Лазерные контрольные каналы с дифракционными оптическими элементами для юстировки оптических систем

Босый О.Н., Егоров М.С., Меснянкин Е.П., Потапов С.Л., Потапова Н.И., Юшкевич М.В.

Ссылка для цитирования:

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

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Лазерный канал контроля юстировки бортовой оптической системы с использованием ифракционных оптических элементов. Цель работы. Разработка лазерного канала автоматизированного контроля децентрировки и угловой разъюстировки оптической системы с использованием дифракционных оптических элементов, изготовленных методом лазерной абляции. Методы. Разработка схемы контроля и методики измерения расфокусировки и угловой разъюстировки оптической системы с использованием дифракционных оптических элементов, а также разработка методики создания дифракционных оптических элементов методом лазерной абляции и ее реализация при изготовлении дифракционных элементов для контрольных каналов, экспериментальная апробация лазерного контрольного канала на макете оптической системы. Основные результаты. Разработаны и изготовлены опытные образцы контрольных дифракционных элементов, созданных методом лазерной абляции. Изготовлен макет канала автоматизированного контроля децентрировки и угловой разъюстировки оптической системы, использующий дифракционные элементы в качестве контрольных. Совокупность предложенных решений позволяет создавать контрольные каналы оптико-электронных приборов, вносящие минимальные потери на длине волны рабочего излучения и при этом обеспечивающие контроль угловых разъюстировок и расфокусировок оптической системы с точностями, которых требует ее функциональное назначение. Практическая значимость. Предложенный контрольный канал с применением дифракционных оптических элементов, создаваемых методом лазерной абляции, предназначается для использования в бортовой космической аппаратуре в составе системы автоматической юстировки оптической системы, а также может найти применение в лабораторных условиях для определения взаимного положения элементов объективов при их производстве и настройке. Достоинством предложенного контрольного канала является то, что дифракционные элементы не вносят помех в основной пучок излучения, проходящий через оптическую систему. Результаты проведенного исследования развивают и дополняют существующие средства и методы контроля оптико-электронных систем.

Ключевые слова:

дифракционные оптические элементы, метод лазерной абляции, контрольный канал, юстировка, оптическая система

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

Список источников:

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