几种分立式微变形镜的性能模拟与比较

采用形状函数法描述变形镜校正时的曲面,从适配误差、Streh l比两方面比较了四种不同单元排列方式的微变形镜。结果表明方形与砖形排列的微变形镜设计简单,但波前校正性能较差;圆形及蜂窝形微变形镜具有较高的波前校正性能,但设计加工复杂。     

集成应变反馈层的横向压电驱动变形镜面形预测及闭环控制

作为校正光学像差的主要器件,横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用十分广泛。哈特曼等波前传感器通过反射光得到镜面面形,然而并没有直接反映压电陶瓷的工作状态,并且这些波前探测器增加了系统的成本。以单层横向压电变形镜为对象,建立了压电陶瓷驱动器单电极的横向应变与镜面变形之间的映射关系。制备了集成应变层的单电极横向压电变形镜,进行静态面形预测实验。预测结果表明,添加应变反馈层能够预测单电极的影响函数,拟合误差在7.3%以内。模型的主要误差源是压电陶瓷的迟滞非线性,采用PID控制器对变形镜驱动陶瓷的应变输出进行了闭环控制,镜面位移迟滞率降低至1.74%。针对超连续谱光纤激光器像差进行了闭环校正分析,相比于开环和哈特曼的校正结果,校正精度提升至0.79,实现了横向压电变形镜无波前探测校正像差的一种新方式。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

模拟退火-爬山混合算法用于无波前传感器快速像差校正

为了校正激光光束波前像差,建立了一种基于压电微变形镜的自适应光学系统。提出了用模拟退火-爬山混合算法来控制系统中37单元单压电片变形镜,补偿激光光束波前像差,实现对光斑的快速校正。提出的混合算法先使用模拟退火算法为爬山法提供一个较好的校正起点,再用爬山法对像差进行精确校正,仅需要少量的模拟退火迭代过程即可提供一个好的校正起点。由于精确校正阶段的爬山法速度快,因此获得相同校正效果需要的迭代次数比普通模拟退火算法减少了50%以上;同时由于爬山法校正起点较好,大大降低了进入局部最优值的可能。最后,实验验证了模拟退火-爬山法对激光光束波前具有更佳的校正效率。     

微变形反射镜主要性能测试研究

微变形反射镜(MEMS-DM)是用于自适应光学中波前校正的重要元件。测试实验中对37单元微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了推导和全面测量,从而验证了其叠加性。由光学影响函数推导出了微变形反射镜的控制电压矩阵,利用电压矩阵校正了变形镜的初始面形。最后,对微变形镜校正波前畸变能力进行了测量和评估,得出关于优化微变形镜设计相关方面的一些结论。     

外差探测系统波前校正实验研究

湍流效应是限制相干光通信系统性能最重要的影响因素。使用夏克-哈特曼波前传感器、变形镜和波前控制器组成自由空间相干光通信波前校正系统,对光波经过大气湍流后的畸变波前进行实时校正,其大气湍流是用基于修正Hill谱生成的不同强度随机相位屏模拟的。实验结果表明,波前校正系统实现闭环后的波前误差峰谷值(PV)小于0.8μm,均方根值(RMS)小于0.05μm,斯特列尔比(SR)大于0.8。若将以上波前校正系统应用到相干光通信系统中可使误码率可以降低到10~(-12)数量级,提高了系统的通信性能。这将为自由空间光外差探测系统搭建实际链路提供了可靠数据参考。     

基于纳米磁性液体驱动的液态变形镜系统研究

波前校正器对自适应光学系统的性能起着关键性的作用。以纳米磁性液体为驱动载体,提出了一种新型液态波前校正器设计方法。与传统的固态变形镜相比,磁液变形镜具有镜面连续光滑、变形幅度大、制造成本低和驱动器易于扩展等优点。首先阐述了磁液变形镜系统的设计结构,提出了一种磁液表面银纳米薄膜自组装制备方法,用以提高磁液变形镜镜面反射率;然后结合建立的磁液变形镜镜面动力学模型,提出了一种镜面分布式PID控制方法;最后基于制作的磁液变形镜原型样机,搭建自适应光学实验平台对变形镜性能进行了实验验证,结果表明所设计的液态变形镜及其镜面控制方法能有效控制镜面变形,从而实现期望的光波校正性能。     

大口径主镜位置的实时检测

由于望远镜主镜位置的调整与主镜位置的实时监测相关,本文设计了基于位移传感器的主镜位置监测系统。重点考虑镜室重力变形的影响,利用解析几何方法得到了解算主镜位置的算法。以实验室的1.2mSiC主镜作为试验镜进行了主镜位置实时监测试验。在主镜绕支撑架做俯仰转动时,通过布置在主镜背部和侧向的6个位移传感器,实时采集测量数据,并利用有限元方法计算镜室的变形;最后将镜室变形作为系统差和传感器测量值代入解算算法,得到主镜沿X、Y、Z三向平移、绕X、Y轴转动角度及主镜半径随温度变化值。测试结果显示:该试验主镜的支撑系统中的轴向支撑刚度远大于侧向支撑刚度。当镜室转动45°时,主镜的Z向平移变化只有20μm,而X向平移和Y向平移分别为146μm和100μm。试验结果验证了提出的实时监测方法和监测系统的准确性,为大口径主镜实时位置校正提供了依据。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

基于PI迟滞模型的单压电变形镜开环控制

压电非线性迟滞导致压电变形镜的开环控制精度及闭环工作带宽降低,限制了其在自适应光学系统中的应用。为克服迟滞影响,提出采用PI迟滞模型描述单压电变形镜的迟滞非线性特性,实现单压电变形镜的高精度开环控制。首先建立PI迟滞数学模型,利用最小二乘法辨识PI迟滞模型的权值,计算出PI逆模型的权值和阈值,从而获得消除迟滞后的变形镜控制电压;接着搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,采用单压电变形镜的环形致动器进行离焦面形的开环控制实验。实验结果表明,经过迟滞消除后变形镜的电压-变形迟滞由9.3%降低到1.2%,离焦面形的开环重构精度提高70%以上,证明该迟滞模型可有效应用于单压电变形镜的开环控制。     

Phase correction of laser radiation with the use of adaptive optical systems at the Russian Federal Nuclear Center—Institute of Experimental Physics

Results obtained at the Institute of Laser Physics Research (which is part of the Russian Federal Nuclear Center — Institute of Experimental Physics) on phase correction of pulsed and continuous wave laser radiation by closed-loop adaptive optical systems (AOS) with flexible deformable mirrors are described. With the help of a conventional AOS including a Hartmann-Shack wavefront sensor and an adaptive mirror having a 220 × 220 mm aperture, aberrations of the beam of a powerful pulsed laser facility called Luch have been reduced by an order of magnitude. The development of special software for reconstruction of singular wavefronts by the Hartmann-Shack sensor has allowed us to perform the correction of a doughnut-shaped Laguerre-Gaussian vortex laser beam in an AOS with a bimorph mirror and to focus it into a bright axial spot that drastically increases the Strehl ratio. Adaptive optical systems have been developed where the adaptive mirror control is ensured by searching for an extremum of a chosen criterion functional with the help of a stochastic parallel gradient algorithm rather than by means of wavefront measurements. Embedding of microcontrollers into the control unit has allowed us to reach an AOS bandwidth of 5 kHz and to demonstrate the dynamic phase correction of tip-tilts and higher aberrations of the wavefront caused by turbulence induced by heating of the beam propagation path under laboratory conditions.     

基于单压电变形镜的可控环形焦斑整形

为了实现可控环形焦斑的整形,提出了一套基于单压电变形镜的整形方法。首先结合波前衍射理论和随机并行梯度下降算法模拟迭代出环形焦斑整形所需的调制相位,进而利用波前传感器探测光束的波前信息,控制变形镜重构目标光斑对应的调制相位,实现聚焦光斑的整形。搭建了一套基于62单元单压电变形镜的光斑整形实验平台,采用焦平面上的CCD记录远场聚焦光斑。实验结果表明,该方法实现了对不同直径(0.32,0.4,0.6 mm)和宽度(0.05,0.08,0.1mm)环形焦斑的整形,可有效应用于激光束整形。     

Experimental and simulation study of undesirable short-period deformation in piezoelectric deformable x-ray mirrors

To construct adaptive x-ray focusing optics whose optical parameters can be varied while performing wavefront correction, ultraprecise piezoelectric deformable mirrors have been developed. We computationally and experimentally investigated undesirable short-period deformation caused by piezoelectric actuators adhered to the substrate during mirror deformation. Based on the results of finite element method analysis, shape measurements, and the observation of x-ray reflection images, a guideline is developed for designing deformable mirrors that do not have short-period deformation errors.     

冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能

针对自适应光学系统的校正滞后问题,提出预测校正方法,并对预测校正的鲁棒性进行了分析。冻结湍流假设下,Shack-Hartmann波前传感器的探测斜率一定程度保留了湍流的时域演变模式。利用横向风信息对斜率进行傅里叶平移,能实现斜率的预测。采用直接斜率法计算变形镜面形,能实现预测校正。仿真结果表明,提出的波前预测方法在横向风已知时,几乎能完全克服延迟导致的性能损失;当横向风需要估计时,该方法在风向估计准确的条件下能容忍1倍于自身的风速估计误差,或者在风速估计准确的条件下60°的风向估计误差,均能实现校正性能的提升;在风速和风向误差同时存在时,在较大的误差范围内依然能够提升系统的校正能力。     

Advanced adaptive correction of turbulent distortions based on a Shack-Hartmann wavefront sensor measurements

The propagation of laser radiation through the atmosphere is accompanied by a change in the light field under the influence of turbulence and is a random process. An adaptive system that includes a Shack-Hartmann wavefront sensor and a flexible mirror corrects distortions found at the previous time but changed before being corrected by the system. Analysis of turbulence within a given time period allows one to predict turbulent distortions at the subsequent time and use it to make a correction in the radiation phase distribution. The adaptive correction performance can also be improved by preparing the reflective surface of the adaptive mirror based on predictions of the state of the wavefront at the next time by the turbulence parameters and the transverse component of the wind speed found in previous Hartmann-Shack sensor measurements.     

Simple characterisation of a deformable mirror inside a high numerical aperture microscope using phase diversity

We present a simple and versatile scheme for characterising amplitude and phase modulation by an active element, such as a deformable mirror, in the pupil plane of a high NA microscope. By placing a mirror in the vicinity of the focal plane of the objective and recording images of the reflected focal spot on a camera, we show that reliable measurements of the influence function of the mirror actuators in the pupil plane of the objective can be obtained using an iterative electric field retrieval algorithm. Compared to direct wavefront sensors, the proposed method allows characterisation for a variety of objectives with different NA and pupil sizes without modification of the setup, requires minimal space inside the microscope, and can be used with pulsed sources such as used for multiphoton microscopy. In order to validate our method, we compare our data to the results obtained with a Shack-Hartmann wavefront sensor, and show that comparable precision is achieved.     

基于半盲解卷积复原的高分辨率视网膜成像系统

为获得高分辨率视网膜图像,建立了基于自适应光学的视网膜成像系统,并以成像时获得的残余像差作为图像复原的估计参数,通过半盲解卷积进行图像复原以获得高质量图像.通过Hartmann-Shark波前传感器和微机械薄膜变形镜组成的自适应光学系统对活体人眼像差进行测量与校正,并在成像时记录系统残余像差,据此重建光学传递函数作为图像复原模型初始参数估计,对获得的视网膜图像进行条件约束迭代半盲解卷积复原,消除像差对成像质量的影响,从而得到高分辨率视网膜图像.实验表明,系统获得的图像经该方法处理后可获得较满意视网膜图像,图像质量提高近一倍,成像成功率由38％提高至78％,成像时间缩短为原来的1/7.该方法在满足使用要求的前提下有效缩短了校正时间,提高了成像的成功率,提升了系统的适用范围.