eng
Деление систем адаптивной силовой оптики на два больших класса: для непрерывных и квазинепрерывных мощных лазерных систем и для мощных импульсных лазеров – условное. Как правило, первые работают в реальном масштабе времени и требуют охлаждения. Второй класс работает в момент краткого импульса. Диэлектрические интерференционные покрытия устройств адаптивной оптики должны обладать повышенной лучевой прочностью. В статье приведены характеристики, достигнутые при изготовлении ряда адаптивных зеркал для широкого спектра мощных лазерных установок.
Теги: adaptive mirror adaptive optics power laser systems wave front detector адаптивная оптика адаптивное зеркало датчик волнового фронта мощные лазерные системы
Получения высоких плотностей энергии во время взаимодействия излучения с мишенью является необходимым условием проведения исследований лазерного термоядерного синтеза. Многие страны ведут интенсивные работы по созданию новых мощных лазерных систем нового поколения. И результаты уже известны: в США – National Ignition Facility (NIF), во Франции – Laser Megajoule (LMJ), в России – установка нового поколения мегаджоулевого уровня. Все эти установки работают в импульсном режиме на длине волны 1,053 мкм с продолжительностью импульса 3–5 нс, в течение которых выдают энергию 2 МДж и выше. В настоящих исследованиях используют модуль установки ИСКРА-6 – установку "Луч" [2]. Также ведут работы по созданию мощных непрерывных химических лазеров [3]. Во всех подобных мощных лазерных системах для корректировки искажений волнового фронта, используют адаптивную оптику [1]. Причина этих искажений – турбулентность на трассе, термические деформации и отклонения элементов оптических деталей от расчетов при их изготовлении. Для уменьшения удельных нагрузок на оптическую поверхность и повышения пространственного разрешения, как правило, используют широкоапертурные адаптивные зеркала [1,2,4].
Измерения и анализ искажений волновых фронтов реальных установок позволяют выявить закономерности появления тех искажений, которые им присущи. Эти данные затем будут использованы при проектировании основных элементов адаптивных оптических систем – датчика волнового фронта (ДВФ) и адаптивного зеркала. Адаптивная оптика должна компенсировать аберрации волнового фронта: статические (погрешности изготовления и юстировки элементов оптического тракта) и динамические (термодеформации оптических элементов и турбулентность на трассе).
ПОЛУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АДАПТИВНЫХ ЗЕРКАЛ
Наш подход к проектированию адаптивных зеркал (АЗ) состоит из нескольких этапов. Сначала мы проводим измерения и выполняем спектральный анализ аберраций волновых фронтов реальной установки. Затем задаем величину остаточной ошибки коррекции реальных волновых фронтов. После этого рассчитываем минимально необходимое количество приводов, план их размещения по поверхности АЗ, необходимые амплитудные характеристики. Такая технология проектирования в общих чертах описана в работе [5], а применительно к установке "Луч" – в работе [2].
Анализ аберраций волнового фронта непрерывных систем показывает, что решающий вклад в увеличение расходимости пучка, которая снижает плотность излучения на объекте, вносят возмущения самого источника, тепловое самовоздействие и аберрации системы оптического тракта (СОТ). Амплитуда устанавливающихся за доли секунды искажений соизмерима с величиной нескольких длин волн. Причина их появления – это влияние термических деформаций зеркал резонатора и СОТ, а также возникновение в канале сформированного пучка тепловых линз. Типичная форма волнового фронта непрерывных лазеров и схема измерений волнового фронта (ВФ) представлены на рис.1. На топограмме числами обозначены искажения в единицах длин волн излучения ИК-лазера. Величина амплитуды искажений линейно зависит от мощности установки, а пространственный спектральный состав определяют в основном несколько составляющих низкого порядка. В силу этих особенностей, как правило, для контроля ДВФ и АЗ и расположения проектируемых управляющих приводов используют ограниченное число точек.
Анализ волновых фронтов (рис.2) импульсных систем показывает совпадение их пространственных спектров в различных пусках. Он также позволяет сформулировать требования к пространственному разрешению ДВФ и АЗ [2]. Исходя из полученной информации по волновым фронтам и назначенной остаточной ошибки коррекции, определяют требуемую амплитуду перемещения оптической поверхности АЗ, число приводов и план их размещения на апертуре. Например, для установки "Луч" было определено шахматное размещение 61 привода на апертуре [4].
УСТРОЙСТВО АДАПТИВНЫХ ЗЕРКАЛ И ПРОБЛЕМЫ ИХ СОЗДАНИЯ
Конструкция АЗ (рис.3 и 4) всегда состоит из силовой основы, системы приводов и оптического блока (ОБ). Для импульсных АЗ практически удается реализовать независимость формы оптической поверхности от температуры. Этого достигают путем согласования коэффициентов линейного расширения ОБ и основы [3]. Для непрерывных систем на практике это выполнить невозможно, так как длительное лучевое воздействие и необходимость охлаждения АЗ не позволяют получить полную независимость формы поверхности от температуры.
Организация охлаждения адаптивных зеркал является нетривиальной и противоречивой задачей. Для обеспечения приемлемого коэффициента термической стабильности вследствие подогрева хладагента КТхлад через сравнительно тонкий (3–8 мм) оптический блок диаметром до 0,5 м его нужно как можно больше прокачать. С другой стороны, для обеспечения геометрической стабильности поверхности вследствие перегрева оптического блока (коэффициент КТстаб) необходимо организовать разветвленную систему охлаждения. Система должна обладать высоким коэффициентом теплоотдачи. Благодаря такой конструкции, растет гидросопротивление системы. Результаты систематических исследований теплообмена [4] в системах охлаждения лазерных зеркал позволяют оптимизировать конструкцию ОБ и получить низкие КТхлад и КТстаб В табл. 1 приведены величины уже достигнутых и возможных расчетных коэффициентов теплоотдачи.
Длительное циклическое воздействие на ОБ накладывает ограничения на применяемые материалы. В наших экспериментах мы контролировали коэффициент светорассеяния оптической поверхности в зависимости от числа циклов при характерных для зеркал данной геометрии и известных перемещениях поверхности. Естественно, по мере увеличения числа циклов колебаний поверхности ее оптические свойства деградируют, а коэффициент светорассеяния (КСР) растет. Отражательные свойства меди деградирует экспоненциально уже при числе циклов, меньшем 6 ∙ 106. При числе циклов 8 ∙ 106 КСР достигает 35%, и на поверхности происходят необратимые изменения. Для молибдена деградация свойств носит линейный характер, и она значительно меньше (при наборе 35 ∙ 106 циклов КСР увеличивается незначительно с 1 до 6%). Известны также случаи проявления пластической деформации на поверхности медных зеркал после их длительного хранения вследствие релаксации остаточных (после обработки поверхности) напряжений. Наш опыт подсказывает, что изготавливать из меди высокочастотные зеркала как модулирующие, так и корректирующие, не рекомендуется.
Применяемый в АЗ пьезоэлектрический привод (рис.5) работает в диапазонах напряжений ±300 В и 0–100 В и дает перемещения в свободном состоянии соответственно до ±40 мкм и до 40 мкм. При работе на высоких частотах пьезоэлектрический привод разогревается, и этот эффект уменьшает динамический диапазон АЗ. Гистерезис в зависимости от типа используемой пьезокерамики составляет 13–25%. Этот привод вкупе с созданной электронной аппаратурой управления обеспечивает точность позиционирования 5 нм. В ряде конструкций АЗ предусмотрена замена отдельных пьезоприводов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ОТРАБОТКИ
Конструкторско-технологическая отработка проводилась как на экспериментальных образцах и макетах, так и на полномасштабных АЗ. При этом измеряли различные характеристики (рис.6). Экспериментальная отработка показала, что практически невозможно достичь "идеального" плоского состояния исходной формы оптической поверхности. Причина кроется в ошибках, созданных при механической обработке тонкой пластины, искажениях ее поверхности при нанесении высокопрочных диэлектрических покрытий, искажениях формы поверхности при соединении ее с системой приводов. Удовлетворяющее заданию начальное качество можно достичь предварительной механической юстировкой формы поверхности. Юстировка определяется благодаря разработанному методу контроля формы оптической поверхности в реальном масштабе времени и реализации оптимального алгоритма управления. В качестве примера на рис.7 приведены формы оптической поверхности зеркала А3 8 после сборки и механической юстировки.
Характеристики силовых адаптивных зеркал, достигнутые в ходе работ, приведены в табл.2: амплитуда перемещения поверхности составляет ±20 мкм; размер управляемой апертуры превышает 400 мм; число приводов достигает 61; расстояние между приводами колеблется от 30 до 60 мм; частота первого резонанса – более 2000 Гц; поддержание термической стабильности для охлаждаемых зеркал – на уровне одной десятой градуса, а для неохлаждаемых зеркал – термическая стабильность.
Следует также подчеркнуть, что на предприятии ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ" освоена технология нанесения высокопрочных лазерных интерференционных отражающих покрытий для широкого диапазона длин волн (табл.3). Это позволяет изготавливать адаптивную оптику для мощных лазерных систем [6, 7].
Таким образом, проведена отработка ряда адаптивных зеркал для широкого спектра мощных лазерных установок. Но самый главный результат – это получение обобщенных физических, технических и расчетно-теоретических решений вопросов создания устройств адаптивной силовой оптики, созданные базы данных по материалам и элементам, разработанные методология проектирования и испытаний, а также технология изготовления элементной базы и собственно широкоапертурных силовых адаптивных зеркал с заданными наперед характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика в приборах и устройствах. – М.: ФГУП "ЦНИИАТОМИНФОРМ", 2005.
Бокало С.Ю., Гаранин С.Г., Григорович С.В. и др. Деформируемое зеркало на основе пьезоэлектрических приводов для адаптивной системы установки "Искра-6". – Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 8, с. 691.
Гаранин С.Г. Мощные лазеры в РФЯЦ-ВНИИЭФ. – Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий: Сборник тезисов докладов Х Харитоновских чтений. – Саров, 2008, с. 133-13.
Бокало С.Ю., Жупанов В.Г., Ляхов Д.М. и др. Широкоапертурная адаптивная оптика для мощных лазеров со сверхкороткой длительностью импульса. – Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий: Сборник тезисов докладов Х Харитоновских чтений. – Саров, 2008, с. 177-178.
Ляхов Д.М., Шанин О.И. Оптимальное управление формой оптической поверхности гибкого зеркала. – Известия РАН. Сер. Физическая, 1995, т.9, №6, с.55.
Шанин Ю.И., Шанин О.И. Интенсификация теплоотдачи в системах охлаждения лазерных зеркал. Интенсификация теплообмена. – Труды 4-й российской национальной конференции по теплообмену. – : Изд. дом МЭИ, 2006, т.6, с. 297.
Бабаянц К.Г., Жупанов В.Г., Клюев Е.В. и др. Диэлектрические покрытия с высокой лучевой стойкостью для различных диапазонов длин волн. – Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий: Сборник тезисов докладов Х Харитоновских чтений. – Саров, 2008, с. 69.
Измерения и анализ искажений волновых фронтов реальных установок позволяют выявить закономерности появления тех искажений, которые им присущи. Эти данные затем будут использованы при проектировании основных элементов адаптивных оптических систем – датчика волнового фронта (ДВФ) и адаптивного зеркала. Адаптивная оптика должна компенсировать аберрации волнового фронта: статические (погрешности изготовления и юстировки элементов оптического тракта) и динамические (термодеформации оптических элементов и турбулентность на трассе).
ПОЛУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АДАПТИВНЫХ ЗЕРКАЛ
Наш подход к проектированию адаптивных зеркал (АЗ) состоит из нескольких этапов. Сначала мы проводим измерения и выполняем спектральный анализ аберраций волновых фронтов реальной установки. Затем задаем величину остаточной ошибки коррекции реальных волновых фронтов. После этого рассчитываем минимально необходимое количество приводов, план их размещения по поверхности АЗ, необходимые амплитудные характеристики. Такая технология проектирования в общих чертах описана в работе [5], а применительно к установке "Луч" – в работе [2].
Анализ аберраций волнового фронта непрерывных систем показывает, что решающий вклад в увеличение расходимости пучка, которая снижает плотность излучения на объекте, вносят возмущения самого источника, тепловое самовоздействие и аберрации системы оптического тракта (СОТ). Амплитуда устанавливающихся за доли секунды искажений соизмерима с величиной нескольких длин волн. Причина их появления – это влияние термических деформаций зеркал резонатора и СОТ, а также возникновение в канале сформированного пучка тепловых линз. Типичная форма волнового фронта непрерывных лазеров и схема измерений волнового фронта (ВФ) представлены на рис.1. На топограмме числами обозначены искажения в единицах длин волн излучения ИК-лазера. Величина амплитуды искажений линейно зависит от мощности установки, а пространственный спектральный состав определяют в основном несколько составляющих низкого порядка. В силу этих особенностей, как правило, для контроля ДВФ и АЗ и расположения проектируемых управляющих приводов используют ограниченное число точек.
Анализ волновых фронтов (рис.2) импульсных систем показывает совпадение их пространственных спектров в различных пусках. Он также позволяет сформулировать требования к пространственному разрешению ДВФ и АЗ [2]. Исходя из полученной информации по волновым фронтам и назначенной остаточной ошибки коррекции, определяют требуемую амплитуду перемещения оптической поверхности АЗ, число приводов и план их размещения на апертуре. Например, для установки "Луч" было определено шахматное размещение 61 привода на апертуре [4].
УСТРОЙСТВО АДАПТИВНЫХ ЗЕРКАЛ И ПРОБЛЕМЫ ИХ СОЗДАНИЯ
Конструкция АЗ (рис.3 и 4) всегда состоит из силовой основы, системы приводов и оптического блока (ОБ). Для импульсных АЗ практически удается реализовать независимость формы оптической поверхности от температуры. Этого достигают путем согласования коэффициентов линейного расширения ОБ и основы [3]. Для непрерывных систем на практике это выполнить невозможно, так как длительное лучевое воздействие и необходимость охлаждения АЗ не позволяют получить полную независимость формы поверхности от температуры.
Организация охлаждения адаптивных зеркал является нетривиальной и противоречивой задачей. Для обеспечения приемлемого коэффициента термической стабильности вследствие подогрева хладагента КТхлад через сравнительно тонкий (3–8 мм) оптический блок диаметром до 0,5 м его нужно как можно больше прокачать. С другой стороны, для обеспечения геометрической стабильности поверхности вследствие перегрева оптического блока (коэффициент КТстаб) необходимо организовать разветвленную систему охлаждения. Система должна обладать высоким коэффициентом теплоотдачи. Благодаря такой конструкции, растет гидросопротивление системы. Результаты систематических исследований теплообмена [4] в системах охлаждения лазерных зеркал позволяют оптимизировать конструкцию ОБ и получить низкие КТхлад и КТстаб В табл. 1 приведены величины уже достигнутых и возможных расчетных коэффициентов теплоотдачи.
Длительное циклическое воздействие на ОБ накладывает ограничения на применяемые материалы. В наших экспериментах мы контролировали коэффициент светорассеяния оптической поверхности в зависимости от числа циклов при характерных для зеркал данной геометрии и известных перемещениях поверхности. Естественно, по мере увеличения числа циклов колебаний поверхности ее оптические свойства деградируют, а коэффициент светорассеяния (КСР) растет. Отражательные свойства меди деградирует экспоненциально уже при числе циклов, меньшем 6 ∙ 106. При числе циклов 8 ∙ 106 КСР достигает 35%, и на поверхности происходят необратимые изменения. Для молибдена деградация свойств носит линейный характер, и она значительно меньше (при наборе 35 ∙ 106 циклов КСР увеличивается незначительно с 1 до 6%). Известны также случаи проявления пластической деформации на поверхности медных зеркал после их длительного хранения вследствие релаксации остаточных (после обработки поверхности) напряжений. Наш опыт подсказывает, что изготавливать из меди высокочастотные зеркала как модулирующие, так и корректирующие, не рекомендуется.
Применяемый в АЗ пьезоэлектрический привод (рис.5) работает в диапазонах напряжений ±300 В и 0–100 В и дает перемещения в свободном состоянии соответственно до ±40 мкм и до 40 мкм. При работе на высоких частотах пьезоэлектрический привод разогревается, и этот эффект уменьшает динамический диапазон АЗ. Гистерезис в зависимости от типа используемой пьезокерамики составляет 13–25%. Этот привод вкупе с созданной электронной аппаратурой управления обеспечивает точность позиционирования 5 нм. В ряде конструкций АЗ предусмотрена замена отдельных пьезоприводов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ОТРАБОТКИ
Конструкторско-технологическая отработка проводилась как на экспериментальных образцах и макетах, так и на полномасштабных АЗ. При этом измеряли различные характеристики (рис.6). Экспериментальная отработка показала, что практически невозможно достичь "идеального" плоского состояния исходной формы оптической поверхности. Причина кроется в ошибках, созданных при механической обработке тонкой пластины, искажениях ее поверхности при нанесении высокопрочных диэлектрических покрытий, искажениях формы поверхности при соединении ее с системой приводов. Удовлетворяющее заданию начальное качество можно достичь предварительной механической юстировкой формы поверхности. Юстировка определяется благодаря разработанному методу контроля формы оптической поверхности в реальном масштабе времени и реализации оптимального алгоритма управления. В качестве примера на рис.7 приведены формы оптической поверхности зеркала А3 8 после сборки и механической юстировки.
Характеристики силовых адаптивных зеркал, достигнутые в ходе работ, приведены в табл.2: амплитуда перемещения поверхности составляет ±20 мкм; размер управляемой апертуры превышает 400 мм; число приводов достигает 61; расстояние между приводами колеблется от 30 до 60 мм; частота первого резонанса – более 2000 Гц; поддержание термической стабильности для охлаждаемых зеркал – на уровне одной десятой градуса, а для неохлаждаемых зеркал – термическая стабильность.
Следует также подчеркнуть, что на предприятии ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ" освоена технология нанесения высокопрочных лазерных интерференционных отражающих покрытий для широкого диапазона длин волн (табл.3). Это позволяет изготавливать адаптивную оптику для мощных лазерных систем [6, 7].
Таким образом, проведена отработка ряда адаптивных зеркал для широкого спектра мощных лазерных установок. Но самый главный результат – это получение обобщенных физических, технических и расчетно-теоретических решений вопросов создания устройств адаптивной силовой оптики, созданные базы данных по материалам и элементам, разработанные методология проектирования и испытаний, а также технология изготовления элементной базы и собственно широкоапертурных силовых адаптивных зеркал с заданными наперед характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика в приборах и устройствах. – М.: ФГУП "ЦНИИАТОМИНФОРМ", 2005.
Бокало С.Ю., Гаранин С.Г., Григорович С.В. и др. Деформируемое зеркало на основе пьезоэлектрических приводов для адаптивной системы установки "Искра-6". – Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 8, с. 691.
Гаранин С.Г. Мощные лазеры в РФЯЦ-ВНИИЭФ. – Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий: Сборник тезисов докладов Х Харитоновских чтений. – Саров, 2008, с. 133-13.
Бокало С.Ю., Жупанов В.Г., Ляхов Д.М. и др. Широкоапертурная адаптивная оптика для мощных лазеров со сверхкороткой длительностью импульса. – Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий: Сборник тезисов докладов Х Харитоновских чтений. – Саров, 2008, с. 177-178.
Ляхов Д.М., Шанин О.И. Оптимальное управление формой оптической поверхности гибкого зеркала. – Известия РАН. Сер. Физическая, 1995, т.9, №6, с.55.
Шанин Ю.И., Шанин О.И. Интенсификация теплоотдачи в системах охлаждения лазерных зеркал. Интенсификация теплообмена. – Труды 4-й российской национальной конференции по теплообмену. – : Изд. дом МЭИ, 2006, т.6, с. 297.
Бабаянц К.Г., Жупанов В.Г., Клюев Е.В. и др. Диэлектрические покрытия с высокой лучевой стойкостью для различных диапазонов длин волн. – Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий: Сборник тезисов докладов Х Харитоновских чтений. – Саров, 2008, с. 69.
Отзывы читателей
