Laser control channels with diffractive optical elements for the alignment of the optical systems

Bosiy, O.N., Egorov, M.S., Mesnjankin E.P., Potapov, S.L., Potapova, N.I., Yushkevich M.V.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Босый О.Н., Егоров М.С., Меснянкин Е.П., Потапов С.Л., Потапова Н.И., Юшкевич М.В. Лазерные контрольные каналы с дифракционными оптическими элементами для юстировки оптической системы // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 1. С. 30–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-30-42

Bosiy O.N., Egorov M.S., Mesnjankin E.P., Potapov S.L., Potapova N.I., Yushkevich M.V. Laser control channels with diffractive optical elements for the alignment of the optical systems [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 1. P. 30–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-30-42

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of study. Laser channel for on-board optical system alignment inspection using diffractive optical elements. Aim of study. Development of a laser channel for automated control of optical system misalignment and its angular misalignment using diffractive optical elements manufactured by laser ablation method. Method. Development of the control scheme and technique
for measuring defocusing and angular misalignment of the optical system using diffractive optical elements, development of the technique for creating diffractive optical elements by laser ablation and its implementation in the manufacture of diffractive elements for control channels, and experimental testing of the laser control channel on the optical system layout. Main results.
The prototypes of control diffractive elements created by laser ablation method were designed and manufactured. A layout of the channel for automated control of the optical system decentricity and angular misalignment using diffractive elements as control elements has been produced. The set of the proposed solutions makes it possible to create control channels for optoelectronic devices, which introduce minimum losses at the wavelength of working radiation and at the same time provide control of angular misalignment and defocusing of the optical system with the accuracy corresponding to the requirements determined by its functional characteristics. Practical significance. The proposed control channel with the use of diffractive optical elements created by laser ablation method is aimed for use in on-board spacecraft as part of the system of automatic alignment of the optical system, as well as can be used in laboratory conditions to determine the mutual position of lens elements during their production and alignment. The advantage of the proposed control channel is that diffraction elements do not interfere with the main beam of radiation passing through the optical system. The results of this research develop and supplement the existing means and methods of control of optoelectronic systems.

Keywords:

diffractive optical elements, laser ablation method, control channel, alignment, optical system

OCIS codes: 050.1950, 110.2960, 120.0120, 140.0140, 230.0230

References:

1. Бакланов А.И., Блинов В.Д., Горбунов И.А. и др. Аппаратура высокого разрешения для перспективного космического аппарата «Ресурс-ПМ» // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2016. Т. 15. № 2. С. 30–35. http://doi.org/10.18287/2412-7329-2016-15-2-30-35
Baklanov A.I., Blinov V.D., Gorbunov I.A., et al. High resolution equipment for the future spacecraft "Resource-PM" [in Russian] // Vestnik of the Samara State Aerospace University. 2016. V. 15. № 2. P. 30–35. https://doi.org/10.18287/2412-7329-2016-15-2-30-35
2. Мейтин В.А., Мокшанов В.Н., Олейников И.И. и др. Разработка алгоритмов автоматической юстировки оптической системы с двухзеркальным телескопом // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 4. С. 66–77. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-04-66-77
Meĭtin V.A., Mokshanov V.N., Oleĭnikov I.I., et al. Developing algorithms for automatically adjusting a two-mirror telescope // J. Opt. Technol. 2020. V. 87. № 4. P. 240–249. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000240
3. Умбиталиев А.А., Цыцулин А.К., Левко Г.В. и др. Теория и практика космического телевидения / Под ред. Умбиталиева А.А., Цыцулина А.К. СПб.: НИИ телевидения, 2017. 368 с.
Umbitaliev A.A., Tsitsulin A.K., Levko G.V., et al. Theory and practice of space television [in Russian] / Ed. Umbitaliev A.A., Tsytsulin A.K. St. Petersburg: NII Television Publ., 2017. 368 p.
4. Орешкин С.С. Методы контроля линейных и угловых перемещений оптических элементов крупногабаритных космических телескопов в процессе их орбитальной эксплуатации // Научно-технический журнал «Контенант». 2019. Т. 18. № 2. С. 71–79.
Oreshechkin, S.S. Control methods of linear and angular displacements of the optical elements of largesize space telescopes in the process of their orbital operation [in Russian] // Scientific and Technical J. "Kontenant". 2019. V. 18. № 2. P. 71–79.
5. Клеймёнов В.В., Новикова Е.В. Действующие крупногабаритные наземные оптические телескопы наблюдения за космическими объектами // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 10. С. 827–843.
Kleymyonov V.V., Novikova E.V. Existing large-sized ground optical telescopes for space objects observation [in Russian] // J. Instrument Engineering. 2018. V. 61. № 10. P. 827–843. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2018-61-10-827-843
6. Бурдинов К.А., Шашкина К.М., Шагхаей Э. Исследование системы автоматического управления стабилизацией изображения бортовых оптико-электронных приборов наведения и слежения // Advanced Engineering Research. Ростов-на-Дону. 2022. Т. 22. № 2. С. 150–160. http://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-150-160
Burdinov K.A., Shashkina K.M., Shaghaei E. Investigation of the automatic image stabilization control system of the onboard optoelectronic pointing and tracking devices [in Russian] // Advanced Engineering Research. Rostov-on-Don. 2022. V. 22. № 2.
P. 150–160. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-150-160
7. Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П. и др. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 3. С. 27–29.
Baloev V.A., Ivanov V.P., Larionov N.P., et al. A precise method of monitoring the alignment of two-mirror telescopes, based on a system of synthesized annular holograms // J. Opt. Technol. 2012. V. 79. № 3. P. 167–173. https://doi.org/10.1364/JOT.79.000167
8. Балоев В. А., Иванов В. П., Ларионов Н. П. и др. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы // Патент РФ № RU2467286C1 от 06.06.2011. Бюл. 2012. № 32.
Baloev V.A., Ivanov V.P., Larionov N.P., et al. Alignment device for two-mirror centered optical system // RF Patent № RU2467286C1. Bull. 2012. № 32.
9. Гришин Е. А., Ивлев О. А., Полунадеждин В. В. и др. Способ и устройство автоматической юстировки зеркальных телескопов // Патент РФ № RU2690723C1 от 19.12.2017. Бюл. 2019. № 16.
Grishin E.A., Ivlev O.A., Polunadezhdin V.V., et al. Method and device for au-tomatic alignment of mirror telescopes // RF Patent № RU2690723C1. Bull. 2019. № 16.
10. Васильев В.Н., Дмитриев И.Ю., Муравьёв В.А. и др. Оптическая система инфракрасного диапазона с функцией активной фокусировки // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62. № 2. С. 136–141.
Vasiliev V.N., Dmitriev I.Yu., Muravev V.A., et al. Optical infrared range system with active focusing function [in Russian] // J. Instrument Engineering. 2019. V. 62. № 2. P. 136–141. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2019-62-2-136-141
11. Полещук А.Г., Насыров Р.К., Саметов А.Р. и др. Дифракционные элементы для фокусировки излучения мощного ИК лазера // ИНТЕРЭКСПО ГеоСибирь. 2013. Т. 5. № 3. С. 74–76.
Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Sametov A.R., et al. Diffraction element for focusing the radiation of a powerful IR laser [in Russian] // INTEREXPO GeoSiberia. 2013. V. 5. № 3. P. 74–76.
12. Корешев С.Н. Голограммные элементы для систем космической оптики // XIV Междунар. конф. «Голография. Наука и практика». HOLOEXPO, 2017: Тезисы докладов / МГТУ им. Н.Э. Баумана, ООО «МНГС». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. С. 53–59.
Koreshev S.N. Hologram elements for space optics systems [in Russian] // Proc. of XIV Intern. Conf. "Holography. Science and Practice" (HOLOEXPO-2017). Moscow, Russia. September 12–15, 2017. P. 53–59.

13. Полещук А.Г., Корольков В.П., Насыров Р.К. Дифракционные оптические элементы для управления параметрами лазерного излучения и прецизионного контроля формы асферических поверхностей // ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. научн. конгр. и выставка (Новосибирск, 20–22 апр., 2014): Междунар. научн. Конф. «СибОптика-2015».
2015. Вып. 2. Т. 2. С. 232–238.
Poleshchuk A.G., Korolkov V.P., Nasyrov R.K. Diffraction optical elements for control of laser radiation parameters and precision control of aspherical surfaces shape [in Russian] // INTEREXPO GEO-Siberia, 2015. XI Intern. Scientific Cong. and Exhibition (Novosibirsk, April 20–22, 2014): Intern. Scientific Conf. "SibOptics-2015" . 2015. V. 2. P. 2. P. 232–238.
14. Барышников Н.В., Денисов Д.Г., Животовский И.В. Система измерения углового рассогласования осей рабочего лазера и маркерного источника на основе дифракционных оптических элементов // МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. Эл. № ФС77-48211. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://engineeringscience.ru/doc/199490.html, свободный. Яз. рус. (дата обращения 05.03.2024).
Baryshnikov N.V., Denisov D.G., Zhivotovskiy I.V. Angular mismatch measurement system of the working laser and marker source axes on the basis of diffractive optical elements // Bauman Moscow State Technical University. 2011. El. № FS77-48211. [Electronic resource]. Access mode: http://engineering-science.ru/doc/199490. html, free. in Russian. (accessed 10/03/2024).
15. Семенов А.П., Абдулкадыров М.А., Патрикеев В.Е. и др. Методы контроля формы осевых и внеосевых асферических поверхностей с дифракционным оптическим элементом, определением децентрировки и учетом дисторсии при их формообразовании // Фотоника. 2022. Т. 16. № 4. С. 318–327.
Semenov A.P., Abdulkadyrov M.A., Patrikeev V.E., et al. Shape control methods of the axial and off-axis aspherical surfaces with diffractive optical element, defining of decentering and taking into account distortion during their shaping // Photonics. 2022.
V. 16. № 4. P. 318–327. https://doi.org/10.22184/ 1993-7296.FRos.2022.16.4.318.327
16. Корольков В.П. Технологии изготовления ДОЭ и круговые лазерные записывающие системы ИАиЭ СО РАН // Институт автоматики и электрометрии СО РАН. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sibai.ru/texnologii-izgotovleniya-doe-ikrugovyie-lazernyie-zapisyivayushhie-systemyi-iaieso-ran.html, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.03.2024).
Korolkov V.P. DOE manufacturing technologies and circular laser recording systems. Institute of Automation and Electrometry SB RAS. [Electronic resource]. Access mode: http://www.sibai.ru/texnologii-izgotovleniya-doe-i-krugovyie-lazernyiezapisyivayushhie-systemyi-iaie-so-ran.html, free. in Russian. (accessed 13/03/2024).
17. Казанский Н.Л., Моисеев О.Ю., Ганчевская С.В. и др. Способ изготовления дифракционных оптических элементов // Патент РФ № RU2601391. Бюл. 2014. № 31.
Kazanskiy N.L., Moiseev O.Yu., Ganchevskaya S.V., et al. Method of manufacturing diffractive optical elements // RF Patent № RU2601391С2. Bull. 2014. № 31.
18. Каминская Т.П., Попов В.В., Салецкий А.М. Исследование рельефа плёночных дифракционных оптических элементов // Компьютерная оптика. 2016. T. 40. № 2. С. 215–224.
Kaminskaya T.P., Popov V.V., Saletsky A.M. Relief study of film diffraction optical elements [in Russian] // Computer Optics. 2016. V. 40. № 2. P. 215–224.
19. Полещук А.Г., Кутанов А.А., Бессмельцев В.П. и др. Микроструктурирование оптических поверхностей: технология и устройство прямой лазерной записи дифракционных структур // Автометрия. РАН СО. Новосибирск. 2010. Т. 46. № 2. С. 86–96.
Poleshchuk A.G., Kutanov A.A., Bessmeltsev V.P., et al. Microstructuring of optical surfaces: Technology and device for direct laser recording of diffraction structures [in Russian] // Autometry. RAS. Siberian Branch. Novosibirsk. 2010. V. 46. № 2. P. 86–96.
20. Belousov D.A., Kuts R.I., Okotrub K.A., et al. Direct laser writing of diffractive structures on bi-layer Si/Ti films coated on Fused silica substrates // Photonics. 2023. V. 10. № 7. P. 771. http://doi.org/10.3390/photonics10070771
21. Тукмаков К.Н., Комленок М.С., Павельев В.С. и др. Изготовление методом лазерной абляции и исследование кремниевого фокусатора излучения терагерцового диапазона с непрерывным дифракционным микрорельефом // Компьютерная оптика. 2018. Т. 42. № 6. С. 941–946. http://doi.org/ 10.18287/2412-6179-2018-42-6-941-946
Tukmakov K.N., Komlenok M.S., Pavelyev V.S., et al. A continuous-profile diffractive focuser for terahertz radiation fabricated by laser ablation of silicon [in Russian] // Computer Optics. 2018. V. 42. № 6. P. 941–946. https://doi.org/10.18287/2412-6179-
2018-42-6-941-946
22. Баля В.К. Создание пленочной микрооптики методом лазерной абляции полимерных материалов // Диссертация канд. физ.-мат. наук. СПб.: Университет ИТМО, 2014. 90 с.
Balya V.K. Creation of film microoptics by laser ablation of polymeric materials // PhD (Physics and Mathematics) Thesis. St. Petersburg: ITMO University, 2014. 90 p.
23. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Калюжный Д.Г. Получение дифракционных структур при лазерной обработке металлических пленок // Изв. вузов. Приборостроение. СПбГУ ИТМО. 2004. Т. 47. С. 62–66.
Mikheev G.M., Zonov R.G., Kalyuzhny D.G. Obtaining diffraction structures during laser treatment of metal films [in Russian] // Vestnik of the University. Instrumentation. Saint Petersburg National University ITMO. 2004. V. 47. P. 62–66.
24. Heise G., Englmaier M., Hellwig C., et al. Laser ablation of thin molybdenum films on transparent substrates at low fluences // Appl. Phys. A: Materials Sci. & Processing. 2011. V. 102. № 1. Р. 173–178. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.academia. edu/ 18152264/Laser_ablation_of_thin_molybdenum_ films_on_transparent_substrates_at_low_fluences,
свободный. Яз. рус. (дата обращения 01.02.2024).
Heise G., Englmaier M., Hellwig C., et al. Laser ablation of thin molybdenum films on transparent substrates at low fluences // Appl. Phys. A: Materials Sci. & Processing. 2011. V. 102. № 1. Р. 173–178. https://doi.org/10.1007/s00339-010-5993-5
25. Лысенко А.И., Маламед Е.Р., Сокольский М.Н., и др. Оптические системы объективов космических телескопов // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 9. С. 21–25.
Lysenko A.I., Malamed E.R., Sokolsky M.N., et al. Optical layouts of the objectives of space telescopes // J. Opt. Technol. 2002. V. 69. № 9. P. 618. https://opg. optica.org/jot/abstract.cfm?uri=jot-69-9-618
26. Демин А.В., Денисов А.В., Летуновский А.В. Оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53. № 3. С. 51–59.
Demin A.V., Denisov A.V., Letunovsky A.V. Opticaldigital systems and complexes of space application [in Russian] // Vestnik of the University. Instrumentation. 2010. V. 53. № 3. P. 51–59.
27. Ефанов В.В., Шевалев И.Л. Проектирование автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований / Под ред. Ефанова В.В., Пичхадзе К.М. Т. 1. М.: изд-во МАИ, 2012. 526 с.
Efanov V.V., Shevalev I.L. Designing of automatic spacecrafts for fundamental scientific research [in Russian] / Ed. Efanov V.V., Pichhadze K.M. V. 1. Moscow: MAI Press., 2012. 526 p.
28. Гектин Ю.М., Акимов Н.П., Рыжаков А.В. Многоканальный сканирующий радиометр высокого пространственного разрешения // Патент РФ № RU178431U1. Бюл. 2018. № 10.
Gektin Yu.M., Akimov N.P., Ryzhakov A.V. Multichannel scanning radiometer of high spatial resolution // RF Patent № RU178431U1. Bull. 2018. № 10.
29. Дермель И.В., Шашкеев К.А. Особенности магнетронного распыления металлов в присутствии реактивных газов // Труды ВИАМ. 2017. Т. 59. № 11. С. 107–116. http://dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-11-11-11
Dermel I.V., Shashkeev K.A. Features of magnetron atomization of metals in the presence of reactive gases [in Russian] // Proc. of VIAM. 2017. V. 59. № 11. P. 107–116. http://dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-11-11-11