自适应光学中变形镜的研究

大气对激光束的湍流效应是制约激光通信技术发展的一个主要因素,研究发现自适应光学技术可以有效的缓解激光束在大气中传输受到的影响.自适应光学系统由探测器、控制器和校正器3部分组成.首先由探测单元和控制单元确定控制信号,然后通过控制器改变变形镜的镜面,以达到校正波前的目的.变形镜是自适应光学系统中实现波前校正的关键器件,其特性将直接影响系统对波前光束的改善结果.通过对变形镜的工作原理、分类、技术要求和性能指标的研究,该系统补偿效果达到90%.     

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。     

基于变形镜本征模的模型式无波前探测自适应光学系统

模型式无波前探测自适应光学系统以其收敛速度快、校正效果好在波前无法探测的环境中具有巨大的应用潜力。基函数的产生方法及阶数多少决定了模型式无波前探测自适应光学系统的校正效果和收敛速度,文中提出以变形镜本征模作为基函数。分别以32、88及127单元变形镜作为波前校正元件建立无波前探测自适应光学系统仿真模型,利用变形镜本征模作为正交基函数对波前畸变进行校正,分析其校正效果和收敛速度。结果表明,以变形镜本征模作为基函数时,由于基函数的阶数等于变形镜的单元数,无需另外确定阶数多少,且无波前探测自适应光学系统可以获得接近理想校正时的校正效果,系统收敛所需测量的光斑强度的次数仅取决于变形镜的单元数。     

盐水和沙子上方传输激光束波前畸变校正的对比研究

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性,并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台,基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型,基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器,对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示,在同样辐射加热的条件下,沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈;经自适应光学系统校正后,波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%,而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。     

基于压电陶瓷促动器的连续镜面变形镜研制进展

为了开展自适应光学技术研究,研制了一系列的基于压电陶瓷促动器的连续镜面变形镜,促动器控制单元数分别为21、97、137和961。利用变形镜作为自适应光学波前校正器,进行了多个室内、室外的自适应光学校正实验,取得了很好的实验效果,其中137单元变形镜在1.23 m望远镜上面的自适应光学系统中取得了对0.2″双星的校正效果,在700~900 nm波段接近望远镜的衍射极限。介绍了变形镜的基本结构,各变形镜的主要参数测试及关键性能指标,列举了各变形镜在自适应光学系统中的应用情况。最后对变形镜的研制进展及应用进行了展望。     

基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。     

云南天文台1.2m望远镜61单元自适应光学系统

云南天文台1.2 m望远镜61单元自适应光学系统已经完成升级改造并投入使用.该自适应光学系统主要由倾斜跟踪控制回路、高阶校正回路以及高分辨力成像系统组成.为了提高系统的跟踪精度,倾斜跟踪控制回路由两级倾斜校正回路串联而成,用于校正望远镜的跟踪误差和大气湍流引起的倾斜跟踪误差.高阶校正回路主要由一套哈特曼波前传感器、一块61单元变形反射镜以及一套高速数字波前处理机组成.系统中哈特曼波前传感器的工作波段为400～700 nm,系统成像波段为700～900 nm.在介绍61单元自适应光学系统各组成部分的基础上,对该系统的性能进行了分析,并给出了实际天文恒星目标的高分辨力自适应光学成像观测结果.     

MEMS微变形反射镜校正波前静态畸变实验

微变形反射镜(MEMS-DMs)是用于自适应光学中波前校正的重要元件.对微变形镜波前校正原理进行了分析,设计了基于自适应光学系统的测试系统,通过闭环控制技术成功地利用一种分离式MEMS-DMs校正了实验系统中位相板引入的波前畸变,实验结果显示离焦项Zernike系数相对最大,是造成整个波面畸变的最重要的原因.MEMS-DMs对低阶波前畸变校正较好,高阶波前畸变校正时残余误差比较大,增加控制电极数量可以更好地校正高阶模式的波前畸变.基于自适应光学系统的MEMS-DMs波前畸变校正实验系统,可以为今后全面优化设计微变形反射镜及其更适应自适应光学系统的需要提供实验数据与理论支持.     

自适应光学技术在惯性约束聚变领域应用的新进展

在惯性约束聚变(ICF)领域,采用自适应光学(AO)技术进行波前控制是解决ICF激光系统中光束质量问题的重要手段.报道了"神光Ⅲ"原型装置中8套工程化自适应光学系统、未来ICF系统发展所需的大口径可拆卸变形镜(DM)样镜研制以及ICF自适应光学波前控制技术的最新研究进展.8套工程化自适应光学系统在"神光Ⅲ"原型装置上实现了到靶点的全系统静态像差校正,改善了靶点焦斑能量分布,验证了校正对打靶时X射线分布的改善效果.所研制的17单元大口径可拆卸变形镜的口径为284 mm×284 mm,行程大于±6μm,谐振频率大于500 Hz.在ICF自适应光学波前控制技术中,采用了基于哈特曼传感器近场相位测量的控制方法和基于靶室远场的随机并行梯度下降(SPGD)控制方法均能取得良好的校正性能.     

人眼像差校正线性二次高斯优化控制研究

为获得清晰的高分辨率人眼眼底视网膜图像,自适应光学系统中变形镜必须能够实时跟踪并补偿人眼中随时间变化的像差信息。对波前像差特别是动态像差的校正能力不仅取决于变形镜等硬件的性能,还与自适应光学系统中的控制算法密切相关。在不加大硬件复杂度的基础上,介绍了一种基于Kalman滤波的线性二次高斯(LQG)人眼像差校正最优控制模型。首先分析了自适应光学系统的离散性,证明在离散模式下研究自适应光学系统的可行性;然后建立了基于Kalman滤波的LQG优化控制模型,并给出基于LQG优化控制的像差校正控制算法;最后通过仿真实验验证了基于LQG优化控制的像差校正算法对动态人眼波前像差校正的可行性和有效性。     

无波前传感自适应光学技术及其在大气光通信中的应用

无波前传感自适应光学(AO)系统不依赖波前传感器可直接对系统性能进行优化。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法,32单元变形镜,CCD成像器件等建立了无波前传感自适应光学系统实验平台。实验结果表明,参量选取合适时,系统对畸变波前具有较好的校正能力,但受限于较低的CCD采样频率,仅能校正静态或缓慢变化的像差。根据实验结果讨论了基于随机并行梯度下降控制算法的无波前传感自适应光学技术在大气光通信中的应用可能和应用方法,指出采用高速光电探测器件、高速数据处理及响应速度高的波前校正器与随机并行梯度下降算法相配合可用于补偿大气光通信中的大气湍流扰动。     

自适应光学技术在大气光通信系统中的应用进展

大气光通信中大气湍流引起的相位噪声和光强起伏噪声会严重影响通信系统的通信质量,自适应光学补偿可在一定程度上解决问题.常规自适应光学技术对于解决上行链路、下行链路中的湍流扰动问题得到了理论和实验验证.强闪烁现象的存在使得常规自适应光学技术在水平链路中的应用受限,不使用波前传感器的自适应光学技术则为这一问题的解决提供了可能方案.随机并行梯度下降算法是该类自适应光学技术中一种较有应用前途的控制算法.     

人眼波前畸变的实时动态校正

以自适应光学技术为基础塔建了高分辨视网膜成像系统.利用微变形反射镜(DMs)作为波前校正器件,将镜面的形貌、波前及镜面的响应函数表示为泽尼克Zernike多项式的线性组合,利用直接迭代算法及控制电压矩阵改变镜面形貌,从而实现对眼睛波前畸变的适时校正.校正后残余误差的平方根值小于λ/7,接近衍射的极限分辨率.实验表明此闭环系统带宽小于5 Hz,能校正多数情况下眼睛的动态波前畸变,能对眼科医学的诊断提供一定的帮助.     

热晕效应位相补偿的数值模拟

研究了大气热晕效应自适应光学(adaptive-optics, AO)位相补偿数值模拟方法。利用自主开发的高能激光大气传输四维数值模拟程序对准直光束瞬态热晕位相补偿进行了模拟,定量分析了不同的热晕强度下,AO系统空间带宽对位相补偿效果的影响。数值模拟结果表明,当热晕比较弱时,空间带宽对位相补偿效果的影响不大;当热晕比较强时,空间带宽越大,位相补偿效果越差。当热晕强度大于某一阈值时,在一个风渡越时间内,产生了位相补偿不稳定性(phase compensation instability, PCI),空间带宽越大,发生PCI的阈值越小。     

基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

采用波前测量图像恢复技术的误差分析

与自适应成像相比,基于波前测量的图像恢复方法避开了复杂的变形镜制造和控制技术,是一种低成本、性价比高的克服大气湍流、获取清晰图像的技术.利用测量得到的波前瞬时光学传递函数和退化的短曝光目标图像数据进行解卷积运算,得到理想清晰的目标图像.波前探测器的测量误差和波前重构误差是影响图像恢复效果的关键因素,利用傅里叶光学和夏克...     

913单元变形镜性能测试与分析

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求,研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用?300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试,并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明,913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm,相邻驱动器之间的交连值为9.3%;展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm,均方根值为5.0nm;913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求;变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。     

微变形反射镜技术应用及发展

变形反射镜是用于自适应光学中波前校正的重要元件,它能产生可控的波面校正量对波面相位加以校正。但随着自适应光学技术的发展,传统变形反射镜已不能满足微型化、集成化的发展需求,而基于微机电加工技术的新型变形反射镜的出现解决了传统变形反射镜存在的问题。介绍了微变形反射镜的工作原理,国内外微变形反射镜技术的发展情况及其在自适应光学中的应用,并对分立式与连续表面微变形反射镜的校正能力进行了比较分析,最后阐述了微变形反射镜器件技术展望。