RU154037U1

RU154037U1 - THERAPY SENSOR OF THE WAVE FRONT ON THE BASIS OF BESSEL BEAMS

Info

Publication number: RU154037U1
Application number: RU2014142850/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Терагерцовый датчик волнового фронта на основе Бессель пучков, состоящий из делителя волнового фронта в виде растра субапертур, матричного приемника и регистрирующего устройства, отличающийся тем, что субапертуры выполнены в виде дифракционных аксиконов.A terahertz wavefront sensor based on Bessel beams, consisting of a wavefront divider in the form of a subaperture raster, a matrix receiver and a recording device, characterized in that the subapertures are made in the form of diffraction axicons.

Description

Полезная модель относится к датчикам измерения формы волнового фронта по методу Шака-Гартмана преимущественно в миллиметровом и терагерцовом диапазонах.The utility model relates to sensors for measuring the shape of the wavefront according to the Shack-Hartmann method mainly in the millimeter and terahertz ranges.

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-http://portal.ru/content_706).The wavefront sensor (TWF) is one of the elements of an adaptive radiation correction system. Its task is to measure the wavefront curvature and transfer these measurements to a processing device. Today, one of the most common wavefront sensors in the optical range is the Shack-Hartmann sensor (see, for example, Wavefront Sensors URL http: // laser-http: //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.The principle of the sensor is that with the help of the wavefront divider, narrow beams of the incident wavefront are cut out. When the wavefront is different from the plane front, we get a lateral displacement of the position of the focused spots relative to the aperture openings. Measurements of the positions of the centers of spots give local slopes of the wave fronts.

Так, при малых искажениях волнового фронта смещение Δx_i области фокусировки (центров изображений) от оси симметрии микролинзы соответствует направлению распространения (наклона) участка волнового фронта (α_i: угол относительно оптической оси):So, for small wavefront distortions, the shift Δx _{i of} the focus area (image centers) from the axis of symmetry of the microlens corresponds to the direction of propagation (tilt) of the wavefront portion (α _i : angle relative to the optical axis):

Известен датчик волнового фронта Шака-Гартмана по патенту США (Mark Abitbol et. al. “Apparatus for mapping Optical Elements,” Patent US 5825476, Oct. 20, 1998), устройство классического датчика Шака-Гартмана описано в работе (Shack, R.V. and B.C. Piatt, “Production and Use of a Lenticular Hartmann Screen” J. Opt. Soc. Am., 61, 656 (1971)).Known Shack-Hartmann wavefront sensor according to the US patent (Mark Abitbol et. Al. “Apparatus for mapping Optical Elements,” Patent US 5825476, Oct. 20, 1998), the device of the classic Shack-Hartmann sensor is described in (Shack, RV and BC Piatt, “Production and Use of a Lenticular Hartmann Screen” J. Opt. Soc. Am. 61, 656 (1971)).

Известен датчик волнового фронта Шака-Гартмана (патент США 2014/0043599 A1 от 13 февраля 2014 г, G01J 9/00 (2006.01)), состоящего делителя волнового фронта в виде матрицы микролинз, матричного приемника и регистрирующего устройства, работающих в оптическом диапазоне.A known Shack-Hartmann wavefront sensor (US patent 2014/0043599 A1 dated February 13, 2014, G01J 9/00 (2006.01)), consisting of a wavefront divider in the form of a microlens array, a matrix receiver and a recording device operating in the optical range.

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 (см. Фиг. 1).The principle of operation of such a Shack-Hartmann wavefront sensor is that radiation passes through a lens raster - a matrix of microlenses - and falls on a matrix receiver. A lens raster consists of identical lenses (or sometimes called subapertures). They break the incident front into small streams and focus them on a matrix receiver, usually in the optical range, a CCD. When the incoming wavefront is flat, all focused images are arranged in the correct grid, due to the location of the lenses. If the incident wave has any distortion, then the images are shifted from their nominal values. The displacement of the image centers in two orthogonal directions is proportional to the average slopes of the wavefront in these directions along subapertures (see Fig. 1).

Датчик волнового фронта по патенту США 2014/0043599 принят за прототип.The wavefront sensor according to US patent 2014/0043599 adopted as a prototype.

Однако такому датчику волнового фронта присущи следующие недостатки. 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.However, such a wavefront sensor has the following disadvantages. Known technologies for manufacturing microlens rasters, especially in the terahertz range, are imperfect. Of particular note is the low repeatability of the parameters of created microlenses with a spherical surface shape (Taranenko VG, Shinin OI Adaptive optics in instruments and devices. M: FSUE Tsniatominform, 2005). Moreover, in the terahertz range, the choice of material for dielectric lenses is limited, and the implementation of such a matrix of microlenses is associated with significant technological difficulties.

Кроме того, основными параметрами, определяющими метрологические характеристики датчика волнового фронта Шака-Гартмана, являются размер субапертуры и размер области фокусировки, которые определяют точность и пространственное разрешение данного датчика (Calibration of a 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 диаметра субапертуры 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.In addition, the main parameters that determine the metrological characteristics of the Shack-Hartman wavefront sensor are the size of the subaperture and the size of the focus area, which determine the accuracy and spatial resolution of this sensor (Calibration of a Shack Hartman sensor for absolute measurements of wave fronts / U. Sterr, F. Riehle, J. Helmccke, J. Pfund II Applied optics. 2005. Vol. 44. No. 30. P. 6419-6425). However, a decrease in the diameter of the subaperture leads to an increase in the diffraction divergence of the beams, which essentially limits the possibilities of this approach. Moreover, the way to increase the accuracy of the sensor by obtaining smaller spots by increasing the size of the subaperture leads to a decrease in the spatial resolution of the sensor.

Другой существенный недостаток известных датчиков волнового фронта Шака-Гартмана на основе матрицы микролинз заключается в том, что при сильных искажениях волнового фронта прямолинейный закон смещения центров фокусировки (фокуса) согласно выражению (1) не выполняется, а само дифракционное пятно существенно расширяется из-за аберраций (Физический энциклопедический словарь, «Советская эниклопедия», М. 1960, с. 7-9). Более того, смещение пятна фокусировки в этом случае наблюдается не только вдоль поверхности матрицы приемников (Фиг. 1а, Δx), но и в продольном направлении (Фиг. 1a, Δy). При этом возможна частичная компенсация внеосевых аберраций за счет замены плоской поверхности матричного приемника на криволинейную (Физический энциклопедический словарь, «Советская эниклопедия», М. 1960, с. 9, рис. 3), однако этот путь технологически не приемлем.Another significant drawback of the well-known Shack-Hartmann wavefront sensors based on the microlens matrix is that, with strong distortions of the wavefront, the rectilinear law of displacement of the focusing centers (focus) according to expression (1) is not satisfied, and the diffraction spot expands significantly due to aberrations (Physical Encyclopedic Dictionary, “Soviet Encyclopedia”, M. 1960, p. 7-9). Moreover, the focus spot shift in this case is observed not only along the surface of the receiver array (Fig. 1a, Δx), but also in the longitudinal direction (Fig. 1a, Δy). In this case, partial compensation of off-axis aberrations is possible by replacing the flat surface of the matrix receiver with a curved one (Physical Encyclopedic Dictionary, “Soviet Encyclopedia”, Moscow 1960, p. 9, Fig. 3), but this way is not technologically acceptable.

Задача заявленной полезной модели - величение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана при значительных искажениях анализируемого волнового фронта в терагерцовом диапазоне за счет уменьшения размера формируемого субапертурой пучка и увеличения его глубины фокуса.The objective of the claimed utility model is to increase the accuracy of reconstructing the wavefront of the Shack-Hartmann sensor with significant distortions of the analyzed wavefront in the terahertz range by reducing the size of the beam formed by the subaperture and increasing its focus depth.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в терагерцовом датчике волнового фронта на основе Бессель пучков, состоящего из делителя волнового фронта в виде растр субапертур, матричного приемника и регистрирующего устройства, субапертуры выполнены в виде преимущественно дифракционных аксиконов.The solution of this problem is achieved by the fact that in a terahertz wavefront sensor based on Bessel beams, consisting of a wavefront divider in the form of raster subapertures, a matrix receiver and a recording device, subapertures are made in the form of mainly diffraction axicons.

На фиг. 1 показана блок схема датчика волнового фронта Шака-Гартмана: на фиг. 1а - известного датчика, фиг. 1b - заявляемого. На фиг. 1 обозначены: D - диаметр субапертуры, f - фокусное расстояние, Δx - смещение фокального пятна в поперечном направлении, Δy - смещение фокального пятна в продольном направлении, 1 - положение пятна при неискаженном волновом фронте, 2 - положение пятна при малом искажении волнового фронта, 3, 4 - положение пятна фокусировки при сильном искажении волнового фронта, 5 - Бессель пучок (струя).In FIG. 1 shows a block diagram of a Shack-Hartmann wavefront sensor: in FIG. 1a is a known sensor, FIG. 1b - of the claimed. In FIG. 1 are marked: D is the diameter of the subaperture, f is the focal length, Δx is the displacement of the focal spot in the transverse direction, Δy is the displacement of the focal spot in the longitudinal direction, 1 is the position of the spot with an undistorted wavefront, 2 is the position of the spot with a small distortion of the wavefront, 3, 4 - the position of the focusing spot with a strong distortion of the wavefront, 5 - Bessel beam (jet).

На фиг. 2 показаны экспериментальные результаты распределения интенсивности поля вдоль оси для дифракционного аксикона при нормальном падении плоского фронта и под углом 10 градусов.In FIG. Figure 2 shows the experimental results of the distribution of the field intensity along the axis for the diffraction axicon with a normal incidence of a flat front and at an angle of 10 degrees.

Заявленный терагерцовый датчик волнового фронта на основе Бессель пучков работает следующим образом.The claimed terahertz wavefront sensor based on Bessel beams works as follows.

Излучение проходит через делитель волнового фронта в виде растра субапертур в виде преимущественно дифракционных аксиконов и падает на матричный приемник. Растр субапертур разбивает падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на матричном приемнике в виде протяженных Бессель пучков. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением микролинз матрицы. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то положение Бессель пучков 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. 1b.The radiation passes through the wavefront divider in the form of a subaperture raster in the form of predominantly diffractive axicons and falls on the matrix receiver. The subaperture raster splits the incident front into small streams and focuses them on the matrix receiver in the form of Bessel extended beams. When the incoming wavefront is flat, all focused images are located in the correct grid, due to the arrangement of the microlenses of the matrix. If the incident wave has any distortion, then the position of the Bessel beams are shifted from their nominal values. The shift of the image centers in two orthogonal directions is proportional to the average slopes of the wavefront in these directions along subapertures. The sensor operation scheme is clear from FIG. 1b.

В предлагаемой полезной модели датчика волнового фронта в качестве микролинз используются преимущественно дифракционные аксиконы и фокусирующие падающий на них участок волнового фронта в так называемую Бессель струю (пучки). Характерной особенностью таких Бессель струй является, в частности, то, что поперечный размер области фокусировки описывается функцией Бесселя, превышающий предельно допустимый размер области фокусировки известных линз не менее, чем в 1.2…1.5 раза, а его протяженность вдоль оптической оси превышает глубину резкости классической линзы в несколько раз как при нормальном падении волнового фронта, так и при падении искаженного участка волнового фронта под углом (Minin I.V., Minin O.V. Scanning properties of the diffractive “LENS-PLUS AXICON” lens in THz // Proc. of the Diffractive Optics 2005, 3-7 September, Warsaw, Poland, URL http://www2.inos.pl/do2005/DO_manuscript/posters/P-015.pdf).In the proposed utility model of the wavefront sensor, the diffraction axicons and focusing part of the wavefront incident on the so-called Bessel stream (beams) are used as microlenses. A characteristic feature of such Bessel jets is, in particular, that the transverse size of the focusing area is described by the Bessel function, which exceeds the maximum allowable focusing area of known lenses by at least 1.2 ... 1.5 times, and its length along the optical axis exceeds the depth of field of a classic lens several times both during normal incidence of the wavefront and when the distorted portion of the wavefront falls at an angle (Minin IV, Minin OV Scanning properties of the diffractive “LENS-PLUS AXICON” lens in THz // Proc. of the Diffractive Optics 2005, 3-7 Septem ber, Warsaw, Poland, URL http://www2.inos.pl/do2005/DO_manuscript/posters/P-015.pdf).

Это существенно улучшает метрологические характеристики заявляемого датчика волнового фронта (уменьшается погрешность метода нахождения центроид и, соответственно, нижний порог чувствительности датчика). При этом поскольку ширина основного пучка у аксикона меньше, чем ширина пучка от круглой микролинзы, следовательно, достигается увеличение точности датчика за счет получения пятен меньшего размера.This significantly improves the metrological characteristics of the inventive wavefront sensor (decreases the error in the method of finding the centroid and, accordingly, the lower threshold of the sensor sensitivity). Moreover, since the axicon’s main beam width is smaller than the beam width from a round microlens, therefore, an increase in the accuracy of the sensor is achieved by obtaining smaller spots.

Использование таких масок также позволяет уменьшить размер субапертур и реализовать предельно высокое разрешение датчика Шака-Гартмана.The use of such masks also makes it possible to reduce the size of subapertures and realize extremely high resolution of the Shack-Hartmann sensor.

Таким образом, при дифракции излучения (части анализируемого волнового фронта) на отдельной субапертуре в виде преимущественно дифракционного аксикона удается уменьшить величину центрального максимума рассеяния (размер области фокусировки) и увеличить глубину фокуса, что приводит к увеличению точности реконструкции общего вида анализируемого волнового фронта.Thus, during diffraction of radiation (part of the analyzed wavefront) on a separate subaperture in the form of a predominantly diffraction axicon, it is possible to reduce the magnitude of the central scattering maximum (the size of the focusing area) and increase the depth of focus, which leads to an increase in the accuracy of reconstruction of the general form of the analyzed wavefront.

Техническим результатом является увеличение точности восстановления формы волнового фронта датчика Шака-Гартмана при значительных искажениях анализируемого волнового фронта в терагерцовом диапазоне за счет уменьшения размера формируемого субапертурой пучка и увеличения его глубины фокуса.The technical result is to increase the accuracy of restoring the shape of the wavefront of the Shack-Hartmann sensor with significant distortions of the analyzed wavefront in the terahertz range by reducing the size of the beam formed by the subaperture and increasing its focus depth.

Claims

A terahertz wavefront sensor based on Bessel beams, consisting of a wavefront divider in the form of a subaperture raster, a matrix receiver and a recording device, characterized in that the subapertures are made in the form of diffraction axicons.