آینه کروی نوری: اصل کار، مشخصات و کاربردها

نتیجه گیری مستقیم: نقش اساسی و محدودیت های ذاتی

یک آینه کروی نوری اساسی ترین عنصر بازتابنده است که دارای سطحی است که بخشی از یک کره را تشکیل می دهد. مزیت اصلی آن در این است ساخت مقرون به صرفه و آزمایش تداخل سنجی ساده ، آن را به انتخاب پیش فرض برای کاربردهای مختلف از تلسکوپ های نجومی تا تحویل پرتو لیزر تبدیل می کند. مبادله فوری انحراف کروی است: پرتوهای خارج از محور یا غیرپاراکسیال به یک نقطه همگرا نمی شوند و باعث تار شدن تصویر می شوند مگر اینکه آینه با نسبت کانونی بالایی کار کند یا با اپتیک اصلاحی ترکیب شود. برای سیستم‌هایی که می‌توانند این انحراف ذاتی را تحمل کنند یا از پرتوی آهسته استفاده کنند، یک آینه کروی عملکردی قابل اعتماد و محدود از پراش را بدون پیچیدگی سطوح غیر کروی ارائه می‌دهد.

هندسه سطح و منشأ انحراف کروی

یک آینه کروی با یک پارامتر مشخص می شود: شعاع انحنا. پرتوهای موازی که به یک سطح کروی مقعر نزدیک محور نوری برخورد می کنند تقریباً در نیمی از آن شعاع، یعنی نقطه کانونی پاراکسیال متمرکز می شوند. با این حال، پرتوهایی که از محور دورتر می‌رسند، محور را در فواصل کوتاه‌تر قطع می‌کنند. انحراف کروی طولی با دیافراگم به سرعت رشد می کند. برای آینه ای با فاصله کانونی f و قطر D، قطر تاری زاویه ای ناشی از مقیاس های انحراف کروی با (D/f)^3 . در f/10 انحراف اغلب برای مشاهده بصری ناچیز است، در حالی که در f/4 یک آینه کروی خالص کیفیت تصویر غیرقابل استفاده ایجاد می کند مگر اینکه از صفحه اصلاح کننده اشمیت یا لنز میدانی استفاده شود.

آینه های کروی محدب رفتار معکوس از خود نشان می دهند، نور را واگرا می کنند و تمرکز مجازی ایجاد می کنند. آنها از انحراف کروی آزاد هستند به این معنا که یک تصویر واقعی را تشکیل نمی دهند، اما وقتی به عنوان آینه های ثانویه در تلسکوپ های نوع کاسگرین استفاده می شوند، شکل کروی آنها همچنان خطاهای جبهه موج در سطح سیستم را ایجاد می کند. علامت و بزرگی ثابت مخروطی چیزی است که کره (k=0) را از سهمی (k=-1) متمایز می کند. درک این هندسه توضیح می دهد که چرا یک اولیه کروی ساده برای سیستم هایی در نظر گرفته شده است که در آن وجود دارد هزینه کم بیشتر از نیاز به دیافراگم نسبی بالا است .

مشخصات کلیدی که عملکرد را تعریف می کند

هنگام انتخاب یا تعیین یک آینه کروی، پنج پارامتر نیاز به توجه دارند. آنها به شدت با طول موج، اندازه پرتو و محیط مورد نظر مرتبط هستند.

• دیافراگم شفاف و تحمل قطر: معمولاً برای اپتیک کمتر از 50 میلی متر روی 0.0/-0.1 میلی متر نگه داشته می شود. آینه های تلسکوپ بزرگتر ممکن است تحمل قطر 0.5± میلی متر داشته باشند.
• شعاع انحنا: مقدار اسمی فاصله کانونی را تعیین می کند (f = R/2 برای یک آینه مقعر). تحمل ± 0.5٪ رایج است، اما آینه های حفره لیزری اغلب به 0.1 ±٪ برای حفظ حالت های تشدید کننده پایدار نیاز دارند.
• دقت سطح: در امواج یا حاشیه در 632.8 نانومتر بیان می شود. کیفیت تجاری استاندارد است λ/4 قله به دره (PV)، در حالی که لیزرهای دقیق و سیستم های تصویربرداری نیاز دارند λ/10 یا بهتر . یک آینه λ/20 افت نسبت Strehl را به زیر 0.05 کاهش می دهد.
• زبری سطح: به طور معمول 20 Å RMS یا کمتر برای پوشش‌های نقره‌ای محافظت‌شده با سطح بالا، برای به حداقل رساندن پراکندگی در کاربردهای فرابنفش و مرئی بسیار مهم است.
• گوه و مرکز: تغییر ضخامت لبه باید کمتر از 0.1 میلی متر باشد تا از انحراف پرتو جلوگیری شود. تمرکز با انحراف محور نوری از محور مکانیکی مشخص می شود، که اغلب در داخل نگه داشته می شود. 3 دقیقه قوسی .

تحمل شکل های سطحی و تاثیر آنها

شکل سطحی یک آینه کروی به طور مستقیم بر عملکرد پخش نقطه نظارت می کند. سطح کروی λ/4 PV معیار ریلی را برآورده می‌کند و نسبت Strehl تقریباً 0.80 را ارائه می‌کند. برای سیستم‌های تصویربرداری که کنتراست در آنها بسیار مهم است، مانند رصد سیاره‌ای یا فوتولیتوگرافی، λ/10 PV حداقل عملی است . آزمایش تداخل سنجی با یک کره مرجع، انحرافات مرتبه پایین مانند آستیگماتیسم یا ترفویل را نشان می دهد که می تواند با نصب نامناسب ایجاد شود. جدول زیر نمرات شکل های معمولی و کاربردهای مربوط به آنها را خلاصه می کند.

توجه به این نکته مهم است که تحمل خطای شکل در طول موج های کوتاه تر تنگ تر می شود. یک آینه λ/10 در 633 نانومتر به طور موثر در 300 نانومتر به λ/5 تبدیل می‌شود که به شدت بر عملکرد فرابنفش تأثیر می‌گذارد. بنابراین، دقت سطح را در طول موج عملیاتی واقعی مشخص کنید هر زمان که ممکن است.

پوشش های بازتابی و عملکرد طیفی

یک آینه کروی شیشه ای برهنه تنها حدود 4 درصد نور فرودی را منعکس می کند. استفاده عملی مستلزم پوششی با انعکاس بالا است و انتخاب بین لایه های فلزی و دی الکتریک کارایی، پهنای باند و آستانه آسیب را تعیین می کند.

پوشش های فلزی

• آلومینیوم محافظت شده: بازتاب پهن باند 87-93 درصد در طول 400-700 نانومتر، با پوشش نازک SiO2. میانگین ها R> 90٪ از مرئی تا مادون قرمز نزدیک . مقرون به صرفه برای اپتیک عمومی.
• نقره محافظت شده: ارائه می دهد بازتاب بالای 95% از 500 نانومتر تا دور IR ، اما برای جلوگیری از کدر شدن نیاز به کپسولاسیون دقیق دارد. محبوب در آینه های ثانویه تلسکوپ.
• طلا: بر مادون قرمز بیش از 2 میکرومتر، با بازتابش تسلط دارد بیش از 98٪ بالای 5 میکرومتر . ذاتا بی اثر و اغلب بدون پوشش.

چند لایه دی الکتریک

پشته های دی الکتریک با بازتاب بالا به دست می آورند R > 99.9٪ در یک محدوده طول موج باریک آنها برای ژیروسکوپ های لیزری، آینه های انتهایی حفره ای و تداخل سنج های فوق پایدار ضروری هستند. پشته برای یک زاویه برخورد خاص طراحی شده است. یک پوشش مشخص شده برای 0 درجه زمانی که در 45 درجه استفاده شود، عملکرد خود را کاهش می دهد.

کاربردهای عملی: از تلسکوپ تا حفره لیزری

آینه‌های کروی نوری هر جا که به یک فوکوس ساده و کم انحراف نیاز باشد و دیافراگم آهسته باشد ظاهر می‌شوند. در تلسکوپ اشمیت-کاسگرین، قسمت اولیه کروی با یک صفحه اصلاح کننده نازک جفت می شود که انحراف کروی را لغو می کند و به یک سیستم فشرده f/10 با وضوح میدان کامل اجازه می دهد. بهتر از 1 ثانیه قوسی . در گسترش دهنده های پرتو لیزر، یک آینه کروی مقعر خروجی واگرای یک فیبر تک حالته را با حداقل اعوجاج جبهه موج به هم متصل می کند. بسیاری از طیف‌سنج‌های فروسرخ تبدیل فوریه برای جمع‌آوری و هدایت نور بدون انحراف رنگی به آینه‌های کروی با روکش طلا متکی هستند.

نمونه های قابل توجه دیگر عبارتند از:

1. شبیه سازهای سهمی خارج از محور: یک آینه کروی می تواند به عنوان یک مرجع کالیبراسیون برای آزمایش تداخل سنجی سطوح کروی عمل کند، زمانی که شکل آن به λ/20 شناخته شود.
2. حفره های طیف سنجی حلقه به پایین: تشدید کننده های با ظرافت بالا که توسط دو آینه کروی مقعر با پوشش دی الکتریک تشکیل شده اند بازتاب 99.997٪ ، امکان شناسایی قطعات در تریلیون گاز را فراهم می کند.
3. LiDAR خودرو: آینه های کروی چند ضلعی دوار یک پرتو لیزر 905 نانومتری را در سراسر صحنه اسکن می کنند و از استحکام و هزینه کم آینه بهره می برند.

ملاحظات نصب و تراز

حتی یک آینه کروی نوری با شکل سطح λ/20 می تواند با نصب ضعیف به عملکرد λ/2 تنزل یابد. پایه‌های سینماتیک سه نقطه‌ای استاندارد هستند، اما مکان‌های پشتیبانی و گشتاور باید کنترل شوند. تجزیه و تحلیل اجزای محدود نشان می دهد که بستن یک آینه با قطر 100 میلی متر و ضخامت 10 میلی متر در لبه آن می تواند القا شود آستیگمات بیش از 0.3 حاشیه اگر پیش بارگذاری بیش از 0.5 نیوتن متر باشد. اقدامات توصیه شده عبارتند از:

• از پیچ‌های تنظیمی با نوک نایلون با تنش تماسی کمتر از 10 مگاپاسکال برای جلوگیری از خرد شدن استفاده کنید.
• آینه را طوری جهت دهید که بردار گرانش با صفحه پایه هم تراز شود و افتادگی را به حداقل برسانید.
• برای عملیات برودتی یا خلاء، ضریب انبساط حرارتی بین زیرلایه آینه و پایه را مطابقت دهید. سیلیس ذوب شده همراه با اینوار یا تیتانیوم یک ترکیب ثابت شده است.
• برای چسباندن موقت در طول تراز باید از سیلیکون RTV استفاده شود که در پدهای یکنواخت ضخامت 1 میلی متر استفاده می شود. اپوکسی سفت و سخت می تواند سطح را بیش از 1 موج منحرف کند.

یک آینه کروی که به خوبی نصب شده است، شکل تایید شده تداخل سنجی خود را حفظ می کند، و اطمینان می دهد که سیستم در نسبت Strehl مشخص شده عمل می کند. ترکیبی از مشخصات صحیح سطح، پوشش مناسب و نصب بدون تنش چیزی است که یک کره ساده صیقلی را به یک ابزار نوری دقیق تبدیل می کند.