微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究（特邀）

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。     

新型钠信标激光器研究进展

自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜，以校正大气扰动造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引星作为自适应光学校正的信标源，是自适应光学望远镜的核心技术之一。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势，被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。     

液晶空间光调制器的波像差校正设计与实现

针对光学系统存在的像差,提出一种基于液晶空间光调制器的波像差校正方法。对于平行光入射情况,采用数字波面移相干涉仪对光学系统的波前进行精确测量,得到畸变波前的矩阵数据;对于有限远物距的成像,采用Zemax软件模拟得到波前的矩阵数据,利用Matlab编写像差拟合程序将共轭波前的矩阵数据绘制成相应的8位BMP格式的灰度图。根据液晶空间光调制器的位相调制原理,将共轭灰度图和调制器自身的波前畸变校正图同时加载于硅基液晶面上,成像分辨率达到1348 LW/PH,高于不加载灰度图的337.8 LW/PH。实验结果表明:通过加载波前数据的共轭灰度图,可有效提高光学系统的成像质量。     

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。     

曲率探测的自适应光学Zernike模式的闭环校正

提出了一种更为简单的基于曲率探测的自适应光学闭环算法.首先,对算法的原理和闭环过程做了详细分析.然后,建立了一个自适应光学仿真模型,针对Kolmogorov特性的大气湍流相位畸变做了闭环校正.仿真结果表明,该闭环模型对大气湍流引起的波前畸变具有很高的校正精度.在此基础上,利用液晶空间光调制器作为波前校正器,搭建了相应的...     

单透镜高分辨成像系统的研究和设计

单片凸透镜由于存在较大像差，在实际应用中难以单独成像，相对孔径越大，单片凸透镜的成像质量越差，通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题，提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前，结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前，利用泽尼克多项式描述畸变波前，并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上，校正波像差；通过旋转楔角为21的光楔进行22微扫描，将四幅低分辨率图像经过Keren配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明，图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH，成像质量明显提高。     

MEMS空间光调制器的研究现状与发展趋势

空间光调制器是自适应光学系统中用来实时校正波前畸变的关键器件,其发展水平能够反映整个自适应光学系统的水平。基于微电子机械系统(MEMS)技术的空间光调制器具有体积小、能耗低、驱动器单元密度高以及与集成电路工艺兼容性好等优点,而成为空间光调制器领域研究的热点。详细介绍了MEMS空间光调制器的研究现状和存在的主要问题,并分析了MEMS空间光调制器的未来发展趋势。     

激光导引星非等晕性的限制

在利用激光导引星的自适应光学系统中，焦距非等晕性是对自适应光学系统性能的主要限制，利用湍流探测配置的孔径滤波函数导出了剩余波前畸变方差．并依此导出了成像系统的有效直径ｄ０，根据昆明和兴隆实测的大气湍流模型对ｄ０进行了计算，说明了校正平移和倾斜对自适应光学系统的重要性。     

激光钠导引星技术研究进展

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降,是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况,尤其是该实验室采用的固体激光和频技术,实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光,并在国内外大望远镜上使用获得成功。     

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。     

开环双波段人眼视网膜成像液晶自适应光学系统设计

设计了一套基于开环双波段模式的人眼视网膜成像液晶自适应光学系统。该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变。探测波段采用830nm近红外光,成像波段采用790nm近红外光。采用开环模式以提高光能利用率和系统的稳定性,采用双波段模式以增大视场。新加入了瞳孔监控子系统和响应矩阵测量子系统,使系统更加灵活方便。介绍了系统的关键参数,并通过ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,认为系统可以达到接近衍射极限的效果。传递函数MTF@50lp/mm达到0.25(对应视网膜上3μm),满足设计要求。     

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。     

相干光照明主动成像波前畸变的数字式快速校正

针对相干光照明空间外差式探测主动成像中的波前畸变,提出一种基于图像指标优化的数字式快速校正方法。建立了实验装置,通过数值分割将整个孔径上的目标光复振幅分割为4个子区域,在此基础上首先利用随机并行梯度下降算法并行校正子区域内的高阶像差,然后以其中一个子区域为参考,并行校正子区域间的波前平移和倾斜。实验结果表明,直接利用随机并行梯度下降算法校正需要至少600次迭代,而文中所提出的方法校正需要大约100次迭代,而且运算量更小,因此大幅提高了波前畸变的校正效率。     

四通道阵列偏振成像自适应光学系统设计

在大气湍流影响下,为了实现对远距离目标偏振成像,基于孔径分割技术和自适应补偿技术,设计了四通道阵列偏振成像自适应光学系统。偏振成像部分采用四通道阵列结构,每个偏振通道获取目标不同偏振分量的强度图像,从而实现同时偏振成像。采用闭环自适应系统对波前畸变进行实时补偿。光学系统的设计焦距为364 mm,F数为2.5,工作波长为1.06 μm,半视场角为±0.3°。设计结果表明,系统成像性能接近衍射极限,可以实现同时偏振成像和波前畸变的校正。     

基于随机并行梯度下降算法的望远镜静态像差校正

为校正大口径量子通信望远镜的静态像差,提高接收信号光的能量集中度,提出了基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的静态像差校正方法。该方法不同于经典的自适应光学校正方法,无需波前传感器,可有效降低系统的复杂性。对SPGD算法进行了分析,在此基础上利用64单元变形镜和CCD探测器搭建了校正平台,并将该校正平台应用到青海湖量子通信地面站望远镜系统,对700mm望远镜的静态像差进行了校正,远场光斑直径由校正前的58μm改善为30μm,验证了SPGD算法对望远镜波前畸变校正的可行性。     

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.     

基于空间光调制器的全息透镜记录波前像差优化方法

提出了一种基于空间光调制器(SLM)的全息透镜(HL)记录波前像差的优化方法。从波像差理论出发,经过理论分析得出透射式全息透镜的像差表达式与像差特性,绘制了全息透镜的一维像差曲线,提出了基于空间光调制器的全息透镜波前像差优化方法。使用空间光调制器加载全息图,通过单次曝光记录全息透镜减小像差的方法进行了理论分析,并针对空间光调制器的零级串扰以及视场孔径光阑对全息图和像差的影响进行了讨论。使用优化后的全息图函数计算出包含非球面信息的全息图,设计了基于空间光调制器的全息透镜记录与成像实验,实验结果与理论分析相符合。     

自适应光学相干层析在视网膜高分辨成像中的应用

视网膜光学相干层析（OCT）技术利用外部低相干光源照射人眼眼底,并将人眼眼底散射信号进行干涉成像,获得人眼视网膜的断层图像信息,以实现人眼视网膜无创、实时、在体的光学活检。传统光学相干层析在视网膜成像时的轴向分辨率可达3 μm以上,但由于人眼个体差异和不可避免的像差限制了视网膜OCT的横向分辨率,只能达到约15~20 μm。而自适应光学作为一项波前校正的先进技术,可以校正OCT色差以及人眼有限视场和眼球运动导致的像差,将OCT横向分辨率提高到低于2 μm,以实现视网膜细胞及微细血管近衍射极限成像,及时发现患者眼底存在的早期病变。在介绍自适应光学和视网膜光学相干层析的技术特点基础上,对自适应光学在视网膜光学相干层析成像应用的国内外发展现状进行了论述,总结了自适应光学OCT视网膜高分辨成像在宽带光源色差校正、眼球运动伪影减少、自适应光学视场扩大和波前传感与校正系统简化的关键技术和未来发展趋势,以实现大视场、高效率、高灵敏度、高分辨率的高速人眼视网膜成像,为未来自适应光学OCT视网膜成像技术的研究和应用提供参考和借鉴。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术研究进展（特邀）

涡旋光束携带了与其螺旋波前结构相关的轨道角动量,由于其在通信系统不增加带宽情形下可极大增加系统容量和频谱效率,引起了广泛关注。然而,自由空间中的湍流将导致涡旋光束的螺旋波前发生畸变,产生模间串扰,降低接收功率,从而削弱链路性能。自适应光学波前校正技术是克服干扰的有效手段之一。综述了涡旋光束的自适应光学波前校正技术的发展,阐述了Shack-Hartmann、随机并行梯度下降、Gerchberg-Saxton三种算法的校正原理,分析了深度学习在波前校正技术中的应用,并介绍了笔者课题组对水下湍流环境中波前校正技术的研究工作。     

小型化人眼像差校正仪光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,需要实时校正人眼的动态变化像差,尤其是高 阶像差.设计了一套基于液晶空间光调制器的小型化人眼像差实时校正光学系统.该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变.探测光采用790nm近红外光,成像光采用570nm可见光.系统设计尽量少采用透镜,减小了系统的体积、光能损失和系统自身可能引入的像差.使用开环模式可以提高光能利用率和系统的稳定性,而双波长模式可以增大视场,实现不同波长的成像,而且可以实现瞬间强曝光成像.用ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,表明该系统可以达到衍射极限的水平,MTF=0.5@31 cycles/mm(对应视网膜上4μm),MTF=0.3@48 cycles/mm(对应视网膜上2.6μm).实验结果证明:该系统光能利用率高,杂光干扰小,方便灵活.