西安理工大学无线光通信系统自适应光学技术研究进展

总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类,同时介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前,提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善,但不失为人们在该领域进行的有益探索。     

双变形镜自适应光学系统像差解耦研究

对由大行程变形镜和高空间频率变形镜组成的双变形镜自适应光学系统中的像差解耦原理和限定像差校正算法做了理论分析。认为在高空间频率变形镜的斜率响应矩阵中加入限定像差向量,根据直接斜率法分别计算出两个变形镜的控制电压,可以实现两个变形镜分别对低阶像差和高阶像差的闭环校正。仿真研究了19单元变形镜和61单元变形镜组成的双变形镜自适应光学系统对低阶像差和高阶像差分别校正的情况,结果说明双变形镜自适应光学系统的校正效果与理想行程的单变形镜自适应光学系统的校正效果相当,避免了制作同时具有大行程和高空间频率两个特征的变形镜。     

多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算

介绍了多层共轭自适应光学(MCAO)系统的基本原理及其对提高自适应光学系统的等晕角的作用。介绍了用计算机模拟计算MCAO等晕角所用的数值方法,并给出了相应的算法。计算了在传统的自适应光学系统中的等晕角的大小以及采用多层共轭技术的自适应光学系统的等晕角的大小,并对二者进行了比较,说明了多层共轭自适应光学系统相对于传统的自适应光学系统在提高系统的等晕角方面的优越性。结果表明,在MCAO中,变形镜的个数越多其等晕角越大。     

一种提高波前空间校正能力的组合变形镜自适应光学系统

提出了一种利用光学共轭关系,实现多变形镜空间匹配从而提高波前空间校正能力的自适应光学系统方案.通过理论分析给出了组合变形镜的面形描述方法,在此基础上建立了一套基于由两块相同方形排列变形镜构成的组合波前校正器的完整自适应光学实验系统.通过数值仿真研究了该系统对前35阶Zernike像差的校正效果,并且通过实验对比了组合变形镜和单一变形镜对实际静态像差的闭环校正效果.结果表明组合变彤镜可以等效为一多单元变形镜,在直接斜率控制算法下正常稳定闭环工作,校正效果明显优于单一变形镜.组合变形镜技术通过空间匹配实现了增加波前校正器驱动单元数和等效交连值,有效地提高了对波前的空间校正能力,因此可以代替高成本的单一多驱动器变形镜用于自适应光学系统中高阶像差的校正.     

自适应光学波前校正器技术发展现状

波前校正器是自适应光学系统中的关键部件,相关技术已得到了多年的积累与发展。本文介绍了多种目前常用的波前校正器件,包括分离促动器连续表面变形镜、拼接子镜变形镜、薄膜变形镜、双压电片变形镜、微电子机械系统变形镜以及基于液晶技术的空间光调制器和自适应次镜等,给出了它们的实现方式及其基本工作原理,并从空间校正频率和校正速度等方面对各校正器的性能进行了比较。最后,总结了在新应用的需求下,波前校正器件的技术创新及发展趋势。     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的微变形镜特性研究

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量,并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。     

基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验研究

利用成像光学系统、变形镜、装有图像采集卡和D/A卡的PC机等建立了一套基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验系统.在Windows操作系统下用VC完成图像处理和控制算法.利用一台高测量精度的哈特曼传感器测量波前信息并评价自适应光学系统的校正效果.在不同像差大小状态下研究了这种基于线性相位反演技术的自适应光学系统的像差校正能力.收敛速度,稳定性等.实验结果表明,基于线性相位反演技术的自适应光学系统对静态小像差有较好的校正效果.     

基于自适应光学技术控制光束近场场强

在双变形镜自适应光学系统中,需要主激光出射时与信标光的振幅分布一致、相位共轭,当主激光到达目标时光波的分布与目标上发射的信标光光波分布相同,主激光的振幅和相位都得到校正。根据双变形镜自适应光学技术的概念,提出一种基于自适应光学技术控制光束近场场强的方法,从而实验验证双变形镜技术的可行性。该方法利用哈特曼传感器探测到的波前信息,对变形镜进行控制,实现了对光束近场场强的控制。仿真结果表明该系统对光束近场强度能进行较好地校正,使校正前后光束振幅的残余均方差值从0.310 0降为0.052 2,同时实验也验证了这种方法的可行性。     

一种结合图像复原技术的自适应光学系统控制方法

在天文高分辨成像领域,自适应光学校正和事后图像复原都必不可少,但传统的自适应光学系统控制方法以提升光学成像质量为目的,并未考虑图像复原环节,因此,研究一种结合两者以获得高质量复原图像为目标的控制方法具有重要意义.本文对传统自适应光学技术结合事后图像解卷积的方法进行了分析,阐述了其存在的缺陷.首次提出了将自适应光学技术和图像复原技术相结合进行系统分析的思想,并提出了变形镜校正度(变形镜控制电压相对于传统方法控制电压的缩放比例)的概念,通过改变校正度可实现变形镜校正残差和波前传感器探测误差的调整,同时证明了复原图像质量在校正度下降的方向存在一个最优值,用最优校正度来修正变形镜控制电压,就得到了一种新的控制方法.针对点源目标成像,仿真表明该方法相比于传统方法,能够得到质量更好的复原图像.     

双压电片镜在同步辐射光源光学系统中的应用

介绍了双压电片镜自适应光学技术,同时为其在同步辐射光学领域中的应用与进一步发展提供前瞻性的思考与探索。根据目前已公开发表的相关文献资料,总结介绍了双压电片镜自适应光学技术,阐述了该技术的工作机理与关键参数,并对其在国际上具有代表性的同步辐射机构中的应用情况作出描述,并指出涉及的关键技术问题与未来的发展趋势:不仅要有效地解决"连接点效应"对双压电片镜技术的负面影响,还要实现亚微米乃至纳米级的聚焦光斑,这两项内容都是双压电片镜技术需要进一步解决的重要问题。未来,双压电片镜自适应光学技术可望在我国先进的第三代同步辐射装置—"上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)"二期工程建设中得到应用。     

Adaptive optics for airborne platforms—Part 1: modeling

Adaptive optics systems mitigate the atmospheric turbulence-induced distortion of a propagating light wavefront. The use of adaptive optics entails the design of a feedback controller, which requires the development of a model of the plant to be controlled. In adaptive optics, the plant consists of the atmosphere through which light is traveling. Moreover, a distinct feature of the adaptive optics control application is the presence of random signals in the plant. In optics, Zernike orthonormal polynomials are commonly used as a basis set for the expansion of wavefront phase distortions. Due to the atmospheric turbulence-induced random nature of the underlying physical process, the spatial-temporal correlation functions of the Zernike polynomial phase distortion expansion coefficients must be evaluated if a proper stochastic model of the plant is to be developed and adaptive optics is to be employed. In Part 1 of this paper, these correlation functions are developed using a layered atmospheric model and calculations for the first few low-order Zernike modes are performed. Using these correlation functions, an underlying stochastic linear dynamical system, which is adequate for control design, is synthesized. This system models the plant and, in turn, provides the basis for the employment of advanced model-based control and estimation concepts in an adaptive optics system for an airborne platform application.     

水平大气中横向风对自适应光学系统性能的影响

从理论上分析了光波在水平大气中传播时传播路径上的横向风对理想补偿系统和时间带宽有限的自适应光学系统性能的影响，得到了自适应光学系统的Ｓｔｒｅｈｌ比与横向风速之间的解析表达式，并据此得到了一批计算结果。这些结果表明横向风对自适应光学系统的补偿功能有很严重的影响，随着横向风速的增大，系统的Ｓｔｒｅｈｌ比迅速降低，特别是对于一定接收口径的系统，当横向风速超过一定的阈值后，加了补偿的光波的成像效果比不加补     

Deformable mirrors based on piezoelectric unimorph microactuator array for adaptive optics correction

This paper describes a piezoelectric deformable mirror (DM) for adaptive optics (AO) applications, with a 100 μm thick silicon mirror driven by 61 unimorph microactuators. Measurement results show that the stroke of the DM is ~ 7.4 μm at 100 V, and the resonance frequency is at 18 kHz. To demonstrate the correction capability of the DM, low-order Zernike modes up to 14th term were reproduced. Furthermore, a close-loop correction of laser beam in a 633 nm helium-neon laser system was performed. After system aberrations being compensated, a focal spot approximate to Airy disk was achieved.     

MEMS-based adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy

We have developed a compact, robust adaptive optics (AO) scanning laser ophthalmoscope using a microelectromechanical (MEMS) deformable mirror (DM). Facilitated with a Shack-Hartmann wavefront sensor, the MEMS-DM-based AO operates a closed-loop modal wave aberration correction for the human eye and reduces wave aberrations in most eyes to below 0.1 microm rms. Lateral resolution is enhanced, and images reveal a clear cone mosaic near the foveal center. The significant increase in throughput allows for a confocal pinhole whose diameter is less than the Airy disc of the collection lens, thereby fully exploiting the axial resolution capabilities of the system.     

时域分析自适应光学中的非等晕性

本文利用时域分析方法讨论了自适应光学中的非等晕性以及相位梯度法克服非等晕性的适用性,并将位相补偿和位相梯度法补偿情况下的剩余位相结构函数和Strehl比的一般表达式,统一用传递函数H(f)来描述。该关系式不仅可分析非等晕性,同时可讨论大气平均风场和系统响应带宽对自适应光学系统补偿效率的影响。     

相位不连续点对自适应光学的影响

 分析了激光在湍流大气中传输时，若光束波前中出现相位不连续点，自适应光学校正能力降低的原因，通过数值模拟计算了当光束波前中出现相位不连续点时对自适应光学校正的影响，表明在传输过程中出现不连续点的情况下，为了提高自适应光学的校正能力，必须要考虑不连续相位的影响。     

自适应光学进展及展望

1953年Babcock首先提出自适应光学的概念,近四十年来自适应光学在理论、系统及单元技术研究方面取得突出进展,正步入成熟应用期,当今世界上任何大型光学系统的研究均离不开自适应光学的支持,其应用范围正向各个门类的光学仪器扩展。     

直接斜率法波前拟合和复原误差的仿真分析

报道了利用数值仿真方法对自适应光学系统补偿激光传输湍流效应中的波前拟合和复原误差的计算分析。计算结果表明，在利用波前斜率进行波前复原的实际自适应光学系统中，波前复原误差是利用波前最小方差法计算的波前拟合误差的１．２４倍。     

智能光学的概念及发展

智能光学是在主动光学和自适应光学基础上发展起来的新兴的概念。本文介绍了智能光学概念的提出和发展过程,并进一步明确和扩展了智能光学的概念和范畴。对智能光学的技术基础及其应用现状进行了总结和评述,主要包括动态光学调制技术、动态光学探测技术、智能光学系统等,涉及了天文、军事、空间、生物医学等领域中应用的望远镜、显微镜、激光器等光学系统和光学设备。最后,对智能光学的未来发展和应用前景提出了展望。     

非线性热晕效应自适应光学位相补偿

采用已建立的一套较完整的包括真实自适应光学位相补偿系统仿真的高能激光大气传输的数值模拟程序，对非线性热晕应相偿进行了计算。分析了非线性热晕效应位相补偿不稳定性的基本特征。