Модифицированный терагерцовый датчик волнового фронта

 

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана преимущественно в миллиметровом и терагерцовом диапазонах. Модифицированный терагерцовый датчик волнового фронта, состоящего из делителя волнового фронта, представляющего собой растр субапертур, выполненный в виде маски с отверстиями, матричного приемника и регистрирующего устройства, отличающийся тем, субапертуры выполнены в виде квадратных отверстий, причем каждая субапертура повернута на угол, обеспечивающий отсутствие боковых максимумов рассеяния от данной субапертуры на отверстия других субапертур. Модифицированный терагерцовый датчик волнового фронта по п. 1, отличающийся тем, что угол поворота квадратных субапертур находится в интервале min<<max где, , , a - расстояние между центрами квадратных субапертур в прямоугольном растре, b - размер стороны квадратной субапертуры. 1 с.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана преимущественно в миллиметровом и терагерцовом диапазонах.

Датчик волнового фронта (ДВФ) является одним из элементов адаптивной системы корректировки излучения. Его задача - измерять кривизну волнового фронта и передавать эти измерения на обрабатывающее устройство. Сегодня одним из самых распространенных датчиков волнового фронта оптического диапазона является датчик Шака - Гартмана (см. например, «Датчики волнового фронта» URL http://laser-portal.ru/content_706).

Принцип действия датчика заключается в том, что с помощью делителя волнового фронта вырезаются узкие пучки падающего волнового фронта. Когда волновой фронт отличен от плоского фронта, мы получаем поперечное смещение положения сфокусированных пятен относительно отверстий диафрагмы. Измерения положений центров пятен дают локальные наклоны волновых фронтов.

Известен датчик волнового фронта Шака-Гартмана (патент США 2014/0043599 A1 от 13 февраля 2014 г, G 01 J9 / 00 (2006.01)), состоящего делителя волнового фронта в виде матрицы микролинз, матричного приемника и регистрирующего устройства, работающих в оптическом диапазоне. Также в патенте США (Mark Abitbol et. al. "Apparatus for mapping Optical Elements," Patent US 5825476, Oct. 20, 1998) описано устройство классического датчика Шака-Гартмана (Shack, R.V. and B.C. Piatt, "Production and Use of a Lenticular Hartmann Screen" J. Opt. Soc. Am., 61, 656 (1971)).

Принцип работы такого датчика волнового фронта Шака-Гартмана состоит в том, что излучение проходит через линзовый растр - матрицу микролинз - и падает на матричный приемник. Линзовый растр состоит из идентичных линз (или иногда называемых субапертурой). Они разбивают падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на матричном приемнике, в оптическом диапазоне обычно ПЗС-матрице. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением линз. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то изображения смещаются со своих номинальных значений. Смещение центров изображений по двум ортогональным направлениям пропорционально средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по субапертурам.

Однако такому датчику волнового фронта присущи недостатки, основной из которых заключается в том, что известные технологии изготовления микролинзовых растров, особенно в терагерцовом диапазоне, несовершенны. Особенно следует отметить низкую повторяемость параметров создаваемых микролинз со сферической формой поверхности (Тараненко В.Г., Шинин О.И. Адаптивная оптика в приборах и устройствах. М.: ФГУП «Цнииатоминформ», 2005). Более того, в терагерцовом диапазоне выбор материала для диэлектрических линз ограничен, а реализация такой матрицы микролинз связано со значительными технологическими трудностями.

Известен датчик волнового фронта оптического или ИК диапазона, состоящий из делителя волнового фронта, представляющего собой растр в виде маски с отверстиями, приемника излучения матричного типа, представляющего собой ПЗС матрицу для видимого диапазона и пиро- или термо-камеру для ИК диапазона, (Патент на полезную модель. Устройство для измерения волнового фронта Ru 58702 МПК G01J 11/00 (2006.01)).

В терагерцовом диапазоне известны датчики волнового фронта, состоящие из делителя волнового фронта, представляющего собой растр, выполненный в виде маски с круглыми отверстиями, матричного приемника и регистрирующего устройства (M. Cui, J.N. Hovenier, Y. Ren, A. Polo, and J.R. Gao. Terahertz wavefronts measured using the Hartmann sensor principle // 18 June 2012 / Vol. 20, No. 13 / OPTICS EXPRESS 14380; H. Richter, M. Greiner-Bar, N. DeBmann, J. Pfund, M. Wienold et al. Terahertz wavefront measurement with a Hartmann sensor // Appl. Phys. Lett. 101, 031103 (2012); doi: 10.1063/1.4737164).

Растр субапертур представлял собой экран с матрицей из круглых отверстий диаметром D=0.5 мм и расстоянием между ними g=1 мм. Фокусное расстояние составляло F=24 мм на частоте 3 ТГц (длина волны 100 микрон).

Датчик волнового фронта по данному устройству принят за прототип.

Однако таким датчикам волнового фронта, несмотря на их простоту реализации по сравнению с датчиком на основе микролинз, присущи следующие недостатки.

Каждый элемент маски, называемый субапертурой (в данном случае - отверстие круглой формы), действует как микролинза и формирует (фокусирует) на оптически сопряженном с ним участке матричного приемника пятно малых размеров, называемое функцией рассеяния. По смещению центров тяжести функций рассеяния судят о локальном наклоне контролируемого волнового фронта. Для реализации высокого пространственного разрешения при контроле волнового фронта с помощью таких датчиков требуется сокращать расстояние между смежными субапертурами. При этом, для сохранения заданного динамического диапазона и точности при контроле волнового фронта по сигналу от матричного приемника, необходимо обеспечить быстрое затухание функций рассеяния на периферии участков матричного приемника, сопряженных со смежными субапертурами масок. Это обусловлено тем, что близкое положение открытых участков субапертур и когерентное наложение остаточных паразитных «хвостов» функций рассеяния от смежных субапертур на локальный профиль функции рассеяния в окрестности центра его тяжести приводят к существенным интерференционным эффектам (перекрестным помехам), модулирующим амплитуду и форму основного пика. Таким образом, ухудшается качество контроля волнового фронта по сигналам от фрагментов матричного приемника, сопряженных только со своими субапертурами.

При этом такой интерференционный эффект имеет место как для субапертур выполненных в виде микролинз, так и отверстий в экране.

Кроме того, основными параметрами, определяющими метрологические характеристики датчика волнового фронта Шака-Гартмана, являются размер субапертуры и размер области фокусировки. Так, известно, что размеры отверстий определяют точность и пространственное разрешение данного датчика (Calibration of а Shack_Hartman sensor for absolute measurements of wave fronts / U. Sterr, F. Riehle, J. Helmccke, J. Pfund II Applied optics. 2005. Vol. 44. 30. P. 6419_6425). Однако уменьшение апертуры отверстий приводит к увеличению дифракционной расходимости пучков, что принципиально ограничивает возможности такого подхода.

Более того, путь увеличения точности датчика за счет получения пятен меньшего размера с помощью увеличения размера субапертуры приводит к уменьшению пространственного разрешения датчика.

Задача заявленной полезной модели - увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана в терагерцовом диапазоне за счет минимизации интерференционных эффектов субапертур при уменьшении размера формируемого субапертурой пучка.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в модифицированном датчике волнового фронта, состоящего из делителя волнового фронта, представляющего собой растр субапертур, выполненный в виде маски с отверстиями, матричного приемника и регистрирующего устройства, субапертуры выполнены в виде квадратных диафрагм, причем каждая субапертура повернута на угол, обеспечивающий отсутствие боковых максимумов рассеяния от данной субапертуры на отверстиях других субапертур.

На фиг. 1 показана блок схема датчика волнового фронта Шака-Гартмана. На фиг. 1 обозначены: D - диаметр субапертуры, f - фокусное расстояние, x - смещение фокального пятна.

На фиг. 2 показаны делители волнового фронта в виде матрица круглых отверстий (по прототипу - (a)), и субапертур в виде квадратных отверстий (b)).

На фиг. 3 показаны функции рассеяния от круглой (a) и квадратной (b) субапертуры (отверстий в экране)

Заявленный модифицированный терагерцовый датчик волнового фронта работает следующим образом.

Излучение проходит через делитель волнового фронта в виде растра субапертур в виде мягких диафрагм и падает на матричный приемник. Растр субапертур разбивает падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на матричном приемнике. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением линз. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то изображения смещаются со своих номинальных значений. Смещение центров изображений по двум ортогональным направлениям пропорционально средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по субапертурам. Схема работы датчика понятна из фиг. 1.

Для снижения указанных интерференционных эффектов требуется провести выбор оптимальной структуры масок датчика Шака-Гартмана. При этом, для фиксированной величины числовой апертуры отдельных субапертур, искомая структура должна обеспечить одновременно как минимизацию эффективного поперечного размера этой функции, так и «не попадание» боковых максимумов на остальные субапертуры.

В предлагаемой полезной модели датчика волнового фронта в качестве растра субапертур, обеспечивающих одновременно как быстрое затухание «хвостов» функции рассеяния, так и минимизацию эффективного поперечного размера этой функции, используется матрица квадратных отверстий. Достоинством квадратных отверстий по сравнению с круглыми является то, что дифракция на круглом отверстии описывается в приближении Фраунгофера функцией Эйри (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М. Наука, 1973, с. 364-366), фиг. 3a, а на квадратном - функцией Sin(x)/x (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М. Наука, 1973, с. 362-364), фиг. 3b. При этом ширина основного пучка у квадратного отверстия меньше, чем ширина пучка от круглого отверстия, следовательно, достигается увеличение точности датчика за счет получения пятен меньшего размера.

В тоже время структура побочных максимумов у пятна от круглой субапертуры имеет осесимметричный вид, а структура побочных максимумов от крадратной субапертуры - крестообразный. Поэтому для исключения влияния когерентного наложения остаточных паразитных «хвостов» функций рассеяния от смежных субапертур на локальный профиль функции рассеяния в окрестности центра его тяжести, каждая квадратная субапертура повернута на угол, обеспечивающий отсутствие попадания побочных максимумов на соседние субапертуры.

Из геометрических соотношений можно показать, что для обеспечения условия отсутствие попадания побочных максимумов на соседние субапертуры, у гол поворота квадратных субапертур находится в интервале min<<max, где , , a - расстояние между центрами квадратных субапертур в прямоугольном растре, b - размер стороны квадратной субапертуры.

Использование таких масок также позволяет уменьшить размер субапертур и реализовать предельно высокое разрешение датчика Шака-Гартмана, с шагом субапертур порядка их первой зоны Френеля.

Таким образом, при дифракции излучения (части анализируемого волнового фронта) на отдельной субапертуре (квадратном отверстии, повернутом на угол) удается уменьшить величину центрального максимума рассеяния (размер области фокусировки) и устранение влияния боковых максимумов рассеяния на соседние субапертуры, что приводит к увеличению точности реконструкции общего вида анализируемого волнового фронта.

Техническим результатом является увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана в терагерцовом диапазоне за счет минимизации интерференционных эффектов субапертур при уменьшении размера формируемого субапертурой пучка.

1. Терагерцовый датчик волнового фронта, состоящий из делителя волнового фронта, представляющего собой растр субапертур, выполненный в виде маски с отверстиями, матричного приемника и регистрирующего устройства, отличающийся тем, что субапертуры выполнены в виде квадратных отверстий, причем каждая субапертура повернута на угол, обеспечивающий отсутствие боковых максимумов рассеяния от данной субапертуры на отверстиях других субапертур.

2. Терагерцовый датчик волнового фронта по п. 1, отличающийся тем, что угол поворота квадратных субапертур находится в интервале min<<max,

где ,

а - расстояние между центрами квадратных субапертур в прямоугольном растре,

b - размер стороны квадратной субапертуры.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана в миллиметровом и терагерцовом диапазонах

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана преимущественно в миллиметровом и терагерцовом диапазонах
Наверх