大直径光学元件 Large diameter optics

2022-11-15 10:52:07 浏览:264

定义

直径例如 100 mm 或更大的光学元件。

对于某些应用,需要特别大的光学元件,例如反射镜,分束器,光学平面和窗口,透镜或衍射光栅。 在许多情况下,它们需要作为定制光学器件制造,因为它们的使用量很少,并且经常受到其他非常特殊的规格的限制。 另一方面,也有一些非常经常需要的元素,例如大型家用镜子和照明透镜,其质量要求相当低,制造也相应简单且便宜。 本文主要关注具有高质量要求的大型对象。

为了安装大型光学元件,通常还需要特别复杂的光机械,以便实现精确定位,同时避免振动和重力引起的弯曲的不利影响。

用于成像目的的大型光学元件

对于高质量光学成像的应用,例如天文望远镜,需要非常大的光学元件,主要原因如下:

  • 成像系统的输入孔径限制了由于衍射而可能的角度分辨率。
  • 大输入孔径还允许人们收集更多的光,这意味着可以以更短的曝光时间和更低的各种噪声源的影响制作非常微弱的物体的图像。

极高的表面精度通常是一个额外的关键要求。

对于此类应用,通常还需要非常高精度的表面形状:表面高程应偏离其理想值远小于一个波长,这对于如此大的元件尤其难以实现。 其中一个挑战是尽量减少重力的影响,例如由于自身重量而导致镜面基板弯曲的影响。 为此,人们需要开发复杂的方法来悬挂这种镜子。

目前使用的最大天文望远镜的主镜直径大于10米;目前正在设计和开发直径甚至超过30米的更大仪器。 如此巨大的镜子通常不能作为单片光学元件制造。 相反,人们越来越多地使用分段镜,通常具有以蜂窝状排列的六边形部分。 制造尺寸有限的管片要容易得多,但需要非常精确地组合它们,因此出现了额外的挑战。 带有分段主镜的超大(≥10米)望远镜的例子是凯克望远镜,南部非洲大型望远镜和加那利岛大望远镜。 这种主镜的支撑结构需要复杂的技术,包括用于控制镜子形状的多个致动器。

激光扩束镜

在某些情况下,激光束需要形成非常大的光束半径 - 例如,为了均匀地照亮大面积,以低光束发散度发送长距离光束,或避免激光引起的损坏或加热问题。

通常,激光产生直径相对较小的光束,并且应用一种合适的扩束器,通常以望远镜的形式出现。 然后,这种设备的输出镜头或反射镜必须相应大。 尺寸和质量要求在很大程度上取决于特定的应用。

用于超短脉冲压缩机的大型光学元件

大型光学器件的一个完全不同的应用领域是具有极高峰值功率的超短脉冲的色散压缩。 在这里,需要非常大的光束横截面来限制峰值强度,从而安全地避免激光引起的损伤。激光引起的空气中的击穿也可能是一个问题。

由于大型设置的明显缺点 - 元件成本高,空间要求等 - 人们通常试图通过最大化峰值强度或通量方面的激光诱导损伤阈值来限制所需光学器件的尺寸。 这意味着光学表面(包括其金属或介电涂层)需要在微观尺度上具有非常高的质量,因为微观缺陷通常会在低得多的通量水平下引发光诱导损伤。 因此,需要采用优化的制造方法,例如用于镀膜制造的精细抛光技术和复杂的磁控管或离子束溅射技术。 在仔细制造之后,必须对激光诱导损伤阈值(LIDT)进行标准化测量。

该应用领域通常需要大型光学元件是反射镜,包括色散反射镜和衍射光栅。

大型干涉反射镜

有大型干涉仪,例如用于探测引力波,我们还需要相对较大的镜子。 在这里,峰值强度实际上并不高,因为人们正在处理连续辐射,而不是低占空比脉冲。 然而,平均光功率非常大,另一个原因是较小直径光束的光束发散过多。

除了高光学质量外,还需要尽量减少镜面的热振动。 虽然在低温下操作已经大大缓解了这个问题,但一个有趣的附加措施是使用晶体反射镜,即由晶体半导体材料制成的反射涂层的反射镜。 由于这些材料的机械损耗减少,热波动更集中在噪声频率的某些狭窄区域,并且在其他频率下实现了非常低的噪声。

菲涅尔透镜

在各种应用中,需要相对较大的镜头,但质量要求相当适中。 例如高架投影仪和(规模更大的)灯塔。 在这里,人们经常使用菲涅耳透镜,它可以很容易地生产成大尺寸 - 如有必要,通过组合多个段。

光学计量

高精度光学计量对于具有严格规格的大型光学元件通常尤为重要。 另一方面,精确表征大型光学元件和系统也特别具有挑战性。 除了制造挑战之外,制造商还需要找到合适的光学表征解决方案,因为没有这些解决方案,他们就无法证明自己有能力满足规格。

一种常用的方法是激光干涉测量 - 不仅用于精确测量表面形状,还用于检测振动。 通过动态干涉测量,不仅可以检测振动,还可以确定表面的平均位置,从而有效地消除振动对测量结果的影响。 大大简化了光学特性,允许在实现最终的低噪声安装之前执行该特性。 此外,用于安装的光机械的性能也可以用该技术进行评估。

在制造后仅表征一次这些元素通常是不够的。 此外,还需要至少偶尔在应用位置进行,例如在望远镜中,甚至在操作过程中永久完成。 这意味着计量设备必须内置到最终设备中。

基础光学

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