Odkształcalne lustro
Zwierciadła odkształcalne ( DM ) to zwierciadła , których powierzchnię można odkształcać w celu uzyskania kontroli czoła fali i korekcji aberracji optycznych . Odkształcalne zwierciadła są stosowane w połączeniu z czujnikami czoła fali i systemami sterowania w czasie rzeczywistym w optyce adaptacyjnej . W 2006 roku znaleźli nowe zastosowanie w kształtowaniu impulsów femtosekundowych .
Kształt DM można kontrolować z szybkością odpowiednią do kompensacji aberracji dynamicznych występujących w układzie optycznym. W praktyce kształt DM powinien być zmieniany znacznie szybciej niż korygowany proces, ponieważ proces korekcji, nawet w przypadku aberracji statycznej, może zająć kilka iteracji.
DM zwykle ma wiele stopni swobody. Zazwyczaj te stopnie swobody są związane z mechanicznymi siłownikami i można z grubsza przyjąć, że jeden siłownik odpowiada jednemu stopniowi swobody .
Parametry zwierciadła odkształcalnego
Liczba siłowników określa liczbę stopni swobody ( przegięcia czoła fali ), które lustro może skorygować. Bardzo często porównuje się dowolny DM do idealnego urządzenia, które może doskonale odtwarzać tryby czoła fali w postaci wielomianów Zernike'a . Dla predefiniowanych statystyk aberracji odkształcalne zwierciadło z siłownikami M może być równoważne idealnemu korektorowi Zernike'a z N (zwykle N <M) stopni swobody. W przypadku korekcji turbulencji atmosferycznych eliminacja składowych Zernike'a niższego rzędu skutkuje zwykle znaczną poprawą jakości obrazu, podczas gdy dalsza korekcja składowych wyższego rzędu wprowadza mniej znaczącą poprawę. W przypadku silnych i szybkich fluktuacji błędów czoła fali, takich jak wstrząsy i turbulencje w śladzie aerodynamicznym, zwykle spotykanych w polach przepływu aerodynamicznego o dużej prędkości, liczba siłowników, skok siłownika i skok określają maksymalne gradienty czoła fali, które można skompensować.
Skok siłownika to odległość między środkami siłowników. Odkształcalne zwierciadła z dużym rozstawem siłowników i dużą liczbą siłowników są nieporęczne i drogie.
Skok siłownika to maksymalne możliwe przesunięcie siłownika, zazwyczaj w dodatnich lub ujemnych wychyleniach od pewnego centralnego położenia zerowego. Skok zwykle mieści się w zakresie od ± 1 do ± 30 mikrometrów. Swobodny skok siłownika ogranicza maksymalną amplitudę korygowanego czoła fali, podczas gdy skok między siłownikami ogranicza maksymalną amplitudę i gradienty możliwych do skorygowania aberracji wyższego rzędu.
Funkcja wpływu to charakterystyczny kształt odpowiadający odpowiedzi lustra na działanie pojedynczego siłownika. Różne typy zwierciadeł odkształcalnych mają różne funkcje wpływu, ponadto funkcje wpływu mogą być różne dla różnych siłowników tego samego zwierciadła. Funkcja wpływu, która obejmuje całą powierzchnię lustra, nazywana jest funkcją „modalną”, podczas gdy zlokalizowana odpowiedź nazywana jest „strefową”.
Sprzężenie siłownika pokazuje, o ile ruch jednego siłownika przesunie jego sąsiadów. Wszystkie zwierciadła „modalne” mają duże sprzężenie krzyżowe, co w gruncie rzeczy jest dobre, gdyż zapewnia wysoką jakość korekcji płynnych aberracji optycznych niskiego rzędu, które zwykle mają największą wagę statystyczną.
Czas odpowiedzi pokazuje, jak szybko lustro zareaguje na sygnał sterujący. Może wahać się od mikrosekund (MEMS i lustra magnetyczne) do dziesiątek sekund dla kontrolowanych termicznie DM.
Histereza i pełzanie to nieliniowe efekty aktywacji, które zmniejszają precyzję odpowiedzi odkształcalnego lustra. Dla różnych koncepcji histereza może wahać się od zera (lusterka uruchamiane elektrostatycznie) do kilkudziesięciu procent dla luster z siłownikami piezoelektrycznymi. Histereza jest szczątkowym błędem położenia wynikającym z poprzednich poleceń siłownika i ogranicza zdolność lustra do pracy w trybie sprzężenia wyprzedzającego, poza pętlą sprzężenia zwrotnego.
Odkształcalne koncepcje luster
Segmentowe lusterka koncepcyjne są utworzone przez niezależne płaskie segmenty luster. Każdy segment może poruszać się na niewielką odległość tam iz powrotem, aby przybliżyć średnią wartość czoła fali na obszarze plastra. Korzystnie, te zwierciadła mają niewielki lub zerowy przesłuch między siłownikami. Przybliżenie krokowe działa słabo w przypadku gładkich, ciągłych frontów falowych. Ostre krawędzie segmentów i szczeliny między segmentami przyczyniają się do rozpraszania światła, ograniczając zastosowania do tych, które nie są wrażliwe na światło rozproszone. Znaczną poprawę parametrów zwierciadła segmentowego można osiągnąć poprzez wprowadzenie trzech stopni swobody na segment: tłoka, końcówki i pochylenia. Zwierciadła te wymagają trzykrotnie większej liczby siłowników w porównaniu do lusterek segmentowych tłokowych. Ta koncepcja została wykorzystana do wytworzenia dużych, podzielonych na segmenty zwierciadeł głównych dla teleskopów Kecka , Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i przyszłego E-ELT . Istnieje wiele metod dokładnego współfazowania segmentów i zmniejszania wzorów dyfrakcji wprowadzanych przez kształty segmentów i szczeliny. Przyszłe duże teleskopy kosmiczne, takie jak NASA Large UV Optical Infrared Surveyor, będą również posiadały segmentowe zwierciadło główne. Opracowanie solidnych metod zwiększania kontrastu ma kluczowe znaczenie dla bezpośredniego obrazowania i charakteryzowania egzoplanet .
koncepcyjne ciągłej płyty czołowej z dyskretnymi siłownikami są utworzone przez przednią powierzchnię cienkiej odkształcalnej membrany. Kształt płyty jest kontrolowany przez szereg dyskretnych siłowników, które są przymocowane do jej tylnej strony. Kształt lustra zależy od kombinacji sił przyłożonych do płyty czołowej, warunków brzegowych (sposób mocowania płyty do lustra) oraz geometrii i materiału płyty. Zwierciadła te pozwalają na płynną kontrolę czoła fali z bardzo dużymi - do kilku tysięcy - stopniami swobody.
Koncepcja zwierciadeł Magnetics opiera się na ciągłej powierzchni odbijającej poruszanej siłownikami magnetycznymi. Charakteryzują się dużym skokiem, liniowością i szybkim czasem ustalania.
koncepcyjne MEMS są wytwarzane przy użyciu technologii mikroobróbki masowej i powierzchniowej. Składają się z cienkiej odblaskowej membrany sterowanej wieloma siłownikami . Zwierciadła MEMS mogą przekroczyć wysoki próg cenowy konwencjonalnej optyki adaptacyjnej . Umożliwiają zastosowanie większej liczby siłowników po bardziej opłacalnej cenie, co pozwala na dokładną korekcję czoła fali. Lustra MEMS oferują szybkie czasy reakcji siłowników przy ograniczonej histerezie. Dodatkową korzyścią jest to, że technologie mikroobróbki pozwalają na korzyści skali w celu tworzenia tańszych i lżejszych odkształcalnych luster z większą liczbą siłowników.
koncepcyjne z membraną składają się z cienkiej przewodzącej i odbijającej światło membrany rozciągniętej na solidnej płaskiej ramie. Membrana może być odkształcana elektrostatycznie poprzez przykładanie napięć sterujących do siłowników elektrod elektrostatycznych, które można umieścić pod lub nad membraną. Jeśli nad membraną znajdują się jakieś elektrody, są one przezroczyste. Istnieje możliwość obsługi lusterka tylko z jedną grupą elektrod umieszczonych pod lustrem. W tym przypadku napięcie polaryzacji jest przykładane do wszystkich elektrod, aby membrana początkowo była kulista. Membrana może poruszać się tam iz powrotem względem sfery odniesienia.
Bimorph Concept składają się z dwóch lub więcej warstw różnych materiałów. Jedna lub więcej (aktywnych) warstw jest wykonana z materiału piezoelektrycznego lub elektrostrykcyjnego. Struktura elektrody jest wzorowana na warstwie aktywnej, aby ułatwić lokalną reakcję. Zwierciadło ulega deformacji, gdy do jednej lub kilku jego elektrod przyłożone jest napięcie, co powoduje ich boczne rozciąganie, co skutkuje miejscową krzywizną zwierciadła. Lustra bimorficzne rzadko są wykonane z więcej niż 100 elektrod.
Ferrofluidowe lustra koncepcyjne to odkształcalne w cieczy lustra wykonane z zawiesiny małych (o średnicy około 10 nm) nanocząstek ferromagnetycznych rozproszonych w ciekłym nośniku. W obecności zewnętrznego pola magnetycznego cząstki ferromagnetyczne wyrównują się z polem, ciecz zostaje namagnesowana, a jej powierzchnia nabiera kształtu regulowanego przez równowagę między siłami magnetycznymi, grawitacyjnymi i siłami napięcia powierzchniowego. Stosując odpowiednią geometrię pola magnetycznego, na powierzchni ferrofluidu można uzyskać dowolny pożądany kształt. Ta nowa koncepcja oferuje potencjalną alternatywę dla tanich, dużych skoków i dużej liczby siłowników odkształcalnych zwierciadeł.