بهبود قدرت سیستم های نوری از طریق طراحی اجزا

اگر به آسمان شب نگاه کنید، به خصوص در جایی دور از نورهای شهر، چشمک زدن ستاره ها را خواهید دید. در حالی که در طول زمان الهام بخش شاعران و رمانتیک ها بود، زیبایی آسمان پرستاره شب نیز چالشی برای اخترشناسانی بود که آسمان شب و جهان را مطالعه می کردند. این منجر به توسعه اپتیک تطبیقی ​​شده است که امروزه برای بهبود قدرت سیستم های نوری فراتر از موانع تحمیل شده توسط رسانه نوری استفاده می شود.

اپتیک تطبیقی: از بین بردن اثرات ناخواسته محیط نوری

هنگامی که نور یک جسم نجومی، مانند ستاره، از جو زمین عبور می کند، تلاطم جوی باعث تار شدن و چشمک زدن ( سوسوزن ) تصاویر ستاره می شود. اثر مشابهی زمانی اتفاق می افتد که به یک شی در استخر یا روی آتش نگاه می کنید. وضوح ابزارهای نوری را محدود می کند و کیفیت تصاویر نجومی را بدتر می کند. ستاره شناسان قرن ها با تأثیر این به اصطلاح دیدن نجومی مبارزه کردند. آنها سعی کردند با ساختن رصدخانه های خود روی قله کوه ها و پرتاب تلسکوپ به فضا از آن فرار کنند .

در تلاش برای غلبه بر این مشکلات، اخترشناس آمریکایی هوراس دبلیو. بابکاک ایده پیشگامانه اپتیک تطبیقی ​​را در سال 1953 ارائه کرد. این مفهوم برای اولین بار به طور مستقل هم برای کاربردهای نجومی و هم برای کاربردهای نظامی دنبال شد، اما تا زمان ظهور فناوری کامپیوتری مدرن ادامه یافت. که اپتیک تطبیقی ​​برای کاربردهای وسیع علمی و تجاری امکان پذیر و قابل دسترس شد.

امروزه، اپتیک تطبیقی ​​نه تنها در تلسکوپ های نجومی، بلکه در ارتباطات لیزری نیز استفاده می شود. پردازش مواد لیزری؛ هواشناسی؛ کاربردهای نظامی و امنیتی، مانند نظارت؛ فن آوری زیست پزشکی، مانند چشم پزشکی و علوم بینایی؛ در دستگاه های مصرف کننده برای بهبود کیفیت تصاویر؛ و حتی در بینایی رباتیک.

بر اساس این گزارش، بازار جهانی اپتیک تطبیقی ​​حدود 40 میلیون دلار گردش مالی دارد و انتظار می رود در سال 2022 به حدود 40 میلیارد دلار افزایش یابد .

شماتیک یک سیستم اپتیک تطبیقی. جبهه موج در بالا وارد سیستم می شود. نور ابتدا به آینه نوک شیب (TT) برخورد می کند و سپس به آینه تغییر شکل پذیر (DM) هدایت می شود. جبهه موج تصحیح می شود و بخشی از نور توسط یک شکاف دهنده پرتو (BS) خاموش می شود. جبهه موج توسط یک سنسور جبهه موج (در این مورد Shack-Hartmann) اندازه گیری می شود و سپس سخت افزار کنترل سیگنال های به روز شده را به آینه DM و TT ارسال می کند. دو فیلتر چرخ (FW1 و FW2) فقط در حین کالیبراسیون استفاده می شوند. منبع: Wikimedia Commons این فایل تحت مجوز Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported مجوز دارد .

اصل اساسی ساده اما قدرتمند است. سیستم اپتیک تطبیقی ​​جبهه موج ورودی را با یک سنسور جبهه موج اندازه گیری می کند ، تصحیح را محاسبه می کند و آن را برای تصحیح جبهه موج در زمان واقعی بر روی جزء نوری اعمال می کند. جزء نوری و بخش کلیدی سیستم عمدتا یک آینه تغییر شکل پذیر است که از مجموعه ای از محرک ها متصل به یک سطح نوری تشکیل شده است که با توجه به حرکت محرک ها تغییر شکل می دهد.

آینه‌های تغییر شکل‌پذیر را می‌توان بر اساس روش‌های مختلف فعال‌سازی، مانند روش‌های مغناطیسی، الکترواستاتیک یا پیزوالکتریک استوار کرد. امروزه آینه‌های تغییر شکل‌پذیر سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) متداول‌ترین فناوری مورد استفاده هستند. اخیراً برخی از مفاهیم جدید مانند سیستم‌های میکرو نوری الکترومکانیکی (MOEMS) و آینه‌های فروسیال در حال بررسی هستند.

تصویر ستاره HIC59206 که با تلسکوپ بسیار بزرگ ساخته شده است و با سیستم اپتیک تطبیقی ​​تصحیح شده است. منبع: Wikimedia Commons این فایل تحت مجوز Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported مجوز دارد .

مدل سازی سیستم های اپتیک تطبیقی ​​با نرم افزار شبیه سازی مولتیفیزیک COMSOL

طراحی سیستم های اپتیک تطبیقی، به ویژه آینه های تغییر شکل پذیر با محرک های مختلف MEMS، می تواند از قدرت مدل سازی چندفیزیکی بهره مند شود. پلت فرم نرم افزار شبیه سازی مولتیفیزیک COMSOL ابزار ایده آل برای مدل سازی اجزای کلیدی در چنین سیستم های اپتیک تطبیقی ​​است.

جای تعجب نیست که اپتیک تطبیقی، به‌ویژه کاربرد آن در سیستم‌های نجومی، قبلاً موضوعی برجسته در چندین کنفرانس کاربران ما بوده است. اخترفیزیک مدرن یک علم با فناوری پیشرفته است که از ارتباط قوی بین صنعت و تحقیق برای حل چالش‌های مختلف مهندسی در پروژه‌های علمی بلندپروازانه سود می‌برد.

یکی از این چالش های علمی و مهندسی، توسعه تلسکوپ های پیشرفته بزرگ با قطر آینه از چند متر تا 40 متر است. به عنوان مثال، تلسکوپ سی متری که در حال حاضر در رصدخانه Mauna Kea در هاوایی در حال ساخت است، به لطف سیستم اپتیک تطبیقی ​​خلاقانه خود، عملکرد اپتیکی تقریباً ده برابر بهتر از تلسکوپ فضایی هابل خواهد داشت. تلسکوپ غول‌پیکر دیگری که در شیلی ساخته می‌شود، تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی به طول 39 متر است – یکی از آینه‌ها شامل بیش از 6000 محرک است که شکل آن را هزار بار در ثانیه تغییر می‌دهند!

کاربران تحقیقات خود را در کنفرانس COMSOL به اشتراک گذاشتند

در کنفرانس COMSOL 2012 در میلان، تیمی از دانشمندان از رصدخانه اخترفیزیکی Arcetri و دانشگاه کاسینو و لاتیوم جنوبی در ایتالیا مقاله ای در مورد استفاده از COMSOL Multiphysics برای طراحی یک محرک اپتیک تطبیقی ​​به نام محرک خطی آینه ای تطبیقی ​​با رلوکتانس متغیر (VRALA) ارائه کردند . ) که مبتنی بر مدار مغناطیسی است.

کارکردن آینه تطبیقی ​​برای یک تلسکوپ کلاس ده متری روی طول موج های مرئی مستلزم آن است که آینه باریک تر و سریعتر از طول موج های دیگر باشد. VRALA کاندیدای ایده آل برای محرک ها در آن طول موج ها است. این تیم از نرم افزار شبیه سازی COMSOL در فرآیند طراحی برای مطالعات الکترومغناطیسی، مکانیکی و حرارتی استفاده کردند.

در کنفرانس COMSOL 2013 در روتردام، تیمی از رصدخانه اخترفیزیکی Arcetri و دو شرکت ایتالیایی، ADS International و Microgate، مطالعات خود را بر روی آینه های تغییر شکل پذیر از تلسکوپ بزرگ دوچشمی واقع در آریزونا و تلسکوپ بسیار بزرگ در شیلی ارائه کردند.

هندسه های محرک موجود در سیستم های اپتیک تطبیقی ​​آنها پیچیده است. آینه تغییر شکل پذیر VLT برای مثال دارای 1170 عملگر است. این تیم از COMSOL Multiphysics و LiveLink™ برای MATLAB برای محاسبه به اصطلاح توابع تأثیر که تغییر شکلی را که هر ترکیبی از محرک‌ها ایجاد می‌کند نشان می‌دهد، استفاده کردند.

در کنفرانس اخیر COMSOL 2014 در کمبریج، تیمی از رصدخانه اخترفیزیکی Arcetri بار دیگر ارائه شد. این بار، آنها نشان دادند که چگونه از COMSOL Multiphysics و LiveLink™ برای MATLAB® برای تطبیق توابع تأثیر شبیه‌سازی شده با اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌کنند، بنابراین شبیه‌سازی‌ها را تأیید می‌کنند. می توانید این مقالات را اینجا و اینجا پیدا کنید .

در کنفرانس COMSOL 2014 در بوستون، تیمی از دانشمندان مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا و دو شرکت آمریکایی، Newton Corporation و Iris AO, Inc نشان دادند که چگونه از یک مدل المان محدود توسعه یافته با نرم افزار COMSOL برای انجام مکانیک سازه استفاده کردند . شبیه سازی یک بخش آینه MEMS این بخش آینه‌ای که « آرایه آینه‌های چندگانه» نامیده می‌شود ، به‌عنوان یک جزء کلیدی در ابزاری به نام Visible Nulling Coronagraph استفاده می‌شود که برای تشخیص سیارات فراخورشیدی به اندازه زمین در نظر گرفته شده است. این تیم همچنین از مدل COMSOL Multiphysics برای پیش‌بینی رفتار دینامیکی و تنش‌های بخش هنگام ضربه مکانیکی در طول یک پرواز فضایی استفاده کرد.

نمونه هایی از مدل سازی اجزا و دستگاه های MEMS

ماژول MEMS ابزارهای مدل سازی را برای شبیه سازی کارآمد انواع مختلف اجزا و دستگاه های MEMS، از جمله محرک های MEMS، فراهم می کند.

در چنین وسایلی و در مقیاس‌های کوچک، لازم است کوپلینگ‌هایی از پدیده‌های فیزیکی مختلف مانند برهم‌کنش‌های ساختار الکترومغناطیسی، ساختار حرارتی یا برهمکنش‌های سیال و ساختار در نظر گرفته شود. بنابراین، دستگاه‌های MEMS کاربردهای چندفیزیکی واقعی را نشان می‌دهند.

کنسول فعال الکترواستاتیک

در کتابخانه مدل و گالری مدل آنلاین ما، می‌توانید چندین مدل نمونه COMSOL Multiphysic مربوط به سیستم‌های اپتیک تطبیقی ​​را بیابید.

به عنوان مثال، مدل کنسول فعال الکترواستاتیکی خمش یک تیر کنسول الاستیک را در اثر نیروهای الکترواستاتیک نشان می دهد. رابط الکترومکانیک موجود در ماژول MEMS امکان محاسبه تغییر شکل الاستیک یک پرتوی کنسول را در پاسخ به نیروهای الکترواستاتیکی که توسط پتانسیل اعمال شده بین کنسول و زیرلایه زیر آن القا می شود، می دهد.

با خم شدن کنسول، نیروها اصلاح می شوند، زیرا شکل شکاف بین دو سطح تغییر می کند. تغییر شکل ناحیه شکاف توسط عملکرد مش متحرک داخلی (چنین عملکردی را می توان ALE یا اویلرین لاگرانژی دلخواه نیز نامید) در COMSOL Multiphysics دنبال می شود. نرم‌افزار شبیه‌سازی COMSOL نیروهای الکترواستاتیکی را به روشی خودسازگار در طول فرآیند محاسبه می‌کند.

جابجایی در یک کنسول فعال الکترواستاتیکی.

رزوناتور MEMS فعال الکترواستاتیک

با استفاده از همان رابط Electromechanics ، شما همچنین می توانید تجزیه و تحلیل مودال، فرکانس، و گذرا یک کنسول MEMS را انجام دهید. همچنین می توانید ولتاژ بحرانی یا ولتاژ کششی را زمانی که سیستم ناپایدار می شود، تخمین بزنید. توالی مدل‌های تشدید کننده MEMS فعال الکترواستاتیکی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان چنین تشدیدگرهای میکروالکترومکانیکی را مشخص کرد، برای مثال با محاسبه حالت‌های عادی و پاسخ وابسته به فرکانس سیستم. برای اهداف آموزشی، این مدل ها به صورت دو بعدی نیز موجود هستند .

استرس پسماند در یک تشدید کننده لایه نازک

همچنین می‌توانید تنش پسماند حرارتی را در تشدیدگرهای لایه نازک که اغلب نتیجه فرآیند ساخت هستند، مدل‌سازی کنید. با استفاده از رابط مکانیک جامد ، ویژگی انبساط حرارتی ، و ویژگی مطالعه فرکانس ویژه ، می توانید محاسبه کنید که چگونه تنش حرارتی فرکانس تشدید تشدید کننده لایه نازک را تغییر می دهد.

میکروآینه پیش تنیده

نمونه دیگر مدل میکروآینه پیش تنیده است . چنین آینه ای می تواند به عنوان یک دستگاه بازتاب نوری استفاده شود. برای ایجاد سطوح منحنی یا ساختاری فنر مانند، سازندگان دستگاه های MEMS گاهی از فرآیند آبکاری برای ایجاد تنش پسماند در آینه میکرو استفاده می کنند. مثال نشان می دهد که چگونه می توان چنین مدلی را راه اندازی کرد و تنش و کرنش اولیه را در مدل گنجاند. همچنین می توانید ببینید که چگونه ساختار تغییر شکل یافته برای مواد مختلف مانند آلومینیوم و فولاد متفاوت است.

تغییر شکل میکرو آینه و بلند شدن برای آلومینیوم.

تغییر شکل میکرو آینه و بلند شدن برای فولاد.

از جمله اپتیک در مدل های شما

COMSOL Multiphysics همچنین تعدادی قابلیت دیگر را برای انجام شبیه‌سازی‌های نوری و جفت کردن آن‌ها با شبیه‌سازی مکانیکی، حرارتی یا سایر اجزای MEMS ارائه می‌دهد.

ماژول اپتیک موج ابزارهای اختصاصی را برای شبیه سازی امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا در رسانه های نوری از طریق روش نوآورانه پوشش پرتو فراهم می کند. همچنین می‌توانید مکانیک ساختاری را با شبیه‌سازی‌های نوری موج، مانند این مدل حفره یا در این شبیه‌سازی موجبر، همراه کنید .

ماژول جدید Ray Optics را می‌توان برای مدل‌سازی انتشار نور در رسانه‌ها و دستگاه‌های نوری استفاده کرد و امواج الکترومغناطیسی را به عنوان پرتو در نظر گرفت. شما تعدادی نمونه اپتیک پرتو در اختیار دارید، از جمله مدل بازتابنده مکعب گوشه یا انتشار نور در تلسکوپ نیوتنی .