако, на пути широкого использования адаптивной оптики оу-и*е о о зугт. т определенные препятствия. в частности^ ноооходпм высоки.' уровень равЕИткл оптической технологии и техники обработки инфор-

ронных систем управления и т.д. Вот почему в сложившейся ситуаций оообус актуальность и интерес представляет адаптивная оптика н:*5-КО'ГО порядка коррекции, или так называемая "мвлан" адаптивная оптика. Подобные системы отличаются следующими характерными особенностями:

з,' эффективной коррекцией наиболее "вредных" шаговых искажений, вносящих максимальный вклад в ошяение качества оптической системы; в большинстве практические ехуча&в эти искажения является крупномасштабными и представляют .собой динамические оптические аберрации низких порядков;

б) сравнительно малым числом каналов управления волновым

фронтом.

Перечисленные качества "малой" адаптивной оптики делают ее более простой и дешевой по сравнению с традиционными системами и при этом она лишь незначительно уступает последним по эффективности. Таким образом, с точки зрения технического внедрения, в том числе е промышленном масштабе, адаптивная оптика низкого порядка коррекции явно предпочтительнее традиционной техники.

В такой ситуации закономерно возникает вопрос о наиболее подходящем корректоре волнового фронта для "малых" адаптивных оптических систем. Из перечисленных выше особенностей последних вытекает основное требование для такого корректора: высокая эффективность компенсации крупномасштабных фазовых искажений при малом числе каналов управления. С этой точки зрения, практически идеальным средством для -"малой" адаптивной оптики являются управляемые биморфные зеркала. Причем актуальность их исследования существенно повышается при переходе к более широкому использованию адаптивной оптики, в том числе в промышленных оптических системах.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы являются разработка, создание и исследования управляемой биморфной оптики широкого назначения на основе пьезоэлектрических структур.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) разработка и оптимизация эффективных конструкций промышленных биморфнкх зерказ с повышенной чувствительностью для лазерной оптики малой и средней мощности:

2) разработка крупногабаритных биморфных зеркал для астрономической оптики:

-Ь; экспериментальные к расчетные исследования разработанной биморфной оптики и эффективности ее использования при компенсации искажений волнового фронта;

4* разработка методик компьютерного моделирования биморфной оптики и ее эффективности при компенсации Фазовых искажений;

5) разработка операторного метода исследования адаптивной оптики для получения оперативных оценок ее эффективности.

Научная новизна результатов.

1. Созданы полупромышленные пьезоэлектрические биморфные зеркала с повышенной чувствительностью для лазерной оптики, а именно: охлаждаемые из меди и молибдена и неохлаждаемые из молибдена. С их разработкой практически решена задача создания эффективного корректора волнового фронта лля адаптивных оптических систем низкого порядка коррекции, в -то« числе промышленного ка?начения.

разработан мозаичный многослойный способ формирования 5и-мсргснъпс структур;,, обеспечпзз/ссптп повышение чупствлсельно^тя ^ а--равллемой биморд>:оп оптики и возможность создания крупногабаритным диморфных

5. впервые разработано и исследовано кругаюгабарктнсе Сашсрф-

тической системой разгрурк^. Установлены его преимущества при компенсации крупномасштабных фазовых искажений по сравнению с аналогичным активным зеркалом на дискретных приводах.

4. Впервые разработан операторный метод исследования эффективности адаптивней коррекции, на основе которого получены Выражения и алгоритм вычисления для остаточной ошибки компенсации Фазовых искажений, а также введены параметры точности деформируемых зеркал при адаптивной компенсации, играющие роль качественных критериев сравнения корректоров.

- о -

Защищаемые положения.

1. Разработанные биморфные зеркала эффективно устраняют существующие фаговые искажения в лазерных системах малой и средней мощности.

2. Применение многослойных мозаичных биморфных структур обеспечивает повышение чувствительности управляемой биморфной оптики и возможность создания крупногабаритных биморфных зеркал.

3. Предложенное 3.3-метровое биморфное зеркало эффективно устраняет крупномасштабные низкочастотные искажения волнового фронта большой амплитуды, существующие в современных оптических телескопах.

4. Применение крупногабаритных биморфных зеркал обеспечивает повышение -эффективности и качества активной коррекции низкого порядка по сравнению с использованием крупногабаритных зеркал на дискретных приводах.

5. Разработанный операторный метод позволяет оценить величину остаточной ошибки адаптивной коррекции для любых деформируемых зеркал и произвольных фазовых искажений, а также ввести качественные критерии сравнения управляемой оптики - параметры точности деформируемых зеркал при адаптивной коррекции.

Практическая ценность работы.

1. Полупромышленные охлаждаемые и неохлаждаемые биморфные зеркала обеспечивают эффективную динамическую компенсацию фазовых искажений, существующих в современной лазерной оптике средней и малой мощности.

2. Расчетные модели биморфной оптики и методики компьютерного моделирования эффективности ее применения успешно использованы при проектировании адаптивных биморфных зеркал для' промышленной лазерной оптики, а также при исследованиях крупногабаритных би-

морфных зеркал для астрономических телескопов.

- 3.- Разработанная •• технология бшорфнсй оптачя вз^тге- с мнстзо- ' лепным мсзаичным способом формирования бпмсрфньк структур успепко применяется в производстве адаптивных диморфных зеркал для промышленной лазерной оптики и может быть использована при создании крупногабаритных бимогфнкх зеркал лля телескопов. Уроме тоге, предложенная техника формирования биморфных структур является перспективной не гальке а оптике, но и вообще для управления геометрией произвольных поверхностей, например крылом самолета и т. л.

4. Проведенные исследования крупногабаритных биморфных зеркал показывают их высокую эффективность и перспективность использования в астрономических телескопах для коррекции крупномасштабных

ностн ;; качества активной коррекции г,с сравнетитг; с использованием зеркал на дискретных привода:-:.

Е. Операторный метод анализа адаптивной коррекции полезен :: удобен при теоретических исследованиях адаптивных оптических систем. Полученные с его помощью выражения для остаточной ошибки компенсации фаговых искажений успешно пспользротся на практик-при проектировании лазерной адаптивной оптики. Предложенные параметры точности деформируемых зеркал при адаптивной коррекции полезны и удобны в качестве критериев сравнения фазовнх корректоров. Область практического использования этих параметров - проектирование и исследование управляемой оптики.

Апробация работы. Результаты диссертационное работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Оптические зеркала из нетрадиционных материалов" (Москва, 1989); школе-семинаре "Лазеры л современное проиборостроение" (С.-Петербург. 1991); между-

народном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применения" (Самарканд, 1990); международной конференции "Активная и адаптнвная оптика" (Гархинг/Мюнхен, Германия, 1993); международной конференции "Лазерная метрология: современные достижения для промышленного применения" (Брайтон, Великобритания, 1993).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, приведенных е конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем работы составляет 181 страницу, включая 37 рисунков, 19 таблиц и 10 страниц библиографии, содержащей 98 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведения исследований, формулируются цель и задачи работы, а также ее научная новизна, практическая значимость и положения, еынос-имыэ на защиту.

Первая глава посвящена современному уровню развития адаптивных биморфных зеркал и содержит 3 раздела. В первом излагается принцип действия активных и полупассивных.биморфных структур. Во втором разделе рассматриваются существующие биморфные зеркала, а также кратко описываются оптические системы, в которых они используются. В третьем разделе анализируются достоинства биморфной оптики и недостатки существующих биморфных зеркал, к которым, в частности, относятся: а) ограниченный размер управляемой зеркальной поверхности (максимальный внешний Диаметр зеркал не превышает 80 мм, а реальная СЕетовая апертура составляет порядка 50 мм); б) низкая чувствительность, т.е. небольшие управляемые деформации при высоком управляющем напряжении; в) низкое качество исходной

фермы оптической поверхности, -ьое современные бикорфнке зеркала ~~являются~либс чисто акспеп^ментальными ''изготовленными " о цель*?" исследования их самих.1; либо зкепер»шезтально-практ51чееккмк ¡'предназначенными для отдельных .экспериментов по управлению волновым фронтом); либо опытно-конструкторскими (специально разработанными для конкретных оптических систем,1.

Таким образом, анализ литературных данных показал, что на сегодняшний лень отсутствуют как промышленные образцы оиморёння. зеркал, так и промышленная технология их производства. Перечисленные недостатки существующих биморфных зеркал препятствуют их широкому внедрению в промышленную лазерную оптику и астрономические телескопы. Полностью отсутствуют разработки по крупногабаритным бимопфным скалам.

Анализ литературных данных позволил сформулировать радачл диссертационной работы.

Во второй главе. состоящей па 3 разделов, последуется диморфная оптика для лазерных систем. В 1 разделе анализируются Фазовые лскаления в лазерной оптике л '":'-'То7. ч — ~ ^сльтп^стве

случаев в лазерных системах преобладают крупномасштабные искахе-;■ - волч^З'ОГО' Фо'онте. ос ответетв^'-пди^ первичным статическим всео-рзцикм, полоса частот которых межет достигать -••! кГц, а амплитуда -40 мкм (или ~10А). Исходя из этого, представляется целесообразным использовать для компенсации тачи? искажений "малую" ацаптяэ-нуг> оптику на основе биморфных зеркал,

Бо й разделе разрабатываются к исследуются охлаждаемые диморфные зеркала для лазерной оптики средней мотаооти. Их конструкция была оптимизирована методом конечных элементов, при этом критериями оптимизации были: максимум управляемых деформаций оптической поверхности и минимум остаточной ошибки компенсации пер-

вичных оптических аберраций. В соответствии с разработанной полупромышленной технологией биморфной оптики были реализованы два варианта данных зеркал: из меди с 18 управляющими электродами и из молибдена с 17 электродами. Для всех электродов были получены расчетные и экспериментальные функции отклика, причем достигнуто их полное качественное и количественное совпадение. Максимальная чувствительность разработанных зеркал (при использовании всех электродов) составляет 37.3 мкм/кБ для медного зеркала и 11.8 мкм/кВ для молибденового. Основные резонансные частоты, соответственно -2.4 кГц и 3.6 кГц. Для обоих зеркал было выполнено компьютерное моделирование при различных термических воздействиях; условия термонагружения и результаты моделирования представлены в табл.1. Расход охлаждающей жидкости при воздействии лазерного излучения составлял 10 л/мин. Термодеформации зеркал при изменении температуры (табл.1) были проверены экспериментально и получено их качественное и количественное соответствие расчетным результатам. Компенсация разработанными биморфными зеркалами первичных оптических аберраций показана на рис.1. Таким образом, подученные результаты термовоздействия и приведенные графики показывают, что разработанные охлаждаемые биморфные зеркала эффективно устраняют существующие фазовые искажения в лазерных системах

Таблица 1. Термодеформации охлаждаемых биморфяых зеркал.

Адаптивное биморфное зеркало При изменении температуры окружающей среды на 1°С При воздействии лазерного пучка диаметром 40 мм и интегральной мощностью 15 кВт,распределенной

по Гауссу равномерно

„„ 1

РУ,мкм ШЭ,мкм Р¥,мкм кМБ,мкм

Медное Молибдено-Еое 1.1 0.027 0.32 | 1.2 0.008 1 0.55 0.35 ! 1.1 ! 0.16 | 0.49 1 0.33 0.14

Ряг.1. Мнчямальнаг ср^гнекЕэдраттгчязя остатсчная етибка б».-:п компенсации крупномасштабны:; искажений в зависимости ст размаха этих искажений: а - для медного схл&чдаемого бкморфного зеркала, б - для молибденового. Искажения представлены отдельными полиномами Цернике: 1 - дефокусировка, 2 - астигматизм, 3 - кома, 4 -трилистник, 5 - сферическая аберрация.

—

- 1С. -

мощностью до 15 кВт.

В 3 разделе, состоящем из ДЕух параграфов, рассматриваются перспективные биморфные зеркала. В первом параграфе разрабатывается и исследуется одноканальное деформируемое зеркало для лазерной оптики малой мощности. Конструкция данного зеркала оптимизировалась по аналогии с предыдущими биморфными зеркалами. Промышленный образец зеркала изготовлен из молибдена в соответствии с разработанной и усовершенствованной технологией и содержит многослойную биморфную структуру, обеспечивающую высокую чувствительность (79.1 мкм/кВ). Экспериментальные измерения управляемых деформаций зеркала показали их качественное соответствие результатам моделирования, при этом амплитуда этих деформаций оказалась на 30+35% выше расчетной величины, благодаря входному контролю

Таблица 2. Термодеформации молибденового многослойного биморфного зеркала.

N п/п Условия тешовоздействия Термодеформации, мкм Увеличение сред- | ней температуры,К(

РУ Ш5 отражающ. пластины пьезо- 1 керамики 1

1- Изменение температуры окружающей среды на 1°С. 0.20 0.06 1 1 1 1 »

2. Воздействие лазерного пучка диаметром 40 мм и интегральной мощностью 1 кВт, распределенной по Гауссу. Охлаждение - воздушное.Скорость воздуха - 10 м/с. 6.1 1.7 27.6

3. Воздействие лазерного пучка диаметром 40 мм и интегральной мощностью 1 кВт, распределенной по Гауссу. Охлаждение - водяное. Скорость воды-5 м/с: а) теплоотвод через цилиндрическую поверхность; б) теплоотвод через задний торец. 2.3 0.5 0.7 . 9.7 10.0 ! 9.3 9.6

пьезокерамики, частота основного резонанса зеркала составляет 2.2 кГц, электромеханический .гистерезис не. превышает- 20%. -Результаты компьютерного моделирования данного зеркала при воздействии лазерного излучения и различны" режимах внешнего принудительного охлаждения показаны в табл.2. Как мокко видеть, яри внешнем охлаждении водой зеркало имеет небольшие термснеформапки по сравнению с собственными управляемыми перемещениями оптической поверхности. Компенсация зеркалом яе&жтгяргзкп и сферической абзррацш: показана на рис.2; реальная эффективность зеркала (измеренная экспериментально) приблизительно на SOS выше приведенных данных. "Таким образом, полученные результаты термонагружения и приведенные графики показывают, что разработанное деформируемое биморфное зеркало эффективно устраняет существующие осесимметричные фазовые

Лальнейеее развитие бпмортяон сптики связано с использованием

П С.С' i — X С X""' СУТЬ Г С л Д Л Г с! ~ М ^ Г1 -у: - -с. ^ ' :1и njrp^nn^iwV! _

Ье-первых, пьезокерампка, расположенная на обратной стороне гибкой отражавши пластины выполняете? не- в виг? ™ ль кого г;:~кз, з в виде мозаичного слоя из отдельных пьезсэлементсв. рис. .1'. Во-вторых, сами эти пьезоэлементы (на рис.2 - шестиугольники) являются многослойными, как з рассмотренном неохлаждаемом биморфном зеркале. 'Таким образом, не вгавалсс в специфику формирования мне-гослойных мозаичных бкморфньпе структур, можно сразу отметить, что их применение обеспечивает повышение чувствительности управляемой биморфной сптики (в рассмотренном многослойном биморфном зеркале она была повышена в 3 раза) и возможность создания крупногабаритных биморфных зеркал (детально показано в следующей главе).

2. 1ййН1шаЛЬКаЯ СрЭДКеКЕЗДрйТ/ТчКаЯ ОСТаТОЧКЗЯ ОШИбКЭ RMS КОМ-ации осесимметричных аберраций Зайделя в зависимости от раз-(PV) зтих аберраций для молибденового многослойного биморф-зеркала: 1 - дефокусировка, 2 - сферическая аберрация.

зоне гибкой отражающей пластины адаптивного Сжс^Фнстс шт быть выполнен в виде многослойной структуры.

Третья глава, состоящая из 2 разделов, посвящена крупногабаритной биморфной оптике. В 1 разделе анализируются фазовые искажения излучения в астрономическом телескопе и показывается, что в большинстве случаев преобладают крупномасштабные искажения, соответствующие первичным оптическим аберрациям, причем их общая амплитуда может составлять десятки микрометров, а характерное время изменения -4. мс, Исходя из этого, представляется целесообразным использовать крупногабаритное биморфное зеркало для компенсации крупномасштабных низкочастотных искажений большой амплитуды в телескопе. Например, один из возможных вариантов построения такого адаптивного телескопа может включать 3 петли управления волновым фронтом: по наклонам с помощью поворотного зеркала, по крупномасштабным низкочастотным искажениям большой амплитуды с помощью крупногабаритного биморфного зеркала и по высокочастотным искажениям малой амплитуды с помощью корректора на дискретных приводах.

Во 2 разделе рассматривается возможность построения крупногабаритного биморфного зеркала и его использования для компенсации названных искажений. Используем в качестве базовой модели 3.3-метровое ситалловое зеркало с 54 электромеханическими приводами, Пусть на тыльной стороне зеркала сформирован мозаичный управляющий пьезослой, как показано на рис.3. Путем компьютерного моделирования данного зеркала были получены функции отклика его управляющих электродов; для простоты расчетов было принято, что они соответствуют отдельным конечным элементам расчетной модели (их общее количество - 288). Чувствительность зеркала по отдельны}.! управляющим электродам составляет 'от 0.95 до 4.6 мкм/кВ. Частота первого резонанса 3.3-метрового зеркала определяется, в основном, пневматической системой разгрузки и составляет 2.2 Гц. Амплитуда термодеформаций зеркала при изменении температуры сос-

тзвляет -±.0 мкм.-К и достаточно мала по сравнению с собственными управляемыми перемещениями, соответствующими дефокусировке.- •• Эффективность зеркала, как п ранее, оценивалась по компенсации первичных оптических аберраций; соответствующие графики представлены на рис.4. Для наглядности в табл.3 приведены значения амплитуды этих аберрации при остаточной ошибке компенсации с использованием 3.5-метрового Симорфног-о зеркала не более \/20 (!\-0.55 мкм), а ?з:-т»<? днзлсппные данные пмя базового акт'п-ксго зеркала о 54 электромеханическими приводами. Здесь же указано число управляющих электродов биморфного зеркала, использовавшихся при компенсация.

Таким образом, приведенные результаты показывают, что предложенное 3.3-метровое биморфное зеркало эффективно устраняем крупномасштабные низкочастотные птка-ения большой амплитуды, с^еот-зу?:щпе 2 современных оптических телеокопах. Применение крупкста-оаритннг-: б::морднкх зеркал обеспечивает повытение эффективности г качества активной коррекции яркого порядка --оавк-н^ с пользованием крупногабаритных геркал нз диокоетньт" привела", йтч-:10 слилась, что при оптимизации конструкции £. 5-мегровсго бшорф-яого зеркала и использовании мозаичного слоя из многослойны:': пъ-гзоэлементов его эффективность будет существенно выше рассмотрен-ясй.

Четвёртая глаза, состоящая из 2 разделов, посвящена оператор-дому метод'7 исследования РТфекоиЕнсстп адаптивной коррекции. >:::-аость предлагаемого метода заключается в формировании ортонорми-тованного базиса из набора линейно независимых тункцик отклика цеформирумого зеркала е последующим получением величины остаточ-зои ошибки адаптивной коррекции. Соответствующие выражения выводятся в 1 разделе данной главы. Пусть фазовые искажения в опти-

ямг.мкм

Рис.4. Минимальная среднеквадратичная остаточная ошибка (Шь) компенсации оптических аберраций 3-го порядка крупногабаритным биморфкым зеркалом в зависимости от размаха (РУ) этих аберраций: 1 - сферическая аберрация, 2 - трилистник, 3 - астигматизм, 4 -кома, 5 - дефокусировка.

Таблица 3. Значения размаха (.¡-»V) искажений, устраняемых а. 3-метровым бшосфнш зеркалом и его базовой моделью при й^п-Х/ЗО (Д-0.55 мкм)

м Название аберрации Форма представления ЬУ для активного зеркала с 54-мя приводами, мкм Биморфное активное зеркало

РУ, мкм Количество электродов при компенсации

1. Дефокусировка с*4 !'2Г£- 1) ;?.4 69 12

2. Астигматизм «6 Vь г^созЕЬ 9.1 7. Гс 36

3. Кома «а^Ог3- 2г)ссз0 1.1 1.0 36

4. Трилистник сзд^ г3созЗЙ 4.8 24

5" Сферическая аберрация йц\/5 (бг4- ог*+ 1) 0. 3 8.5 12

- 20 -

ческой системе описываются первыми М полиномами Дернине Следовательно, волновой фронт излучения 'л'(гх) можно представить в следующем виде:

М

ЩТХ) , (1)

¿=1

«1 У{т±)2±(тх)йтх ,

(2)

л

где двумерный радиус-вектор, определенный в круге единичногс радиуса й. Формирование ортонормированного базиса Т.; из набор; функций отклика г^ адаптивного зеркала проводится в соответствш

с процедурой Грамма-Шмидта: - - •

Т-ЛГ ; - у ,, (3.

л

VI (гх) - Г" 1(Г_ц) , (4

-^(Jfi0rx)Ti(xx)<lrs)7,(тx),l-2!...!]L тхеП. (5

VI - ^

Используя теорию Эвклидовых пространств и линейных операторов можно показать, что минимальная среднеквадратичная остаточна ошибка бг,ип коррекции искажений (1) не превышает следующей велк чины:

1 М

бшп < р— У ¡СС^Гз. , С?

где параметры т: определяются выражением:

Г:

а К0ЭС?ХИЦИеНТЫ 3,- 5У03>'еНПеМ:

С _ , . „ . . ,

i3sJt;ÜT, . 1У)

-Sü

Когда фаэоЕые искажения в оптической системе соответствуют единств е Н Н ОМ V П 0.1 ия 0?;f,г

Tlr.^'jT'»*— 7

W - a-Z-,

например, сферической аберрации, неравенство (6) переходит в следующее равенство:

величину остаточной ошибки адаптивной ксррекиии для люскх деэсс-мируемых зеркал и произвольных фазовых искажений.

Во Й рзвпеле на основ? полученных вьпсаме.чип звсдстсн качественные критерии сравнения управляемой оптики. Действительно, из выражения (10) понятен физический ешм параметров Если корректируемый волновой фронт описывается отдельным полиномом Дернине с единичной амплитудой (т.е. кеэф&гаиент «г. в выражении У' равен 1), то для данного адаптивного зеркала параметр Тг. с точностью до константы есть минимальная среднеквадратичная шибка компенсации этим зеркалом заданных фазовых искажений. Подобное свойство коэффициентов п позволяет рассматривать их как некоторые качественные параметры адаптивного зеркала, а именно как па-

раметры точности компенсации данным адаптивным зеркалом отдельных оптических аберраций. Из выражений (7,8.3,4,5) видно, что параметры п зависят только от функций отклика и, следовательно, определяются исключительно конструкцией адаптивного зеркала и больше ничем. Таким образом, разработанный операторный метод позволяет ввести качественные критерии сравнения управляемой оптики - параметры точности деформируемых зеркал при адаптивной коррекции. В диссертационной работе выполнен расчет параметров точности медного охлаждаемого биморфного зеркала, рассмотренного во 2 главе, и определена его эффективность при компенсации фазовых искажений, соответствующих пергым 55 полиномам Цернике.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. Разработаны, оптимизированы и исследованы адаптивные би-морфные зеркала для лазерной оптики средней мощности (до 15 кВт). Реализованы промышленные образцы охлаждаемых зеркал из меди и молибдена с максимальной чувствительностью 37.3 мкм/кБ и 11.8 мкм/кВ, соответственно. Установлено, что эффективный диапазон адаптивной коррекции (при остаточной ошибке не более X/14, Х-632.8 нм) составляет по дефокусировке 16.5 мкм и 7.5 мкм, по астигматизму - 0.55 мкм и 1.9 мкм, по коме - 0.38 мкм и 1.4 мкм. по трилистнику - 0.45 мкм и 1.1 мкм, по сферической аберрации -£. 1 мкм и 1.0 мкм, с использованием медного и молибденового зеркал соответственно. При этом для компенсации собственных термодеформаций биморфных зеркал при воздействии лазерного пучка с интегральной мощностью 15 кВт необходимо около 10% диапазона по управляющему напряжению. Частотные диапазоны медного и молибденового адаптивных зеркал составляют 0+300 Гц и 0+1 кГц, соответственно.

2. Разработано, оптимизировано и исследовано однсканальное ¡¡армируемое. зеркало- на-основе многослойной пьезоэлектрической горфной структуры для мзлоштсй лазерной оптики (до 1 кВт). шизован промышленный образен зеркала из молибдена с чуветвп-йностью 75.1 мкм/кЗ. Установлено, что эффективный диапазон штинной коррекции (при остаточной ошибке не более

>32.8 нм) составляет по дефокусировке около 20 мкм и по ефери-:кой аберрации порядка 1 ютг;' при атом для компенозшп* энных термодеформаций зеркала при воздействии лазерного пучка с регральной мощностью 1 кВт достаточно не более 77, диапазона по завляющему напряжению. Частотный диапазон молибденового дефор-эуемого зеркала составляет 0+1 кГц.

3. Предложен и разработан мозаичный многослойный способ Формования 01Ш0р0'НЫ" отр'уктур. На п с;.. о ленном образце однсканздсг..-"о молибденового зеркала установлено погыгение чувствительности завляеыой бшср&нск оптики в 2 раза. т~а примере ¿-метрового гивного бпморфяого зеркала продемонстрирована возможность сов-гая крупногабаритной Спморфкой оптики.

4. Впервые разработано и исследовано крупногабаритное актив) бимсрфное зеркало диаметром 3.3 метра на основе мозаичной пъ-¡структуры для астрономической оптики. Получено, что эффектив-1 диапазон коррекции (при остаточной ошибке не более Х/20, 5.55 мкм) составляет по дефокусировке 69 мкм. по астигматизму -? мкм, по коме - 1 .о мкм. по оргилиоонжу - 4.8 мкм. по сферп-:кой аберрации - 8.5 мкм. Установлено, что амплитуда сэбствен-: терме-деформации зеркала составляет -а.о мкьг-'К, при этом для их шенсадии достаточно не более 3% диапазона по управляющему нап-гению. Частота основного резонанса 3.3-метрового биморфного жата - 2.2 Гц.

5. Предложена схема построения адаптивного телескопа с крупногабаритным биморфным зеркалом в качестве главного, включающая 3 петли управления волновым фронтом. На примере 3.3-метрового биморфного зеркала показано повышение эффективности и качества активной коррекции дефокусировки и сферической аберрации в 28 раз при 12 управляющих электродах по сравнению с использованием аналогичного зеркала, содержащего 54 дискретных управляющих привода; при активной коррекции астигматизма и кош рассмотренные зеркала эквивалентны по эффективности при 35 управляющих электродах у биморфного зеркала.

6. Впервые предложен и разработан операторный метод исследования адаптивной коррекции. Получены выражения и алгоритм вычисления для. остаточной ошибки компенсации фазовых искажений. Предложены параметры точности деформируемых зеркал при адаптивной коррекции. Доказано, что при компенсации фазовых искажений, соответствующих отдельным полиномам Цернике, взятых с единичными коэффициентами, параметры точности адаптивного зеркала представляют собой среднеквадратичные остаточные ошибки коррекции этих искажений. Получены параметры точности медного охлаждаемого биморфного зеркала и определена его эффективность при компенсации фазовых искажений, соответствующих первым 55 полиномам Цернике.

Основные результаты диссертации'опубликованы в следующих работах.

1. Икрамов A.B., Кудряшов A.B., Сафронов А.Г., Романов C.B., Рощупкин И.М., Сулимов А.О. Адаптивное бйморфное зеркало.- Патент СССР N 1808159 (1992), МКИ H01S 3/02, по заявке N 4766709/25 от 19 декабря 1989г.

2. ikranov А.V., Romanov S.V., Roshohupkin I.M., Safronov

. , 3'Jllmov A.0. Wavefront corrector for- eximer lasers.- В кн.: ft . Wavelength- Lasers- • and~ Their Applications. Proc. of ?rnaticnal Simpc-siur. Sainarkand. USSR. May 14-18, 1990, .Korobkln and M. Yu. Ро.мзпоузк:/. eas., nova Science Puolishers, ., Mew Уогк , 1У 9 i, p.415 *

3. йкрамов А.Ь. , Романов С.В. , Голубкин J1.IL « Оафр dhoe А.Г.. шов а.О- Еиморфное адаптивное зеркало,- Квант, электрон..

? ф Л U М *> г» 1 CP- Р7?

- • - *- 3 ^ i " * -WW J. UJ «

4. йкрамов А.В., Рошупкин И.М., Сафронов А.Г. Крупногабарит-биморфное адаптивное зеркало: расчет эффективности примене-

,- Оптика атмосферы и океана, 1993, т.6, N 9, с.1115-1123.

5. Ikramov А.V., Rcshchupkin I.'л.. Safronov A.G. ;stigations of the blmorph piezoelectric mirrors fcr use ir;

6. ikraniev A. v.. Roshchupkin I.M., Safrcnov А.-т. fStlgaticnc cf the .oii'iorpn aaaptivi? mirrors. - Proc. 3F*E.

- у p,~:pp £ - I. _

7. йкрамов А.В. . Ропупг.ин И.М. , Оафронов А.Г. Круяяогабзсит-биморфное адаптивнее зеркало: компьютерное моделирование

гтрукоии.- Оптика атмосферы и океана. 1554. т.7. н 1. с.42-50. б. йкрамов А.З., Рощупкин К.М,, Сафронов А.Г. Операторный ме-оценки точности компенсации искажений при адаптивной коррек-- Квант, электрон., 1994. т.?,1, N2, с. 115-120.

9. Йкрамов А.2., Рсаупкин И.М. . Сафронов А.Г. Применение пь->л?ктрических б;п,<орфных структур в крупногабаритных адаптивных алая.- Оптический журнал, 15S4, 7, е.23-3и.

10. Йкрамов А.В., Рошупкин И.М., Сафронов А.Г. Охлаждаемые ;>рфные адаптивные зеркала для лазерной оптики.- Квант, элект-, 1994, Т.21, N 7, С.665-555.