Лазерный мир

А.Лукин, А.Мельников, А.Скочилов // Фотоника, 5, 2016, с: 44-48, DOI:10.22184/1993-7296.2016.59.5.44.48

Космическая обсерватория миллиметрового и ИК-диапазонов длин волн с криогенным телескопом диаметром 10 м «Миллиметрон» («Спектр-М») планируется к запуску после 2019 года. Рабочий диапазон телескопа от 20 мкм до 17 мм. Разрабатывается технология производства его элементов. В статье предложено контролировать форму выпуклой гиперболической поверхности зеркала контррефлектора телескопа «Миллиметрон» в цеховых условиях в процессе формообразования и при криогенных температурах в схеме неравноплечевого лазерного интерферометра типа Тваймана-Грина и использовать в качестве оптического компенсатора синтезированную голограмму, выполненную на плоско-выпуклой подложке из церодура.

Выполнение международного проекта по созданию космической обсерватории «Миллиметрон» (проект «Спектр-М») начатого по инициативе Астрокосмического центра Физического института им. П.H.Лебедева Российской академии наук, проходит под научным руководством академика РАН Николая Семеновича Кардашева [1, 2]. На рис.1 представлены общий вид этой космической обсерватории (рис.1а) и принципиальная оптическая схема взаимоположения главного параболического зеркала и гиперболического зеркала контррефлектора (рис.1b).
Основные геометрические характеристики зеркала контррефлектора:
• световой диаметр – 542,13 мм;
• форма отражающей поверхности – выпуклый гиперболоид;
• уравнение образующей отражающей поверхности – у2 = 509,4674 z + 0,147452 z2.
Основные геометрические характеристики составного главного зеркала:
• световой диаметр – 10 м;
• форма отражающей поверхности – параболоид;
• уравнение образующей отражающей поверхности – у2 = 9 600 z. Важнейшей особенностью работы телескопа этой обсерватории являются криогенные условия (~4К). Это чрезвычайно усложняет как процесс формообразования и контроля рабочих поверхностей зеркал телескопа, так и процесс их аттестации в камерах, имитирующих космические условия по температуре и вакууму. Поэтому при проектировании и изготовлении рабочих поверхностей зеркал необходимо вводить поправки, компенсирующие изменение их формы при переходе от нормальной температуры (цеховых условий формообразования) к эксплуатационным криогенным температурам. Последующим важным этапом должна быть экспериментальная проверка корректности введенных поправок.
Ниже предлагается возможный вариант решения этой проблемы в отношении зеркала контррефлектора на основе использования синтезированной голограммы, выполненной на плоской поверхности плоско-выпуклой подложки из церодура, в качестве оптического компенсатора в схеме неравноплечевого лазерного интерферометра типа Тваймана-Грина [3], представленного на рис.2.
Следует отметить, что эта контрольная схема может быть использована как в производственных условиях для технологического контроля рабочей поверхности зеркала контррефлектора в процессе ее формообразования, так и для аттестационного контроля этой поверхности в условиях, имитирующих космические по температуре и вакууму.
В этом техническом решении реализуются уникальные свойства церодура – чрезвычайно низкие значения его температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и оптимизация зависимости ТКЛР от температуры [4, 5]. Зависимость ТКЛР церодура от температуры такова, что можно подобрать конкретную его модификацию со значениями ТКЛР, близкими для двух диапазонов температур – в окрестности 4К и 295К. При этом негативные свойства церодура – низкие теплопроводность, модуль упругости, жесткость, коэффициент Максутова [6] – не имеют в данном случае существенного значения.
Разработчики оптической системы обсерватории «Миллиметрон» в качестве материала для зеркала контррефлектора отдают предпочтение карбиду кремния, так как по коэффициенту Максутова он существенно превосходит все другие материалы, применяемые в космическом телескопостроении, в том числе и церодур.
Выбранный вариант контрольной схемы (см. рис.2) имеет следующие параметры:
• длина волны лазерного источника света λ = 632,8 нм;
• расстояние от «точечного» источника излучения (плоскость диафрагмы 5) до осевой синтезированной голограммы 6 ~3 000 мм;
• параметры осевой синтезированной голограммы 6:
• подложка – плоско-выпуклая;
• материал – церодур (возможен астроситалл);
• световой диаметр 980 мм;
• радиус кривизны выпуклой поверхности 1 300 мм;
• дифракционная структура наносится на плоскую поверхность;
• максимальная пространственная частота νмax = 850 мм–1.
Опыт показывает, что эту контрольную схему целесообразно реализовать в интерферометре с вертикальной ориентацией интерферирующих лучей.
При проведении аттестационного контроля рабочей поверхности зеркала контррефлектора в термобарокамере, имитирующей космические условия, целесообразно разместить в этой камере лишь синтезированную голограмму 6 и контролируемое зеркало контррефлектора 7; все остальные элементы интерферометра располагаются вне камеры.
В настоящее время в АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики» имеется круговая делительная машина типа МДГ, обеспечивающая изготовление осевых синтезированных голограмм диаметром до 600 мм, и прорабатываются возможные технические решения доведения предельного диаметра осевых синтезированных голограмм до 1 000 мм, в том числе и создание новой круговой делительной машины.
Следует отметить, что создание такой круговой делительной машины актуально и с точки зрения необходимости решения другой важной проблемы телескопостроения – прецизионного лазерно-голографического контроля процесса юстировки двухзеркальных телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена [7, 8].
Разумеется, практической реализации предложенного технического решения должны предшествовать натурные исследования на моделях зеркала контррефлектора диаметром до 200 мм с использованием имеющихся в АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики» технологического оборудования и лазерно-голографической измерительной аппаратуры. Это позволит учесть изменение оптических параметров фактически используемых модификаций материалов (церодура и карбида кремния) при переходе от нормальных температур к криогенной и, тем самым, обеспечить заданную интерферометрическую точность контроля формы рабочей поверхности штатного образца зеркала контррефлектора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электронный ресурс http://millimetron.ru.
2. Электронный ресурс http://www.photonics.su/journal/2015/1. Самое большое зеркало-рефлектор в мире. – Фотоника, 2015, № 1 (49), с.111.
3. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1976.
4. Jedamzik R., Westerhoff T. ZERODUR® TAILORED for Cryogenic Application (Schott AG). – Advanced Optics, D-55122 Mainz.
5. Westerhoff T., Jedamzik R., Hartmann P. Zero Expansion Glass Ceramic ZERODUR Roadmap for Advanced Lithography. – Proc. SPIE, 2013, v. 8683.
6. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. – М.: Наука, 1984.
7. Патент № 2467286 РФ. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы./Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мельников А.Н. и др. от 20.11.2012. (Бюл. изобр., 2012, № 32. МКИ G 01 B 11/27).
8. Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мельников А.Н. и др. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм. – Оптический журнал, 2012, т. 79, № 3, с. 56–64.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/5/article_5650_804.pdf