CC BY
199
ДАТЧИК ШАКА - ГАРТМАНА КАК ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВЫСОКОМОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ
Александр Григорьевич Полещук
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и электрометрии» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией, старший научный сотрудник, тел. 8(383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su
Андрей Георгиевич Седухин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и электрометрии» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. 8(383)336-41-08, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su
Виталий Григорьевич Максимов
Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический 10/3, младший научный сотрудник, e-mail: vitaly00@inbox.ru.
Валерий Абрамович Тартаковский
Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический 10/3, доктор физикоматематических наук, зав. лаб., e-mail: trtk@list.ru
Владимир Иванович Трунов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт лазерной физики» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13/3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел.: 8(383)330-98-36, e-mail: trunov@laser.ns
Приводятся результаты предварительного экспериментального тестирования высокоразрешающего датчика волнового фронта высокомощных лазерных пучков, собранного по схеме Шэка - Гартмана. С помощью датчика был проведен контроль плоского и сферического волновых фронтов. Кратко описаны процедура измерений волновых фронтов и программное обеспечение по обработке данных. В результате анализа полученных данных, выработаны меры по улучшению характеристик датчика при замене его микролинзового растра.
Ключевые слова: высокомощные лазерные системы, датчик Шэка - Гартмана, анализ гартманограмм.
SHACK-HARTMANN SENSOR AS PART OF CONTROL SYSTEM FOR HIGH POWER LASER BEAMS
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Pr. Akademika Koptyuga 1, Doctor Tech. Sci., Head of Laboratory, Senior Research Scientist, tel. (383)333-30-91, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su
Andrey G. Sedukhin
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Pr. Akademika Koptyuga 1, Cand. Tech. Sci., Senior Research Scientist, tel. (383)336-41-08, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su
Vitaly G. Maximov
Institute of monitoring climatic and ecological systems, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Academichesky ave., Junior Research Scientist, e-mail: vitaly00@inbox.ru.
Valery A. Tartakovsky
Institute of monitoring climatic and ecological systems, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Academichesky ave., Doctor Phys. Math Sci., Head of Laboratory, e-mail: trtk@list.ru.
Vladimir I. Trunov
Institute of laser physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Russia, Novosibirsk, Pr. Akademika Lavrenteva 13/3630090, Cand. Tech., Sci., Senior Research Scientist, tel. 8(383)330-98-36, e-mail: trunov@laser.ns
The results are given of preliminary experimental testing of a high-resolution Shack-Hartmann sensor designated for measuring the wavefronts of high power laser beams. Measuring the plane and spherical wavefronts was conducted with the help of the sensor. A procedure for measuring the wavefronts and a software for data processing are described briefly. As a result of data analysis, there are given recommendations on improving the performance of the sensor by replacing its microlens array.
Key words: high-power laser systems, Shack-Hartmann sensor, analysis of hartmannorgams.
В системах высокомощных фемтосекундных лазеров, основанных на когерентном сложении синфазных волн, структура суммарного поля оказывается весьма чувствительной к даже к слабым разностным амплитудным и фазовым вариациям полей суммируемых волн. Это приводит, как известно, к возникновению горячих точек и эффектам локальной самофокусировки излучения с последующим пробоем рабочей среды. С целью предотвращения такой ситуации и возможности наращивания общей мощности генерируемого излучения, решаются задачи по контролю волновых фронтов световых пучков в отдельных каскадах лазерной системы и последующей коррекции формы этих пучков путем юстировок отдельных узлов либо путем использования адаптивных систем. При этом к датчикам волнового фронта предъявляются требования высокого пространственного разрешения, чувствительности и динамического диапазона. С другой стороны, в известных схемах, сами процессы оперативного, высокоразрешающего, высокоточного и достоверного контроля широких лазерных пучков, имеющих также относительно широкий спектр излучения, являются сложными и дорогостоящими. Наиболее пригодным инструментом для этой цели является в настоящее время ахроматический датчик волнового фронта, построенный по схеме Шэка-Гартмана. С целью выявления наиболее весомых инструментальных погрешностей одного из таких экспериментальных датчиков, проведения его калибровки и определения возможностей по улучшению
качества отдельных узлов, в настоящей работе был проведен анализ результатов предварительного тестирования указанного датчика.
Напомним, что принцип действия датчиков Шэка-Г артмана основан на измерении локальных наклонов волнового фронта, которые пропорциональны локальным смещениям фокальных пятен в плоскости регистрации. Основным условием корректной работы датчика является гладкость функции волнового фронта в пределах отдельной апертуры линзового растра. Для оценки кривизны волнового фронта была создана программа, в основу которой положено представление поверхности волнового фронта в виде разложения в ряд по полиномам Цернике с неизвестными коэффициентами. Таким образом, решение задачи восстановления по гартманограмме формы поверхности волнового фронта сводится к поиску коэффициентов разложения. В качестве базиса разложения использован ряд из 48-и полиномов Цернике [1].
Область определения гартманограммы разбивается на локальные участки, соответствующие апертурам линзового растра. Поиск координат центров фокальных пятен (хк, ук) к -й апертуры осуществляется методом центроидов:
Н1 II III II III II III II
хк=XX' , л=ХХм,,- XX'
/ ' / ' / ' / '
где 1, ] - интенсивность в ячейке (пикселе) фотоматрицы (х1, у]) к-ой локальной апертуры. Локальный наклон волнового фронта (х, у) в точках (хк, ук) соот-
д№к _ Ахк дШк _Аук ветствует уравнениям: ^ ^ ^ ^ , где / - фокусное расстояние
микролинзового растра, Ах^, Аук - локальное смещение центров фокальных пятен вдоль осей х, у. Вычислив смещения на каждом участке, можно непосредственно найти коэффициенты разложения для W(х, у) методом наименьших квадратов [2].
На рис. 1 представлена экспериментальная гартманограмма плоского фронта и оценка его деформации. Пиковое значение размаха деформации ру=0.396Х при среднеквадратичном отклонении от плоскости гшб=0.082 X, что при рабочей длине волны Х=532 нм соответствует ру=210.6 нм, гшб=43.6 нм. На рис. 2 представлена оценка кривизны сферического волнового фронта, полученного в эксперименте путем фокусировки лазерного излучения и пропусканием его через фильтр в виде ирисовой диафрагмы диаметром порядка 10 мкм. Для случая, когда общая кривизна фронта по всей апертуре линзлета приводит к смещению фокальных пятен гартманограммы на величину, превышающую размер отдельной линзы микролинзового растра, оценку кривизны волнового фронта можно провести на меньших участках. Например, на рис. 2 оптимальный размер области охвата фокальных пятен составляет 440 размеров ячеек фотоматрицы. Величина ру=10.368Х соответствует стрелке прогиба фронта на диагонали й выбранного участка. Радиус кривизны сферы по стрелке прогиба ^ определяется как:
r_]_ 4s2 + d2 Г ~ 8 ’ s
Щ Файлы Помощь Файлы Помощь _ п1 X
& У 1 -Q Ш | |40% & У 43 $-Х го% .
уГартманограииа дВолновой фронт Тест j
\Гартманограмма дВолновой фронт /'.Тест /
+ Фильтрация
+ Параметры вывода
+ Служебное
- Параметры расчета
Длина волны tt разбиений по X # разбиений по Y
101 шт
101 шт —(• Физические параметры Размер пикселя | 0.0055 мм
Фокус | 2 мм
—С Приведенные параметры
T.mm.___________I
PV = 0.3962143 її. RMS = 0.0816482 Fr.
| х: 199 у:474 Г
Z3 = -0.112827818 Z4 = 0.202157072 25 = -0.069981519 Z6 = 0.082824287 Z7 = 0.093495473 Z8 =-0.007396106 Z9 = 0.083271845 Z10 = -0.071841072 Z11 =0.080288776 Z12 = 0.008831821 Z13 = 0.088240873
714 = 0.044501554
Z15 = -0.013310640 Z1Є = -0.028805802 Z17 = 0.178359737 Z18 = 0.058240629 Z19 = -0.038838884 Z20 = 0.033885195 Z21 =0.004022204 Z22 = 0.037282784 Z23 = 0.019317482 Z24 =-0.001765429 Z25 = 0.090229841 Z28 = 0.049887841 Z27 =-0.024950067 Z28 = 0.005443758 Z29 = 0.035827133 Z30 =-0.011543906 Z31 =-0.008501488
a
Численно рассчитанный радиус кривизны для выделенного участка на рис. 2, при размерах ячеек фотоматрицы 5.5 мкм и размерах линз 0.11 мм составляет величину 265.4 мм. В натурном эксперименте по формированию гартманограммы, фактический размер составлял 270±5 мм. Таким образом, для созданного в эксперименте сферического волнового фронта наблюдается хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными, что свидетельствует о пригодности датчика к дальнейшему встраиванию в систему контроля высокомощных лазерных пучков.
■ ■И—■■■■■ИИШИШ.!—
Файлы Помощь
ь; з & ™ '»i ро% т
La
швжвйташж
'■ Гартманограмма ДВолновой фронт Тест /
"Г
| Файлы Помощь
~ У r. i& •>-
'.Гартманограмма Волновой фронт /ІТест
Фильтрация
+ Параметры вывода
+ Служебное
- Параметры расчета
Длина волны | 532 нм
# разбиений по X | 22 шт
Й разбиений по У | 22 шт
—(• Физические параметры — Размер пикселя | 0.0055 мм
Фокус
2 мм
PV = 10 3675700 ft. RMS = 2.7534780 fr.
С Приведенные параметры —
Z21 =0.019637482 Z22 = 0.0038155ЄЄ Z23 = 0.046780668 Z24 = 0.044949327 Z25 = 0.095651941 Z26 = 0.171730269 Z27 = 0.125077011 Z28 = 0.081763914 Z29 = -0.003503504 Z30 =-0.004150711 Z31 =-0.044795157 Z32 = 0.002933889 Z33 = -0.000377054 Z34 = 0.002282606 Z35 = 0.001626361 Z36 = 0.048176942 Z37 = 0.078648212 Z38 = 0.045730200 Z39 = 0.048996588 Z40 = 0.052130512 Z41 =0.031210878 Z42 = -0.034097428 Z43 = 0.011628955 Z44 = -0.009332319 Z45 = 0.006865756 Z46 = 0.000569257 Z47 = 0.006446546 Z48 =-0.002719861 PV = 10.367572400 fr. RMS = 2.753477560 fi.
T7 Д Ul 111V11 pnv/ V7 JL V ШЛП IVIIlUvJ V и 1Л11 ^UVi^
'У
фирмы SUSS MicroOptics с площадью элементов 110x110 мкм и их фокусным расстоянием 4 мм, а также GigE видеокамера Ace фирмы Basler c CMOS
сенсором фирмы CMOSIS с разрешением 2048x2048 пикселов и площадью пиксела 5,5 х 5,5 мкм .
Вместе с тем, исследование использованного микролинзового растра и анализ тонкой структуры гартманограмм выявил некоторое несовершенство оптических характеристик растра, которые проявлялись на гартманограммах в виде паразитных осцилляций функций рассеяния точек от растра, на значительных расстояниях от центров этих функций рассеяния. Совместо с результатами дополнительного численного моделирования, этот фактор свидетельствует о возможности дальнейшего улучшения характеристи датчика при замене растра на растр, оптимизированный по свом характеристикам под решаемую задачу.
Данная работа была выполнена в рамках междисциплинарного интеграционного проекта № 112, поддержанного Президиумом Сибирского отделения РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Wyant J. C., Creath K. Basic wavefront aberration theory for optical metrology // Applied Optics and Optical Engineering / Shannon R., Wyant J. eds., New York: Academic Press, 1992, V.11, P. 28-39.
2. Зверев В.А., Родионов С.А., Сокольский М.Н., Усоскин В.В. Математические основы гартмановского теста главного зеркала БТА // Оптико-механическая промышленность, 1977. № 2, С. 18-22.
© А.Г. Полещук, А.Г. Седухин, В.Г. Максимов, В.А. Тартаковский, В.И. Трунов, 2013
