В России создан роботизированный комплекс для проверки качества оптических поверхностей — самый точный в своем классе.
Комплекс способен обнаруживать недостатки оптических изделий — линз, зеркал и других компонентов техники, взаимодействующих со светом, — с точностью в доли нанометров. Эта точность в 2–2,5 раза превосходит зарубежные аналоги. Также устройство может функционировать в условиях интенсивных вибраций. Разработка открывает возможности для создания принципиально новых технологий, где требуется высочайшая точность измерений, таких как астрофизические обсерватории нового поколения или космические солнечно-зеркальные электростанции, способные передавать энергию с орбиты на Землю.
Как измерить гладкость поверхности
Специалисты из Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана разработали высокочувствительного робота для контроля качества оптических изделий — линз, зеркал и других компонентов, работающих со светом. Точность измерений этого прибора достигает долей нанометров, что сопоставимо с размерами отдельных атомов. Такие параметры необходимы, например, для мощных астрофизических телескопов, навигационных систем, солнечно-зеркальных электростанций и других высокотехнологичных устройств.
Система представляет собой платформу с двумя манипуляторами. Один из них удерживает канал, через который на объект направляется лазерный луч, в то время как второй предназначен для регистрации отраженного от поверхности излучения.
— Таким образом, измерения осуществляются бесконтактным методом. Поверхность подсвечивается, а отраженное излучение содержит информацию о ней. Эти данные обрабатываются с помощью специальных авторских алгоритмов. Полученные сведения позволяют оценить свойства и профиль материала, — пояснил доцент кафедры лазерных и оптико-электронных систем Дмитрий Денисов.
Комплекс, как уточнил он, способен работать с оптическими деталями размером от 30 мм до 2 м. При этом точность измерений достигает 1,1 ангстрема (1,1 × 10⁻¹⁰ м), что в 2–2,5 раза превышает лучшие мировые аналоги.
Чтобы наглядно представить чувствительность прибора, специалист сравнил его работу с выявлением всплеска волны высотой в 1 см на поверхности Тихого океана.
— Современные технологии развились настолько, что даже такие небольшие дефекты могут исказить данные. Например, телескоп, который исследует корону Солнца, должен фиксировать очень слабые магнитные бури. Если шероховатость на поверхности главного зеркала превысит 0,5–1,1 нанометра, это приведет к ошибкам измерения, — отметил Дмитрий Денисов.
По словам специалиста, в системе применяются лазеры с длинами волн 405 нм, 515 нм и 638 нм. Эти длины относятся к видимым диапазонам электромагнитного излучения. Переключение между ними позволяет повысить точность измерений.
Еще одним преимуществом комплекса, добавил ученый, является его устойчивость к вибрациям. Это позволяет проводить измерения в условиях производственных цехов. Кроме того, прибор способен различать отдельные виды дефектов, такие как царапины, пленки, загрязнения или молекулярное осаждение. Эти сведения важны для понимания того, как устранить недостатки.
Как создать солнечно-зеркальные электростанции на орбите
По словам Дмитрия Денисова, данная разработка востребована для контроля качества линз, зеркал и других оптических компонентов. Такие элементы широко используются в промышленном оборудовании и медицинских приборах. Новые измерители также будут полезны при создании телескопов и астрофизических обсерваторий.
— Еще одной важной областью применения является проверка лазерных гироскопов (приборов для определения положения в пространстве). Их используют в авиации, подводных лодках, нефтедобывающей индустрии и космических системах для стабилизации платформ и точного ориентирования, — добавил ученый.
Луч в таком гироскопе совершает десятки тысяч оборотов по контуру. Даже незначительные шероховатости на поверхности зеркал, формирующих этот контур, могут приводить к рассеянию света, что в свою очередь может вызвать ошибки в позиционировании.
Также, если помечтать, данный комплекс может способствовать созданию в будущем космических солнечно-зеркальных электростанций, которые будут собирать энергию Солнца на орбите и перенаправлять ее на Землю, — добавил ученый.
— В производстве оптических поверхностей достижение максимальной гладкости является одним из основных критериев. Это технологически сложная и трудоемкая задача. Однако достижение точности в долях нанометров — слишком оптимистичное заявление. Для большинства применений допустим диапазон в 40–50 нанометров. Но для специальных задач, таких как высокоточные лазерные системы, требуется уровень в 2–3 нанометра, — отметил руководитель научно-производственного комплекса «Астрономическая и космическая оптика» АО «Лыткаринский завод оптического стекла» Владимир Патрикеев.
Такие точности востребованы, например, в элементах, взаимодействующих с высокими энергиями, где малейшие дефекты могут привести к разрушению материалов, пояснил он.
В целом, по словам эксперта, невозможно создать техническое устройство без средства измерения, которое превышает его по точности. Поэтому создание отечественного высокоточного измерительного комплекса открывает для специалистов страны путь к разработке новых передовых технологий.
— Высокоточное производство оптических компонентов, таких как зеркала, линзы, плоскопараллельные пластины, светофильтры и т. д., востребовано в широком спектре современных научных направлений, включая оптоэлектронные системы обработки данных и квантовые вычисления, — прокомментировал профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ Евгений Злоказов.
Однако зачастую контроль качества оптических изделий осуществляется либо вручную, либо требует использования сложного и труднодоступного оборудования. Эти факторы, с одной стороны, замедляют процесс производства, а с другой — увеличивают его затраты. В связи с этим разработки, подобные прибору из МГТУ, помогут снизить стоимость высокотехнологичной продукции в нашей стране и сделают ее более конкурентоспособной.
Фото: hi-tech.mail.ru