Новые возможности лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки крупноформатных составных зеркал телескопов

Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. Новые возможности лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки крупноформатных составных зеркал телескопов // Оптический журнал. 2022. Т.89. № 10. С. 80–94. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-80-94

Lukin A.V., Melnikov A.N., Skochilov A.F. New capabilities for laser holographic testing during assembly and collimation of large segmented telescope mirrors [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V.89. № 10. P. 80–94. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-80-94

Ссылка на англоязычную версию:

A. V. Lukin, A. N. Melnikov, and A. F. Skochilov, "New capabilities for laser holographic testing during assembly and collimation of large segmented telescope mirrors," Journal of Optical Technology. 89(10), 615-625 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000615

Аннотация:

Предмет исследования. Предложены новые оригинальные варианты осуществления интерферометрического контроля крупноформатных асферических составных главных зеркал телескопов на всех этапах их создания (сборка, юстировка и аттестация). Цель работы — представление и обоснование новых технических решений интерферометрического контроля формы поверхности крупноформатных вогнутых асферических составных главных зеркал телескопов. Метод. В основу всех предложенных контрольных схем положено использование отражательного оптического компенсатора в виде осевого синтезированного голограммного оптического элемента или зеркальной выпуклой асферической поверхности вращения. Реализуется квазиавтоколлимационный ход лучей, при котором оптический компенсатор осуществляет обращение фронта
объектной волны, причём здесь он не принимает непосредственного участия в формировании изображения контролируемой поверхности в плоскости регистрации интерференционных и теневых картин, в которых тем самым исключаются значительные дисторсиоподобные искажения. Основные результаты. Представлены расчётные значения основных параметров квазиавтоколлимационных схем контроля формы вогнутых асферических составных главных зеркал четырёх известных в мире телескопов: «Миллиметрон» — диаметр 10 м, «James Webb Space Telescope» — диаметр 6,5 м, «Extremely Large Telescope» (ELT) — диаметр 39,3 м, а также отложенного проекта Европейской южной обсерватории «Overwhelmingly Large Telescope» (OLT) — диаметр 100 м. Показано, что использование в объектной ветви интерферометра «цепочки» (каскада) таких соосных оптических компенсаторов практически полностью снимает ограничения на размер, асферичность и крутизну асферических составных главных зеркал телескопов. При этом придание рабочей поверхности подложки голограммного компенсатора конической формы позволяет существенно снизить его максимальную пространственную частоту. Расчёты выполнены на основе использования пакетов прикладных программ «Mathcad» и «Zemax». На начальных этапах сборки асферических составных главных зеркал предложено использовать традиционные лазерноголографические контрольные схемы с неавтоколлимационным ходом лучей в объектной ветви и без обращения волнового фронта в ней. Здесь можно воспользоваться и методами лазерно-голографического «оконтуривания». Практическая значимость. Предложенные в данной работе новые оригинальные идеи, методы и схемные технические решения на основе обращения волнового фронта, осуществляемого отражательным оптическим компенсатором, а также цепочкой (каскадом) таких компенсаторов, открывают реальную возможность оперативного технологического и аттестационного контроля с интерферометрической точностью формы асферических составных главных зеркал любого из известных проектируемых и создаваемых в настоящее время оптических телескопов как наземного, так и космического базирования. В частности, имеется реальнаявозможность обеспечить полномасштабный интерферометрический контроль формы первоначально задуманного академиком Н.С Кардашевым асферического составного главного зеркала «Миллиметрон» диаметром 12 м. Однако особую значимость, безусловно, имеет реализация этих возможностей в условиях космического базирования телескопа.

Ключевые слова:

зеркальный оптический телескоп, составное крупноформатное зеркало, интерферометрический контроль формы, квазиавтоколлимация, обращение волнового фронта, соосные синтезированные голограммы, амплитудный голограммный компенсатор, подложка с конической рабочей поверхностью, зеркальный асферический автоколлимационный компенсатор, цепочка отражательных оптических компенсаторов

Коды OCIS: 110.6770, 350.1260, 230.4040, 220.1250, 220.4610, 220.1140, 220.4840, 090.2880, 090.2890

Список источников:

1. Электронный ресурс URL: http://millimetron.ru (Астрокосмический центр ФИАН. Космическая обсерватория «Миллиметрон»).
2. Электронный ресурс URL: https://www.jwst.nasa.gov (Космический телескоп «James Webb Space Telescope»).
3. Электронный ресурс URL: http://www.elt.eso.org (Телескоп «Extremely Large Telescope»).
4. Электронный ресурс URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg (Сравнение диаметров главных зеркал основных крупноформатных телескопов по состоянию на март 2021 г.).
5. Бронштейн Ю.Л. Крупногабаритные зеркальные системы (контроль геометрии, юстировка). М.: ДПК Пресс, 2015. 600 с.
6. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф., Пышнов В.Н. О возможностях лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки составного главного зеркала телескопа на примере космической обсерватории «Миллиметрон» // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 12. С. 45–49. Lukin A.V., Mel’nikov A.N., Skochilov A.F., Pyshnov V.N. Possibilities of laser-holographic monitoring of assembly and alignment of a segmented primary telescope mirror using the Millimetron space observatory as an example // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. No. 12. P. 828–832. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000828
7. Устинов Н.Д., Васильев А.С., Высоцкий Ю.П., Гутников Б.Я., Духопел И.И., Евдокимов Е.Б., Крюков В.И., Путиловский М.Ю., Рябова Н.В., Стешенко Н.В., Сычев В.В., Тарасов Г.П., Чемоданов Б.К. Астрономический телескоп АСТ-1200 с составным главным зеркалом // Оптико-механическая промышленность. 1985. № 11. С. 22–25.
8. Канев Ф.Ю., Лукин В.П. Адаптивная оптика. Численные и экспериментальные исследования. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. 250 с.
9. Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А. Способ юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем // Патент РФ № 2375676. 2009.
10. Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А. Юстировка двухзеркальных центрированных оптических систем с использованием синтезированных голограммных оптических элементов // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 6. С. 14–18. Ivanov V.P., Larionov N.P., Lukin A.V., Nyushkin A.A. Adjustment of two-mirror centered optical systems using synthesized holographic optical elements // Journal of Optical Technology. 2010. V. 77. No. 6. P. 362–365. https://doi.org/ 10.1364/JOT.77.000362
11. Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф., Ураскин А.М., Чугунов Ю.П. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 3. С. 56–64. Baloev V.A., Ivanov V.P., Larionov N.P., Lukin A.V., Mel’nikov A.N., Skochilov A.F., Uraskin A.M., Chugunov Yu.P. A precise method of monitoring the alignment of two-mirror telescopes, based on a system of synthesized annular holograms // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. No. 3. P. 167–173. https://doi.org/ 10.1364/JOT.79.000167
12. Лукин А.В. Голограммные оптические элементы // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 80–87. Lukin A.V. Holographic optical elements // Journal of Optical Technology. 2007. V. 74. No. 1. P. 65–70. https://doi.org/ 10.1364/JOT.74.000065
13. Obraztsov V.S., Ageichik A.A., Larionov N.P., Lebedev O.A., Lukin A.V., Solk S.V. Alignment of Cassegrain telescope with Epps-Shulte focus // Proceedings of ISMTII. 2009. V. 3. P. 233–237.

14. Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф., Ураскин А.М., Чугунов Ю.П. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы // Патент РФ № 2467286. 2012.
15. Golubev E.S., Kotsur E.K., Arkhipov M.Yu., Smirnov A.V., Lyakhovec A.O., Pyshnov V.N. Primary mirror panels of the Millimetron space observatory // Proceedings of SPIE. 2020. V. 11451. P. 114510K-1–114510K-13. https://doi.org/10.1117/12.2562838
16. Белозёров А.Ф., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мельников А.Н. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Ч. 1 // Фотоника. 2014. № 4 (46). С. 12–32.
17. Электронный ресурс URL: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/ main/index.html (Оптический орбитальный телескоп «Hubble Space Telescope»).
18. Городецкий А.А., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С. Голографический контроль выпуклых поверхностей на основе обращения волнового фронта // Оптико-механическая промышленность. 1983. № 12. С. 53–54.
19. Лукин А.В. Волновой фронт: некоторые вопросы его восстановления и формообразования в голографии и дифракционной оптике // Фотоника. 2019. Т. 13. № 5. С. 462–467. http://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.5.462.467 Lukin A.V. Wavefront: some issues related to its reconstruction and shaping in holography and diffraction optics // Photonics Russia. 2019. V. 13. No. 5. P. 462–467. http://doi.org/ 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.5.462.467
20. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. Осевой синтезированный голограммный оптический элемент // Патент РФ № 2766855. 2022.
21. Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф. Голографическое устройство для контроля формы асферических оптических поверхностей // Патент РФ № 211189. 2022.
22. Лукин А.В., Рафиков Р.А., Топоркова И.А. Расчет допусков и оптимизация голографических схем контроля асферических поверхностей // Оптико-механическая промышленность. 1981. № 7. С. 33–35.
23. Лукин А.В. К вопросу о когерентных свойствах лазерных источников в интерферометрии и голографии // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 3. С. 91–96. Lukin A.V. The coherent properties of laser sources in interferometry and holography // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. No. 3. P. 194–197. https://doi.org/ 10.1364/JOT.79.000194
24. Оптический производственный контроль / Под ред. Малакары Д. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.