CC BY
23
УДК 681.787.7
ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОДЕФОРМАЦИЙ ЗЕРКАЛА КОНТРРЕФЛЕКТОРА ТЕЛЕСКОПА «МИЛЛИМЕТРОН» В УСЛОВИЯХ ТЕРМОБАРОКАМЕРЫ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ АСФЕРО-ГОЛОГРАММНОГО ПРОБНОГО СТЕКЛА ИЗ ЦЕРОДУРА
Анатолий Васильевич Лукин
Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики», 420075, Россия, г. Казань, ул. Н. Липатова, 2, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (843)294-87-61, e-mail: [email protected]
Андрей Николаевич Мельников
Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики», 420075, Россия, г. Казань, ул. Н. Липатова, 2, кандидат технических наук, доцент, начальник отдела, тел. (843)294-87-60, e-mail: [email protected]
Александр Фридрихович Скочилов
Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики», 420075, Россия, г. Казань, ул. Н. Липатова, 2, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (843)294-87-59, e-mail: [email protected]
Предложена оптическая схема интерферометра на основе применения асферо-голограммного пробного стекла из церодура. Интерферометр предназначен для исследования термодеформаций рабочей выпуклой гиперболической поверхности зеркала контррефлектора космического телескопа «Миллиметрон» в условиях термобарокамеры при криогенных температурах. Обсуждены возможности практической реализации этого технического решения.
Ключевые слова: интерферометр, асферическое пробное стекло, церодур, синтезированная голограмма, зеркало контррефлектора, телескоп, «Миллиметрон», термобарокамера.
INTERFEROMETRIC STUDY'S FEATURES OF THERMAL DEFORMATION OF «MILLIMETRON» TELESCOPE'S CONVERGENT MIRROR USING THE ASPHERIC AND HOLOGRAPHIC TEST GLASS MADE OF ZERODUR UNDER THERMAL VACUUM CHAMBER
Anatoly V. Lukin
Joint Stock Company «Scientific and Production Association «State Institute of Applied Optics», 420075, Russia, Kazan, 2 N. Lipatov St., D. Sc., Professor, Chief Researcher, tel. (843)294-87-61, e-mail: [email protected]
Andrey N. Melnikov
Joint Stock Company «Scientific and Production Association «State Institute of Applied Optics», 420075, Russia, Kazan, 2 N. Lipatov St., Ph. D., associate Professor, Head of Department, tel. (843)294-87-60, e-mail: [email protected]
Alexander F. Skochilov
Joint Stock Company «Scientific and Production Association «State Institute of Applied Optics», 420075, Russia, Kazan, 2 N. Lipatov St., Ph. D., leading researcher, tel. (843)294-87-59, e-mail: [email protected]
The optical layout of interferometer on basis of the aspheric and holographic test glass made of Zerodur is proposed. The interferometer is designed to study the thermal deformations of operating convex hyperbolic surface of "Millimetron" space telescope's convergent mirror in a thermal vacuum chamber at cryogenic temperatures. The possibilities of practical realization of this technical solution are discussed.
Key words: interferometer, aspheric test glass, Zerodur, computer-generated hologram, convergent mirror, telescope, "Millimetron", thermal vacuum chamber.
Особенность конструкции телескопа «Миллиметрон» космического базирования состоит в том, что его зеркало контррефлектора является монолитным и жестким, поэтому активная коррекция его рабочей выпуклой гиперболической поверхности в криогенных условиях чрезвычайно затруднена в отличие от его главного параболического составного зеркала [1, 2]. Кроме того, разработчики телескопа «Миллиметрон» при выборе материала зеркала контррефлектора отдают предпочтение карбиду кремния, как имеющему наиболее высокое значение коэффициента Максутова [3].
Следовательно, при изготовлении зеркала контррефлектора в нормальных (цеховых) условиях необходимо придать такую форму его рабочей поверхности, которая при охлаждении до штатной криогенной температуры (~ 4° К) приобрела бы заданную гиперболическую форму. В связи с этим на первых этапах работы требуется выявить закономерности и воспроизводимость изменения формы рабочей поверхности (термодеформации) зеркала контррефлектора при изменении температуры в интервале от ~ 300° до ~ 4° К.
Работа должна включать как численное, так и физическое моделирование. Целесообразно физическое моделирование как комплексную работу выполнить на уменьшенных моделях зеркала контррефлектора.
Важнейшей проблемой в данном случае является сложность обеспечения точного и объективного контроля изменения формы зеркала контррефлектора из карбида кремния, вызванного термодеформациями в процессе охлаждения в термобарокамере, имитирующей космические условия.
Для решения данной проблемы предлагается применить интерферометр на основе использования асферического пробного стекла с вогнутой рабочей гиперболической поверхностью. На рис. 1 представлена принципиальная оптическая схема этого интерферометра. Интерферометр такого типа обладает, как известно (см., например: [4]), чрезвычайно высокой помехоустойчивостью к внешним механическим воздействиям и низкой чувствительностью к дефектам оптических элементов, а выполнение пробного стекла из оптического материала «церодур» [5] обеспечит повышенную устойчивость формы рабочей поверхности пробного стекла к температурным изменениям в указанном выше температурном диапазоне. В качестве осветительного объектива предлагается применить осевую синтезированную голограмму, кольцевая микроструктура которой выполняется непосредственно на задней поверхности подложки пробного стекла (сферической или плоской); это делает интерферометр еще более помехоустойчивым и компактным.
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема интерферометра для исследования термодеформаций зеркала контррефлектора:
1 - лазер; 2 - расширитель лазерного пучка; 3 - поворотное зеркало; 4 - рассеива-тель; 5, 10 - иллюминаторы термобарокамеры; 6 - светоделитель; 7 - рельефно-фазовая структура осевой синтезированной голограммы-осветителя; 8 - асферо-голограмное пробное стекло из церодура (световой диаметр ~ 580 мм); 9 - выпуклое гиперболическое зеркало контррефлектора космического телескопа «Милли-метрон» облегченной конструкции из карбида кремния (световой диаметр 542 мм); 11 - сопрягающий объектив; 12 - пространственный фильтр; 13 - телевизионная камера; 14 - персональный компьютер; 15 - термостабилизированное основание; 16 - термобарокамера, имитирующая космические условия
На рис. 2 приведены графики частотной характеристики осевой синтезированной голограммы-осветителя для случая выпуклой сферической (радиус кривизны 275 мм) задней поверхности пробного стекла в зависимости от изменения расстояния d (в мм) от «точечного» источника излучения до голограммы-осветителя 7. Особо следует отметить, что для такого типа интерферометра характерны весьма умеренные требования к оптическому качеству его формирующей оптики, включая в данном случае и осевую синтезированную голограмму-осветитель.
Рис. 2. Графики частотной характеристики осевой синтезированной
голограммы-осветителя: Я - радиус голограммы, V- пространственная частота
Вогнутую гиперболическую поверхность этого асферо-голограммного пробного стекла предлагается контролировать в автоколлимационной схеме неравноплечевого интерферометра типа Тваймана - Грина [6] с использованием инфракрасного лазерного источника излучения на рабочей длине волны Ар = 10,6 мкм и осевой синтезированной голограммы в качестве оптического компенсатора (нуль-корректора) [7]. Фотоприемное устройство построено на основе неохлаждаемого микроболометрического модуля с пространственным разрешением 640x480 пикселей (см., например: [8]).
Расчетные параметры осевой синтезированной голограммы-компенсатора:
- световой диаметр, мм..........................................................................312;
- наибольшая пространственная частота, мм-1.....................................31;
- погрешность формирования волнового фронта, Ар.......не более 1/200
На рис. 3 в качестве иллюстрации представлена интерферограмма, зарегистрированная в макете интерферометра, собранного по принципиальной оптической схеме рис. 1, которая подтверждает работоспособность предложенного технического решения.
В качестве деталей поз. 8 и 9 применялись оптические элементы диаметром 60 мм со сферическими поверхностями; радиус кривизны выпуклой сферической поверхности 250,008 мм, вогнутой - на ~200 мкм больше; в качестве голограммы поз. 7 использовалась зонная пластинка с фокусным расстоянием 180 мм.
Рис. 3. Интерферограмма,
зарегистрированная в макете интерферометра по схеме рис. 1 (на длине волны 632,8 нм)
Таким образом, предложенный интерферометр на основе асферо-голограммного пробного стекла из церодура открывает возможность выполнения экспериментально обоснованных количественных исследований термодеформаций зеркала контррефлектора из карбида кремния в условиях термобарокамеры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сайт Астрокосмического центра ФИАН, г. Москва [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://millimetron.ru.
2. Лукин А. В., Мельников А. Н., Скочилов А. Ф. Контроль зеркала контррефлектора телескопа «Миллиметрон» на основе использования синтезированной голограммы // Фотоника. - 2016. - № 5. - С. 44-48.
3. Максутов Д. Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. - М. : Наука, 1984. - 272 c.
4. Изготовление и контроль асферической оптики / О. Г. Карлин, В. Г. Кукс, Л. Е. Ли-повецкий, А. В. Лукин, К. С. Мустафин, А. З. Хабиров, А. Г. Хуснутдинов. - М. : ЦНИИ информации, 1980. - 272 с.
5. Hartmann P. SCHOTT - Ultra low expansion glass ceramic ZERODUR®: Improvements in properties, understanding and production (Advanced Optics). - Mainz : SCHOTT AG, 2015. -94 p.
6. Коломийцов Ю. В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1976. - 296 с.
7. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Ч. I / А. Ф. Белозёров, Н. П. Ларионов, А. В. Лукин, А. Н. Мельников // Фотоника. - 2014. - № 4. - С. 12-32.
8. Сайт (каталог продукции ОКБ «АСТРОН», г. Лыткарино, Московская обл.) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://astrohn.ru/files/Catalogue_Detector.pdf.
© А. В. Лукин, А. Н. Мельников, А. Ф. Скочилов, 2017
