CC BY
132
УДК 535.421; 535.417
ДИФРАКЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРЕЦИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ФОРМЫ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: vkorolkov@yandex.ru
Руслан Камильевич Насыров
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
Рассмотрены методы изготовления и применения дифракционных оптических элементов для управления параметрами лазерного излучения и прецизионного контроля формы асферических поверхностей разработанные в ИАиЭ СО РАН.
Ключевые слова: синтезированная голограмма, дифракционный оптический элемент, асферический волновой фронт, интерферометр.
DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS FOR CONTROLLING THE PARAMETERS OF LASER RADIATION AND THE PRECISE TESTING THE ASPHERIC SURFACES
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, head of laboratory of diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsc.su
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, Senior Researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: vkorolkov@yandex.ru
Ruslan K. Nasyrov
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, Researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
Review of the methods for manufacture and application of diffractive optical elements for controlling the parameters of the laser radiation and the precise shape control of aspheric surfaces developed at IA&E SB RAS are presented and discussed.
Key words: computer generated hologram, diffractive optical element, aspherical wavefronts.
Введение. Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) рассчитываются с помощью компьютера и изготавливаются с использованием оптических, механических или электронно-лучевых устройств записи. Такие элементы позволяет преобразовывать исходный волновой фронт в любой другой волновой фронты с практически любой заданной формой. Это одно из основных свойств ДОЭ, отмеченное еще в первых работах по цифровой голографии [1] и сразу нашедшее практическое применение в оптической метрологии для интерферометрическо-го контроля формы асферических поверхностей [2].
Основные типы ДОЭ приведены в табл. Промежуточное положение между обычными и дифракционными элементами занимают ДОЭ с глубоким рельефом. Такие элементы совмещают в себе достоинства классической оптики (ах-роматичность) с гибкостью дифракционной. Имея малую толщину, ДОЭ не поглощают оптическое излучение и имеют высокую лучевую стойкость. Однако обычные ДОЭ не годятся для работы с широкополосным фемтосекундным излучением, так как угол дифракции зависит от длины волны. Для решения проблемы коррекции волнового фронта фемтосекундного излучения необходим оптический элемент, имеющий малую оптическую толщину и непрерывную двумерную функцию пропускания, независящую от длины волны. Кроме того, такой элемент должен формировать без потерь волновой фронт с заданным распределением, на заданном расстоянии, в заданном месте пространства, например, в нелинейном кристалле параметрического усилителя или на мишени. В некоторой степени этим требованиям удовлетворяют элементы, получившие в англоязычной литературе название conformal optical elements «конформные оптические элементы (КОЭ)» [3]. Этот термин, обозначает оптические элементы, функция пропускания которых выбирается исходя из заданных условий (например, аберраций лазерного кристалла), а не из набора стандартных оптических поверхностей. Такие элементы с достаточно гладкой фазовой функцией пропускания уже применены для коррекции аберраций лазерных усилителей 192 канальной системы NIF (Ливермор, США) [4].
Разработка методов изготовления высококачественных ДОЭ была начата в Институте автоматики и электрометрии СО РАН в середине 70-х годов. Усилия были направлены на создание прецизионных круговых лазерных систем записи (КЛЗС) дифракционных структур и разработку технологий изготовления микроструктур ДОЭ (см. табл.).
Одним из направлений нанометрического контроля, которое развивается в Институте автоматики и электрометрии СО РАН АН, является разработка, исследование и применение дифракционных «нулевых систем». Такая система, преобразует исходный (плоский или сферический) волновой фронт лазера в асферический волновой фронт, совпадающий с формой исследуемой асферической поверхности. Форма волнового фронта отраженного от исследуемой поверхности и второй раз прошедшей ДОЭ контролируется интерферометром типа Физо.
В настоящей работе представлен обзор оригинальных работ по разработке оборудования и технологий изготовления дифракционных оптических элементов с бинарным, многоуровневым и непрерывным профилем для преобразования формы волновых фронтов, контроля асферических поверхностей и обработки информации.
Таблица
№ п/п
Тип структуры
Вид структуры
Характерные размеры
Область применения
1
Бинарная амплитудная структура
Бинарный (фазовый) микрорельеф
Непрерывный
микрорельеф
(киноформ)
Структура с полутоновым пропусканием
Минимальный период:
Т1= 0,4-0,6 мкм.
Оптическое приборостроение: фотошаблоны, маски, сетки, шкалы, кодовые диски, амплитудные голограммы
Минимальный период:
Т1= 0,4-0,6 мкм. Высота рельефа: Ьь = 0,1 -10 мкм.
Научное приборостроение, микромеханика, информатика, квантовая электроника, интегральная оптика, лазерная оптика.
Минимальный период:
Т1= 1,5-2 мкм. Высота рельефа: Ьк = 0,1 -30 мкм.
Оптическое приборостроение, медицина, системы и приборы, лазерная оптика.
Диапазон изменения пропускания:
^шах^шт >5-5°.
Минимальный период :
Т= 1,5-2 мкм
Технология оптического приборостроения и микроэлектроники, голография, оптическая обработка информации.
2
3
4
ДОЭ для формирования пучков с равномерной интенсивностью. Для
формирования заданного распределения интенсивности в дальней зоне был разработан гомогенизатор. Такой гомогенизатор использовался для преобразования излучения полупроводникового лазера, имеющего эллиптическую форму, в пучок с равномерной интенсивностью. Дифракционная структура была рассчитана по алгоритму Герберта-Саксона. Полученный пучок имел равномерную интенсивность, однако из-за большой расходимости исходного пучка вдоль вертикальной оси, возникли краевые эффекты вдоль верхней и нижней границы. Такие элементы обладают низкой чувствительностью к изменениям параметров исходного пучка.
Формирование асферических волновых фронтов. В настоящее время для формирования асферических волновых фронтов широко используются как рефракционные, так и дифракционные оптические элементы. Такие элементы преобразуют исходный плоский (или сферический) волновой фронт в асферический, т. е. по своей сути являются корректорами волнового фронта. Дифракционная структура ДОЭ может быть осевой или внеосевой. Каждая из этих оптических схем имеют свои достоинства и недостатки.
Рис. 1. Полутоновой шаблон для создания дифракционной структуры гомогенизатора (а). Исходное распределение интенсивности (б). Сформированное распределение интенсивности (в)
Методы контроля точности формирования асферического волнового фронта. Корректоры на основе ДОЭ идеально подходят для преобразований формы волновых фронтов и в настоящее время уже широко применяются для интерферометрического контроля асферических поверхностей. Однако обеспечение высокой точности требует точной юстировки оптической системы, применения очень хорошей оптической подложки, или вычитания ее погрешностей, использования безаберрационного источника монохроматического излучения и т.д. Таким образом, формирование асферического фронта с помощью ДОЭ является сложной проблемой, так как форма волнового фронта зависит от многих факторов, которые необходимо контролировать. Для решения задачи формирования эталонных волновых фронтов мы предлагаем следующие методы контроля:
- контроль и сертификация структуры ДОЭ в процессе изготовления;
- прямой контроль формируемого асферического волнового фронта;
- интерферометрический контроль с помощью имитатора;
- интерферометрический контроль с помощью комбинированного ДОЭ.
Анализу погрешностей и сертификации структуры ДОЭ посвящено много
работ [5, 6]. Особое внимание уделялось анализу погрешностей дифракционной структуры и методам их минимизации. Развитие методов прямой лазерной и электронно-лучевой записи позволило изготовить дифракционные структуры, обеспечивающие формирование волновых фронтов с погрешностью в единицы нанометров [7].
Прямой контроль сформированного асферического волнового фронта возможен (с рядом ограничений) с помощью датчика волнового фронта Шака-Хартмана или интерферометра сдвига. Однако эти приборы имеют ограниченную точность, позволяют проводить только относительные измерения и нуждаются в калибровке.
Наиболее исследованным методом контроля является применение дифракционного имитатора и интерферометра Физо в качестве регистрирующего при-
бора [8]. В соответствии с этим методом, сферический (или плоский) волновой фронт от интерферометра Физо проходит ДОЭ-корректор и преобразуется в асферический волновой фронт. Последовательно с ДОЭ-корректором устанавливается другой дифракционный элемент: ДОЭ-имитаторб работающий в режиме отражения. Если оба ДОЭ изготовлены без ошибок и оптическая схема настроена правильно (допустимая погрешность расположения ДОЭ как правило составляет единицы и доли микрон), интерферометр не будет регистрировать искажения волнового фронта и можно будет сделать вывод, что форма асферического фронта является правильной. Однако если обнаруживаются остаточные искажения, то это означает, что в каком-то из элементов имеется ошибка. Их анализ в некоторых случаях позволяет определить источник искажений. Тем не менее, основным недостатком этой схемы является то, что дифракционный имитатор юстируется в положение минимальных аберраций, из-за чего аберрации низкого порядка могут быть не определены.
Интерферометрический контроль с помощью комбинированного ДОЭ основан на одновременном формировании двух функционально заданных и независимых волновых фронтов: асферического и сферического [9]. Так как каждая элементарная область ДОЭ участвует в формировании обеих волновых фронтов, то, измерив форму сферического волнового фронта интерферометром, можно будет судить о погрешностях асферического волнового фронта, проконтролировать который непосредственно невозможно.
Таким образом, комбинированный ДОЭ одновременно выполняет роли эталона и корректора волнового фронта. При этом, даже при наличии небольших неоднородностей оптической подложки, последние исключаются из результатов измерений (они находятся в области общего хода лучей), что позволяет существенно увеличить точность измерений.
Разработанные методы формирования асферического волнового фронта применяются при разработке корректоров волнового фронта мощных лазерных систем и ДОЭ для контроля асферических зеркал.
Некоторые результаты. За последние несколько лет в ИАиЭ СО РАН были разработаны и изготовлены эталонные ДОЭ для контроля формы поверхности асферических зеркал ряда уникальных Российских и зарубежных телескопов.
В ОАО ЛЗОС (г. Лыткарино) с помощью наших ДОЭ изготовлены асферическое зеркало (01.7 м) для перспективного российского космического телескопа «Спектр-УФ» (Рис.2а), зеркало (0 4.1 м) для широкоугольного телескопа VISTA (Рис.2б), который уже работает в обсерватории ESO на горе Параналь в Чили и для ряда других проектов.
В рамках международных контрактов разработаны и изготовлены ДОЭ для контроля оптических систем телескопов SALT, E-ELT, Magellan, LBT, JWST.
Большой Южноафриканский телескоп SALT (Рис. 2в) с зеркалом 011 м был формально сдан в эксплуатацию в 2005г., но из-за сложности в настройке оптической системы был полностью неработоспособен. Его настройка стала
возможной с помощью ДОЭ разработанной и изготовленной в ИАиЭ СО РАН. В настоящее время коллектив Южноафриканской обсерватории закончил настройку телескопа и уже получил изображения звезд прекрасного качества. Экстремально большой европейский телескоп E-ELT (рис. 2г) с диаметром зеркала 039 м, сдача в эксплуатацию которого планируется к 2018 году, будет крупнейшим в мире. В ИАиЭ СО РАН разработана и рассчитана оптическая система на основе прецизионной амплитудно-фазовой ДОЭ для контроля прототипов сегментов телескопа. Погрешность формируемого ДОЭ асферического волнового фронта с учетом все ошибок изготовления составила 5.3 нм (СКО).
г д е
Рис. 2. Перспективные и уже работающие телескопы, асферические зеркала которых проконтролированы с помощью изготовленных в ИАиЭ СО РАН эталонных ДОЭ
ИАиЭ СО РАН разработал и изготовил для Университета Аризоны (США) эталонные ДОЭ для контроля асферических зеркал телескопов Магеллан (зеркало 06.4 м), Большого бинокулярного телескопа (2 зеркала 08.4 м) и новой космической обсерватории Джэймс Вебб (JWST) с диаметром зеркала 6.6 м (рис. 1 д, е).
Данная работ поддержана частично грантом РФФИ ОФИ-М № 4-29-07227 и междисциплинарным интеграционным проектом № 112 Сибирского отделения РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A.W. Lohmann, S.P. Paris. Binary Fraunhofer holograms generated by computer // Apl. Opt. -1967.-V.6. -N10.-pp. 1739-1748.
2. Г. Н. Буйнов, Н. П. Ларионов, К. С. Мустафин. Голографический интерферометрический контроль асферических поверхностей //Оптико-механическая промышленность. - 1971. - № 4. -С. 6-11.
3. J. P. Turpin, A. T. Massoud, Z. H. Jiang, P. L. Werner, and D. H. Werner. Conformal mappings to achieve simple material parameters for transformation optics devices //Opt. Express.- 2009.- V.18.-P. 1512015126.
4. C. A.Haynam, P. J. Wegner, J. M. Auerbach, M. W. Bowers, etc. National Ignition Facility laser performance status // Appl. Opt.-2007.- V.46 .- P.3276 - 3303.
5. Yu-Chun Chang and J.H. Burge. Error analysis for CGH optical testing // Proc. SPIE.-1999.-V.3782.- P. 358-366.
6. S. M. Arnold, L. Maxey J. Rogers, R. Yoder. Figure metrology of deep general aspherics using a conventional interferometer with CGH null // Proc. SPIE.- 1995.-V.2536.- P.106-116.
7. A.G. Poleshchuk, E.G. Churin, V.P. Koronkevich, V.P. Korolkov etc. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Appl. Opt.- 1999.- V.38.-P. 1295-1301.
8. J. Burge, et al. Null test optics for the MMT and Magellan 6.5-m //1.25 primary mirrors // Proc. SPIE.- 1994.- V.2199.- P. 658-669.
9. A. Poleshchuk, R. Nasyrov. Computer generated hologram null test of a freeform optical surface with rectangular aperture // Opt. Eng.-2013.- V.52.- N9.-P. 091709.
© А. Г. Полещук, В. П. Корольков, Р. К. Насыров, 2015
