Deformable mirror

Кіріспе

Жүрегі деформациялануы мүмкін айналар (ЖД) - толқын маңының бақылауы мен оптикалық аберацияларды түзету үшін бетін деформациялануы мүмкін айналар. Деформацияланатын айналар адаптивті оптикада толқын маңының сенсорлары мен нақты уақыт бақылау жүйелерімен бірге қолданылады. 2006 жылы олар фемтосекундтық импульсті қалыптастырудың жаңа қолданысын тапты. ДМ-нің пішінін оптикалық жүйедегі динамикалық аберрацияларды өтеу үшін қолайлы жылдамдықпен басқаруға болады. Іс жүзінде ДМ пішіні түзетілетін процеске қарағанда әлдеқайда тез өзгертілуі керек, өйткені түзету процесі, тіпті статикалық аберрация үшін де, бірнеше қайталануды қажет етуі мүмкін. Әдетте МД-ның еркіндік дәрежесі көп болады. Әдетте, бұл бостандық дәрежесі механикалық іске қосылғыштармен байланысты және бір іске қосылғыштың бір бостандық дәрежесіне сәйкес келетіндігі туралы шамамен қабылдануы мүмкін.

Деформацияланатын айнаның параметрлері

Атқарушылардың саны айнаның түзете алатын еркіндік дәрежесінің санын (толқын маңының бұрылыстары) анықтайды. Кездейсоқ DM-ді толқын маңы режимдерін Зернике полиномиялары түрінде тамаша қайталай алатын идеалдық құрылғымен салыстыру өте жиі кездеседі. Аберрациялардың алдын ала анықталған статистикасы үшін M актуаторлары бар деформацияланатын айна еркіндіктің N (әдетте N < M) дәрежесі бар идеалдық Зернике корректорына тең болуы мүмкін. Атмосфералық турбулентті түзету үшін төменгі реттік Зернике терминдерін жою әдетте кескін сапасын айтарлықтай жақсартады, ал жоғары реттік терминдерді одан әрі түзету айтарлықтай жақсармайды. Авиадинамикалық ағымдық кеңістіктерде жиі кездесетін соққылар мен серпіліс турбуленттігі сияқты толқын маңының күшті және жылдам қателік ауытқулары үшін, іске қосылатын құрылғылардың саны, іске қосылатын құрылғылардың қиылысы мен соққысы толқын маңының өтелетін ең жоғары градиенттерін анықтайды. Активатордың қиылысы - актуатор орталықтарының арасындағы қашықтық. Үлкен актуаторлы және көп санда актуаторлы деформацияланатын айналар үлкен және қымбат. Активатордың соққысы - актуатордың ең үлкен ығысуы, әдетте оң немесе теріс экскурсияларда орталық нөлдік позициядан. Ұрлық әдетте ±1 - ±30 микрометр аралығында болады. Еркін актуатор соққысы түзетілген толқын маңдайшасының ең үлкен амплитудасын шектейді, ал интерактуатор соққысы түзетілетін жоғары деңгейдегі аберрациялардың ең үлкен амплитудасы мен градиенттерін шектейді. Тәуелділік функциясы - бір ғана іске қосушының әрекетіне айнаның жауап беруіне сәйкес келетін сипаттамалық пішін. Деформацияланатын айналардың әртүрлі түрлері әртүрлі әсер ету функцияларына ие, сонымен қатар әсер ету функциялары бір айнаның әртүрлі іске қосылғыштары үшін әртүрлі болуы мүмкін. Бүкіл айна бетін қамтитын әсер ету функциясы "модальдық" функция деп аталады, ал жергілікті жауап "зоналық" деп аталады. Активаторлардың біріктірілуі бір актуатордың қозғалысы көршілерін қаншалықты ығыстыратынын көрсетеді. Барлық "модальдық" айналарда үлкен көлденең жұптасу бар, бұл шын мәнінде жақсы, өйткені ол әдетте ең жоғары статистикалық салмаққа ие болатын тегіс төменгі реттік оптикалық аберрацияларды түзетудің жоғары сапасын қамтамасыз етеді. Реакция уақыты айнаның басқару сигналына қаншалықты тез жауап беретінін көрсетеді. Микросекундтардан (MEMS және магниттік айналар) термиялық бақыланатын DM үшін оншақты секундқа дейін өзгеруі мүмкін. Гистерезис және жыртылыс - деформацияланатын айнаның жауап дәлдігін төмендетеді. Әртүрлі тұжырымдамалар үшін гистерезис нөлден (электростаттық әрекет ететін айналар) пьезоэлектрлік әрекет етушілердің айналары үшін оншақты пайызға дейін өзгеруі мүмкін. Гистерезис - алдыңғы актуатордың орнын басқару командаларынан қалған позициялық қате, және айнаның кері байланыс циклынан тыс, feedforward режимінде жұмыс істеу қабілетін шектейді.

Number of actuators determines the number of degrees of freedom (wavefront inflections) the mirror can correct. It is very common to compare an arbitrary DM to an ideal device that can perfectly reproduce wavefront modes in the form of Zernike polynomials. For predefined statistics of aberrations a deformable mirror with M actuators can be equivalent to an ideal Zernike corrector with N (usually N < M) degrees of freedom. For correction of the atmospheric turbulence, elimination of low order Zernike terms usually results in significant improvement of the image quality, while further correction of the higher order terms introduces less significant improvements. For strong and rapid wavefront error fluctuations such as shocks and wake turbulence typically encountered in high speed aerodynamic flowfields, the number of actuators, actuator pitch and stroke determine the maximum wavefront gradients that can be compensated for. Actuator pitch is the distance between actuator centers. Deformable mirrors with large actuator pitch and large number of actuators are bulky and expensive. Actuator stroke is the maximum possible actuator displacement, typically in positive or negative excursions from some central null position. Stroke typically ranges from ±1 to ±30 micrometres. Free actuator stroke limits the maximum amplitude of the corrected wavefront, while the inter actuator stroke limits the maximum amplitude and gradients of correctable higher order aberrations. Influence function is the characteristic shape corresponding to the mirror response to the action of a single actuator. Different types of deformable mirrors have different influence functions, moreover the influence functions can be different for different actuators of the same mirror. Influence function that covers the whole mirror surface is called a "modal" function, while localized response is called "zonal". Actuator coupling shows how much the movement of one actuator will displace its neighbors. All "modal" mirrors have large cross coupling, which in fact is good as it secures the high quality of correction of smooth low order optical aberrations that usually have the highest statistical weight. Response time shows how quickly the mirror will react to the control signal. Can vary from microseconds (MEMS and magnetics mirrors) to tens of seconds for thermally controlled DM's. Hysteresis and creep are nonlinear actuation effects that decrease the precision of the response of the deformable mirror. For different concepts, the hysteresis can vary from zero (electrostatically actuated mirrors) to tens of percent for mirrors with piezoelectric actuators. Hysteresis is a residual positional error from previous actuator position commands, and limits the mirror ability to work in a feedforward mode, outside of a feedback loop.

Деформацияланатын айна тұжырымдамалары

Сегментті тұжырымдамалық айналар тәуелсіз жазық айна сегменттерінен құралады. Әрбір сегмент толқынның орташа мәнін жапсырма ауданы бойынша шамамен жеткізу үшін кішкене қашықтықты алға-артқа жылжыта алады. Бұл айналардың актуаторлары арасында айнымалы байланыс аз немесе мүлдем жоқ. Кезекті шамалау тегіс үздіксіз толқын маңы үшін нашар жұмыс істейді. Сегменттердің өткір жиектері мен сегменттер арасындағы саңылаулар жарық шашырауына ықпал етеді, бұл шашыраған жарыққа сезімтал емес қолданбаларды шектейді. Сегменттелген айнаның жұмыс істеуін үш сегментке арналған еркіндік дәрежесін енгізу арқылы едәуір жақсартуға болады: поршень, ұшқыш және еңіс. Бұл айналар поршеньді сегментті айналарға қарағанда үш есе көп іске қосушыны қажет етеді. Бұл тұжырымдама Кек телескопы, Джеймс Вебб ғарыш телескопы және болашақ E ELT үшін үлкен сегментті негізгі айналарды жасау үшін қолданылды. Сегменттерді дәл кофазалау және сегмент пішіндері мен саңылаулары әкелетін дифракциялық үлгілерді азайту үшін көптеген әдістер бар. Болашақтағы ғарышқа негізделген ірі телескоптар, мысалы NASA-ның Үлкен УФ-оптикалық инфрақызыл зерттеушісі де сегментті негізгі айнаға ие болады. Контрасты арттырудың сенімді әдістерін әзірлеу экзопланеталарды тікелей бейнелеу мен сипаттаудың кілті болып табылады. Дискретті актуаторлары бар үздіксіз беткі пластиналық концепциялы айналар жұқа деформацияланатын мембрананың алдыңғы бетінен құрылады. Плитаның пішінін оның артқы жағына бекітілген бірнеше дискретті іске қосу құралдары басқарады. Айнаның пішіні беткі тақтаға әсер ететін күштердің үйлесіміне, шекаралық жағдайларға (тақтаның айнаға бекітілуіне) және геометрияға және тақтаның материалына байланысты. Бұл айналар өте үлкен, бірнеше мың градусқа дейінгі еркіндікпен толқын маңының тегіс бақылауына мүмкіндік береді. Магниттік концепциялы айналар дауыс орамдары мен магниттермен іске қосылатын жұқа иілгіш үздіксіз мембранадан тұрады. Бұл технология дизайнның үлкен икемділігіне мүмкіндік береді, әр түрлі өнімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Жасалған дизайнға байланысты олар жүз микронға дейінгі деформацияға немесе өте жоғары жылдамдыққа <ms уақыт аралығына қол жеткізе алады. Мембрана бір материалдан жасалғаны үшін өте жоғары оптикалық сапаға қол жеткізуге болады. Бұл технология жақсы тұрақтылықты көрсетеді және бірнеше апта бойы өзінің пішінін өзгертпейді. Атқарушы элементтердің саны бірнеше оннан бірнеше мыңға дейін болуы мүмкін. MEMS тұжырымдамалық айналары ірі көлемді және беткі микроөңдеу технологияларын қолдану арқылы жасалады. Олар көптеген актуаторлармен басқарылатын жіңішке шағылыстыратын мембранадан тұрады. MEMS айналары әдеттегі адаптивті оптиканың жоғары баға шегін бұза алады. Олар толқын маңының дәл түзетуіне мүмкіндік беретін тиімді бағамен жоғары іске қосушыларды есептеуге мүмкіндік береді. шектелген гистерезиспен. Қосымша артықшылық - микроөңдеу технологиялары масштабтық үнемдеудің пайдасын көру үшін деформацияланатын айналарды арзан және жеңіл, көбірек іске қосылатын құрылғылармен жасауға мүмкіндік береді. Мембраналық айналар тұжырымдамасы қатты жазық қаңқаға созылған жіңішке өткізгіш және шағылыстыратын мембранадан құралады. Мембрананы мембрананың астына немесе үстіне орналастырылатын электростатикті электродтармен басқару кернеуін қолдану арқылы электростатикті деформациялауға болады. Егер мембрананың үстінде электродтар орналасса, олар мөлдір болады. Айнаны айнаның астына орналастырылған тек бір электродтар тобымен ғана пайдалану мүмкін. Бұл жағдайда мембрананың бастапқы шар тәрізді болу үшін барлық электродтарға ауытқу кернеуі қолданылады. Мембрана сілтеме сферасына қатысты алға-артқа қозғала алады. Биморфты концепциялы айналар екі немесе одан да көп қабатты әр түрлі материалдардан құралады. Бір немесе бірнеше (активті) қабаттар пьезоэлектрлік немесе электростриктивті материалдан жасалған. Электродтың құрылымы жергілікті реакцияны жеңілдету үшін белсенді қабатында үлгіленеді. Бір немесе бірнеше электродқа кернеуді тигізгенде, айна бұзылады, олардың көлденең созылуына әкеліп соғады, бұл жергілікті айнаның қисылуына әкеледі. Биморфтық айналар 100 электродтан артық жасалмайды. Ferrofluid концептілік айналар сұйық тасымалдауышта дисперсияланған шағын (10 нм диаметр) ферромагниттік нанобөлшектердің суспензиясымен жасалған сұйық деформацияланатын айналар болып �...

Segmented concept mirrors are formed by independent flat mirror segments. Each segment can move a small distance back and forth to approximate the average value of the wavefront over the patch area. Advantageously, these mirrors have little or zero cross talk between actuators. Stepwise approximation works poorly for smooth continuous wavefronts. Sharp edges of the segments and gaps between the segments contribute to light scattering, limiting the applications to those not sensitive to scattered light. Considerable improvement of the performance of the segmented mirror can be achieved by the introduction of three degrees of freedom per segment: piston, tip and tilt. These mirrors require three times as many actuators compared to piston segmented mirrors. This concept was used for fabrication of large segmented primary mirrors for the Keck telescopes, the James Webb Space Telescope, and the future E ELT. Numerous methods exist to accurately co phase the segments and reduce the diffraction patterns introduced by the segment shapes and gaps. Future large space based telescopes, such as the NASA Large UV Optical Infrared Surveyor will also possess a segmented primary mirror. The development of robust methods to increase the contrast is key for the direct imaging and characterization of exoplanets. Continuous faceplate concept mirrors with discrete actuators are formed by the front surface of a thin deformable membrane. The shape of the plate is controlled by a number of discrete actuators that are fixed to its back side. The shape of the mirror depends on the combination of forces applied to the faceplate, boundary conditions (the way the plate is fixed to the mirror) and the geometry and the material of the plate. These mirrors allow smooth wavefront control with very large up to several thousands degrees of freedom. Magnetic concept mirrors consist of a thin flexible continuous membrane actuated by voicecoils and magnets. This technology allows great design flexibility to achieve very different performances. Depending on the design choices made, they can achieve unrivaled stroke up to a hundred microns of deformation or very high speed <ms timeframe. As the membrane is a single sheet of material, very high optical quality is also achievable. This technology can exhibit good stability and keep its shape almost unchanged for weeks. The actuator count can range from several tens of actuators to several thousand actuators. MEMS concept mirrors are fabricated using bulk and surface micromachining technologies. They consist of a thin reflective membrane controlled by a multitude of actuators. MEMS mirrors could break the high price threshold of conventional adaptive optics. They enable a higher actuator count at a more cost effective price allowing for accurate wave front correction. with limited hysteresis. An additional benefit is that micromachining technologies allow for the benefit of economies of scale to create cheaper and lighter deformable mirrors with a greater number of actuators. Membrane concept mirrors are formed by a thin conductive and reflective membrane stretched over a solid flat frame. The membrane can be deformed electrostatically by applying control voltages to electrostatic electrode actuators that can be positioned under or over the membrane. If there are any electrodes positioned over the membrane, they are transparent. It is possible to operate the mirror with only one group of electrodes positioned under the mirror. In this case, a bias voltage is applied to all electrodes, to make the membrane initially spherical. The membrane can move back and forth with respect to the reference sphere. Bimorph concept mirrors are formed by two or more layers of different materials. One or more of (active) layers are fabricated from a piezoelectric or electrostrictive material. Electrode structure is patterned on the active layer to facilitate local response. The mirror is deformed when a voltage is applied to one or more of its electrodes, causing them to extend laterally, which results in local mirror curvature. Bimorph mirrors are rarely made with more than 100 electrodes. Ferrofluid concept mirrors are liquid deformable mirrors made with a suspension of small (about 10 nm in diameter) ferromagnetic nanoparticles dispersed in a liquid carrier. In the presence of an external magnetic field, the ferromagnetic particles align with the field, the liquid becomes magnetized and its surface acquires a shape governed by the equilibrium between the magnetic, gravitational and surface tension forces. Using proper magnetic field geometries, any desired shape can be produced at the surface of the ferrofluid. This new concept offers a potential alternative for low cost, high stroke and large number of actuators deformable mirrors.