Применение аксиконов в датчиках волнового фронта. Статья Edmund Optics
Аксиконы преобразуют падающие плоские волны в приближенные пучки Бесселя. Круговой профиль пучка аксикона обеспечивает возможности, которые позволяют линзам использоваться в областях хирургии роговицы и оптического захвата. Уникальные особенности аксиконов также позволяют использовать их как датчики волнового фронта. Аксиконы фокусируют свет вдоль оптической оси, и положение смещается, если в пучок вносятся аберрации. Это создает вариации в распределении интенсивности, измеряемой датчиком изображения. Кроме того, центр линзы аксикона, вершина, также рассеивает часть падающего света. Сфокусированный свет и рассеянный свет могут мешать друг другу, создавая собственную интерферограмму. Датчик волнового фронта на основе аксикона может измерять аберрации низких порядков, без необходимости в отдельной оптической цепи волнового фронта. Датчики волнового фронта на основе аксиконов предлагают недорогой, быстрый и компактный метод обнаружения небольших аберраций в пучке лучей.
В 1954 году Джон МакЛеод сообщил о своей работе по разработке нового типа оптического элемента – аксикона. Аксикон – это фигура вращения, обладающая таким свойством, что объект точечного источника на оси вращения отображается в виде линии вдоль оптической оси. В оригинальной статье МакЛеода описывалось несколько реализаций аксикона, включая отражающие полые цилиндры, цилиндрически симметричные тороидальные поверхности и даже тонкое круглое окно в непрозрачном диске. МакЛеод также описал одну конкретную форму, которая в настоящее время определяет аксикон – конус.
Схема работы аксикона
Одно из свойств конусообразного аксикона, в дальнейшем называемого аксиконом, состоит в том, что он принимает плоскую волну или гауссов пучок и создает кольцевой пучок на выходе. Толщина кольца зависит от начального диаметра пучка, а диаметр зависит от угла при вершине конуса и расстояния от аксикона. Этот кольцеобразный профиль точно соответствует недифракционному бесселевому лучу, который дает применение аксикону в множестве разнообразных приложений. Одним из них является использование аксикона для датчика волнового фронта (WFS) с адаптивной оптикой (АО).
Адаптивная оптика – это технология, которая позволяет зеркалу изменять свою форму и компенсировать аберрации пучка. Компенсация может улучшить визуализацию и доставку пучка во всех приложениях, от офтальмологических инструментов до лазерной сварки. Самый эффективный способ компенсации аберраций – быстрое и точное измерение этих аберраций. Вот где пригодятся датчики волнового фронта. Используются несколько различных типов датчиков волнового фронта, каждый из которых имеет характеристики, которые подходят для конкретного применения. Однако идеального датчика волнового фронта не существует, поэтому всегда есть место для нового подхода.
Один из этих новых подходов основан на дизайне аксикона 70-летней давности. Диаграмма интенсивности пучка аксикона изменяется с аберрациями пучка, но это подходит только для измерения больших аберраций низкого порядка. Более новый подход состоит в том, чтобы использовать рассеяние от вершины аксикона в качестве точечного источника и рекомбинировать этот рассеянный пучок основным проходящим пучком. Этот подход сочетает в себе скорость получения одного изображения с точностью интерферометрии.
Введение к аксиконам
Точно так же, как первые исследования рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном включали почти все то, что было известно о них в течение следующих ста лет, описание Джона МакЛеода своего изобретения аксикона сейчас столь же исчерпывающее, как и когда оно было написано – семьдесят лет назад. В его статье описываются различные осесимметричные конструкции, которые фокусируют свет не на перпендикулярной фокальной плоскости, а на линии прямо на оптической оси. Хотя МакЛеод описывает моделирование и измерения для нескольких конструкций, он восклицает о конусе:
«Простой конус… может быть самой подходящей формой аксикона. Он несколько проще в изготовлении, чем другие формы, а его диапазон и освещенность практичны».
Его оптимизм был вполне обоснованным. Конструкция диффузора концептуально и практически достаточно проста. По сути, это форма трапеции с двумя смежными прямыми углами, то есть прямоугольник, у которого один угол немного выдвинут. Стекло с таким профилем будет отклонять пучок, падающий на плоскую сторону, в сторону более толстой части оптики. Если эту форму повернуть вокруг толстого конца, получится конус. Конус, будучи концептуально похожим на многие призмы с разными углами вращения, будет изгибать падающий свет к оптической оси. Свет, падающий на заданном расстоянии от центра, будет фокусироваться в определенном месте на оптической оси.
Это является следствием того факта, что аксикон отклоняет свет, падающий перпендикулярно своей плоской поверхности, на угол, связанный с его показателем преломления и углом при вершине. Свет, падающий по определенному радиусу из центра аксикона, преломляется под одним и тем же углом, так что часть падающего света распространяется как параллельный пучок, пересекающий оптическую ось. Расстояние от центра аксикона до края пучка определяет толщину пучка. Аксиконы определяются путем взятия этого поперечного сечения и его вращения вокруг центральной поверхности, поэтому угловое отклонение одинаковой величины вводится вдоль каждого радиуса аксикона. В результате получается полый круг, толщина которого не меняется по мере распространения. Например, если в центр аксикона падает коллимированный пучок лучей диаметром 6 мм, результирующее кольцо будет иметь ширину, равную половине диаметра пучка, или в данном случае 3 мм. Толщина 3 мм будет сохраняться даже при увеличении общего диаметра кольца с увеличением расстояния распространения.
Системы на основе аксикона обычно используются для создания кольцевых пучков для лазерной обработки материалов или лазерной хирургии. Они также находят применение в системах оптического захвата, где кольцевой профиль ограничивает частицы в центральной темной области. Аксиконы обычно используются для измерения и юстировки, исследований и медицинских приложений, требующих кольцевого лазерного излучения, и даже могут использоваться для увеличения глубины резкости в системах визуализации.
Процветание адаптивной оптики
Адаптивная оптика извлекает выгоду из некоторых быстро улучшающихся технологий и снижающихся затрат. Основным активным элементом в системе АО является деформируемое зеркало (ДМ). ДМ состоят из тонкой непрерывной отражающей мембраны или множества сегментированных отражающих поверхностей. Отражающие поверхности расположены на подвижном механизме. При перемещении механизмов зеркало меняет профиль своей поверхности. В прошлом ДМ были большими и требовали установки высоковольтного оборудования. Теперь доступен ряд миниатюрных ДМ, таких как MEMS DM производства Iris AO, который имеет 111 исполнительных механизмов, управляющих 37 сегментами зеркала в зеркале диаметром 3.5 мм. Такие зеркала компактны, функциональны, проще в использовании и намного дешевле, чем деформируемые зеркала первого поколения.
Миниатюрные ДМ открыли новый диапазон приложений для АО. В дополнение к оригинальным астрономическим и оборонным приложениям, эти ДМ открывают новые возможности для лазерной сварки, связи в открытом космосе и офтальмологических инструментов. ДМ не работают в одиночку. На приводы должен подаваться соответствующий сигнал для уменьшения аберраций в системе. Наиболее эффективными методами определения соответствующих управляющих напряжений являются датчики волнового фронта.
Датчики волнового фронта
Датчики волнового фронта помещаются в оптическую цепь, подлежащую коррекции. ДВФ снимает часть пучка и измеряет аберрации. Самым распространенным ДВФ является датчик Шака-Хартмана. ДВФ Шака-Хартмана измеряет наклон волнового фронта по набору субапертур. Субапертуры определяются матрицой линз. Когда свет распространяется через эту матрицу, он разбивается на несколько небольших пучков, которые обнаруживаются датчиком изображения. Если падающий свет представляет собой неаберрированную плоскую волну, линзы фокусируют свет в своих нулевых положениях. Когда присутствуют аберрации, положения сфокусированных пучков лучей от каждой субапертуры смещаются на расстояние, пропорциональное среднему наклону в этой субапертуре. Эти наклоны затем обрабатываются для вычисления набора напряжений для привода механизмов.
Интерферометр сдвига – это совершенно особый тип ДВФ. Пластина сдвига создает две копии пучка, пространственно смещенные друг от друга на небольшое отклонение. Неаберрированный пучок создает набор прямых полос. Когда пучок аберрирован, полосы искажаются. Чтобы обеспечить управляющие сигналы для обеих осей, необходимы два интерферометра ортогонального сдвига, и тогда волновой фронт может быть математически реконструирован с высокой точностью.
Еще одна отличная форма ДВФ – пирамидальный датчик. Интерферометр сдвига и ДВФ Шака-Хартмана помещены в коллимированное пространство. Пирамидальный ДВФ состоит из четырехсторонней призмы, размещенной в фокальной плоскости линзы в оптической цепочке. Каждая из четырех граней пирамидального датчика отклоняет часть излучения на детектор. Если пучок неаберрирован, каждая грань будет создавать изображение в одном и том же относительном местоположении и одинаковой формы. Когда вводятся аберрации, симметрия распределения нарушается, и можно рассчитать оценку аберраций низших порядков.
Это не полный каталог датчиков волнового фронта, которые в настоящее время используются в системах AO. Каждая ДВФ имеет определенные преимущества и недостатки, которые подходят для определенного приложения, но количество приложений растет, а идеальный ДВФ еще предстоит разработать. Вот почему продолжается работа по разработке новых датчиков волнового фронта, в том числе инновационного датчика на основе аксикона.
Датчик волнового фронта на основе аксикона
Пирамидальный датчик можно представить как четыре независимых призмы, соединенных вместе своими краями. При размещении в фокальной плоскости системы каждая из четырех призм создает одно изображение на соответствующих детекторах. Различия в этих пятнах указывают на асимметрию в сфокусированном пятне, которая, в свою очередь, может быть связана с аберрациями входящего пучка. Четырех изображений достаточно для генерации поправок низших порядков по двум осям. Что, если, однако, четырехгранную призму заменить шестигранной или десятигранной призмой? Можно было разумно ожидать, что дополнительные изображения предоставят более подробную информацию об асимметрии в сфокусированном пятне.
Аксикон – это, по сути, бесконечное количество призм (обычно), соединенных вместе своими краями. Если пирамидальный датчик измеряет сфокусированный пучок под четырьмя углами проецирования, аксикон измеряет его при всех возможных углах проецирования. Как было видно, полученное изображение представляет собой кольцо постоянной толщины и, на заданном расстоянии от аксикона, постоянного диаметра. Точно так же, как вариации на четырех изображениях датчика пирамиды указывают на аберрации входящего пучка, вариации интенсивности, диаметра или толщины кольца, создаваемого аксиконом, дают представление об аберрациях в системе.
Опять же, так же, как и пирамидальные датчики, вариации интенсивности в аксиконе могут использоваться только для выявления аберраций низших порядков. Конечно, если бы каким-то образом измерить фазу через весь пучок аксикона, то из изображения может быть получена более подробная информация, но для этого потребуется формирование независимого опорного пучка. Это не только увеличило бы стоимость и сложность системы и еще больше уменьшило бы количество фотонов, но и привело бы к более фундаментальной проблеме: откуда взялся бы эталонный пучок лучей?
Такой эталонный пучок должен быть когерентным с исходным измеряемым пучком, но измерительный пучок уже имеет аберрации. Уловка заключалась бы в том, чтобы каким-то образом создать неаберрированную версию входящего пучка, но если бы это было легко, тогда не было бы необходимости в системах AO. Ответ состоит в том, чтобы снять часть пучка и создать точечный дифракционный интерферометр (ТДИ).
Точечный дифракционный интерферометр использует дифракции от точки разрыва, чтобы создать чистый опорный пучок. Идея проста: независимо от того, сколько аберраций в пучке лучей, некоторая крошечная часть сфокусированного пятна будет неаберрированной. Если вы поместите точечное отверстие в центре сфокусированного пятна – маленькое или порядка размера кружка Эйри – дифракция от крошечного отверстия создаст «идеальную» сферическую волну. Затем этот идеальный пучок может быть рекомбинирован с остальной частью исходного входного пучка для создания интерференционной картины, по которой может быть определена фаза исходного пучка.
Исследователи из Университетского колледжа Дублина объединили уникальные характеристики изображения аксикона с концептуальной простотой ТДИ, чтобы создать датчик волнового фронта на основе аксикона. Для того, чтобы еще больше упростить задачу, они использовали тупую вершину аксикона как точку разрыва для создания опорного пучка ТДИ. Исследователи обнаружили, что небольшие аберрации можно количественно оценить по полосам ТДИ, в то время как более крупные аберрации могут быть восстановлены на основе картины интенсивности, создаваемой рефракцией через аксикон.
Для этого приложения необходим аксикон с большим углом при вершине. Дифракция является результатом микроскопической плоскостности самой вершины. То есть вершина аксикона – это не идеальная точка, а плоское пятно в несколько микрон в поперечнике. Дифракция от слегка притупленной вершины формирует опорный пучок ТДИ, который объединяется с остальной частью пучка, проходящего через аксикон.
Схема датчика волнового фронта на основе аксикона
Заключение
Разработка датчика волнового фронта на основе аксикона – отличный пример того, как технологические разработки и рыночные силы объединяются для создания новых приложений. Развитие технологии деформируемых зеркал расширило диапазон приложений, доступных для адаптивной оптики. Инновационная комбинация высококачественных компонентов аксикона и точечного дифракционного интерферометра открыла новые возможности. Повышенная вычислительная мощность позволяет реализовать эту возможность.
По мере того, как адаптивная оптика находит все больше применений, растет и потребность в дополнительных датчиках волнового фронта. Снижение стоимости компонентов и улучшение алгоритмов коррекции создают новые возможности в биологии и медицине, промышленности и производстве, а также в оборонных и гражданских приложениях распространения излучения в атмосфере. Развитие рынка также стало возможным благодаря внедрению новых технологий во всех аспектах системы, включая датчики волнового фронта. Взяв за основу многочисленные применения аксикона, исследователи добавили еще одно приложение: датчик волнового фронта на основе аксикона. Датчик волнового фронта на основе аксикона теперь находится в наборе инструментов инженеров и ученых, стремящихся повысить производительность своих оптических систем.
