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.     

组合变形镜对板条固体MOPA激光波前畸变校正（英）

提出了一种利用组合变形镜校正板条MOPA固体激光器像差的方法,并通过实验验证其有效性。通过将一个11单元的一维变形镜和一个67单元的二维变形镜组合,有效降低了单个二维变形镜波前校正过程中驱动器间的电压差,从而提高了二维变形镜的使用安全性,并在一定程度上改善了校正后波前畸变的空间分布,降低了波前畸变残差。实验结果表明,一维变形镜与二维变形镜的组合能高效地校正板条MOPA固体激光器的波前畸变,波前残差均方根值小于0.08 m,远场光束质量因子可达1.67。     

组合变形镜对板条固体MOPA激光波前畸变校正（英）

提出了一种利用组合变形镜校正板条MOPA固体激光器像差的方法,并通过实验验证其有效性。通过将一个11单元的一维变形镜和一个67单元的二维变形镜组合,有效降低了单个二维变形镜波前校正过程中驱动器间的电压差,从而提高了二维变形镜的使用安全性,并在一定程度上改善了校正后波前畸变的空间分布,降低了波前畸变残差。实验结果表明,一维变形镜与二维变形镜的组合能高效地校正板条MOPA固体激光器的波前畸变,波前残差均方根值小于0.08 m,远场光束质量因子可达1.67。     

变形镜波前校正非线性响应剩余位相方差分析

报道了采用简化的物理模型及数值仿真方法对变形镜非线性响应如何影响自适应光学系统的波前校正剩余位相方差所进行的分析。给出了由于变形镜非线性响应所引起的波前校正剩余位相方差为ｋ（ｄ／Ｔｏ）＾ｂ，其中ｋ、ｂ均与实际系统参数有关。     

基于模糊控制的自适应光学校正技术

自适应光学中普遍采用的比例-积分-微分(PID)控制严格依赖于变形镜的响应模型,响应模型的标定非常繁琐且性能容易随时间和温度而漂移.采用模糊控制摆脱了对变形镜响应模型的依赖,通过波面的快速重构,从波面中提取波面评价指标,将该评价指标及其微分作为模糊PID控制器的输入.选择模糊输入和输出论域的隶属度函数,设计出模糊规则库,通过模糊推理、解模糊等过程,对PID控制器的3个参数即比例kp、积分ki和微分kd进行模糊自整定,实现了自适应控制.采用高速数字信号处理器(DSP)设计了硬件验证测试平台,通过该平台的测试,证明该方法有效可行,在不需要变形镜响应矩阵的前提下,能够将光斑的衍射极限倍增因子β值从10—12校正到3—4,与传统的PID控制基本一致,但稳定性更好.因无需标定,故降低了变形镜的安装要求.     

直接斜率波前控制算法的模式校正效果分析

建立了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶泽尼克模式间的动态关系,通过对比系统对大气湍流畸变波前各阶泽尼克模式的功率谱抑制函数,揭示了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶模式校正效果间的差异,并初步分析了造成这种差异的原因。用在61单元自适应光学系统上取得的实验结果验证了理论分析结果。     

高功率光学元件校正波前的梯度均方根指标

对高功率固体激光装置中,光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法,分析了校正波前的部分相干叠加特性,对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时,如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。     

高功率光学元件校正波前的梯度均方根指标

对高功率固体激光装置中,光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法,分析了校正波前的部分相干叠加特性,对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时,如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。     

动态波前误差的自适应光学实时校正

本文报道了在实验室里用由21元面阵变形反射镜、横向剪切干涉仪和平行控制系统构成的自适应光学系统实时校正动态波前误差的原理和实验结果.     

基于模型的无波前探测自适应光学系统

基于波前梯度的二阶矩和修正后的远场强度分布近似呈线性关系,设计了一种基于模型的无波前探测自适应光学系统快速闭环控制算法。使用61单元变形镜、CCD成像器件等建立了自适应光学系统仿真平台,并以不同湍流强度下的波前像差作为校正对象,分析了这种基于模型的无波前探测自适应光学系统的收敛速度、校正能力及对不同像差的适应性。结果表明,基于模型的无波前探测自适应光学系统在快速收敛的同时,能够获得接近波前校正器件的理想校正能力。N阶模式像差校正时,系统只需要进行N+1次远场光斑的测量。和现有的各种无波前探测自适应光学系统控制算法相比较,基于模型的无波前探测自适应光学系统所需的测量次数大大减少。     

微机械薄膜变形镜在人眼像差校正中的波前控制算法研究

借助影响函数矩阵,分析了变形镜拟合波前像差的性能。提出了一种滤除高阶像差模式影响的波前控制算法,弥补了最速下降法无法通过模式选择优化校正过程的缺点,提高了变形镜的校正能力。对人眼出射的畸变波前进行实验,结果表明,经过6次迭代以后,波前的均方根值(RMS)达到衍射极限,系统闭环校正频率为15 Hz。说明基于该控制算法的微机械薄膜变形镜自适应光学系统能够实时校正动态人眼像差,为搭建小型化、低成本的人眼波前像差校正系统提供了算法支持。     

液晶空间光调制器用于波前校正的性能

液晶空间光调制器(Liquid crystal spatial light modulator, LC-SLM)作为新型波前校正器具有驱动单元数目多、驱动电压低、控制灵活、价格低廉等优点.通过对LC-SLM时间-空间特性的研究, 讨论其在天文观测自适应光学系统中应用的可能性和局限性.利用LC-SLM和哈特曼波前传感器构成自适应光学系统, 对低频为主的静态波前像差实现闭环校正.闭环校正后的RMS 值和PV 值由闭环前的0.628λ、2.872λ减小为0.031λ、0.337λ, Strehl 比从0.04提高到近似衍射极限的0.81.利用衍射原理, 对LC-SLM的衍射效率进行了数值计算和实验测量.研究表明, LC-SLM能对大气湍流引入的光波畸变实现高精度校正; 然而响应速度慢、光能利用率低限制了它目前在实际自适应系统中的使用, 不能满足实时校正的要求、以及对微弱目标的应用.     

波前校正器和波前传感器的匹配

自适应光学系统中,波前校正器和波前传感器的形式、对应关系以及波前复原法的选择,对波前复原的效果都是有影响的。介绍了动态Hartmann –Shack传感器方式下,以分立驱动器和连续表面变形镜为校正元件,采用直接斜率法波前复原过程的计算机模拟实验。研究了多种变形镜驱动器和探测子孔径的对应布局关系,得出每个孔径主要受三个驱动器控制的布局原则。     

相位光栅型曲率传感器的波前校正算法

针对相位光栅曲率传感器能够测量波前曲率在光瞳面上分布的特点,提出了一种采用整个空间分布的曲率信号来实现波前校正的算法。用曲率型变形镜影响函数的曲率信号在光瞳面上的分布来拟合待校正波前的曲率信号,采用最小二乘方法得到变形镜的控制电压,实现波前校正过程。数值模拟了一种41单元曲率型自适应光学系统采用该算法的波前校正过程。结果表明,对4至28阶Zernike像差体现了校正效果,对曲率为0的Zernike像差校正效果略好于曲率不为0的Zernike像差。与传统分区法的校正效果相比,整体法对Zernike像差的校正效果基本相当。整体法无需对光瞳面上的曲率信号进行与电极分布相同的分区,降低了对系统校准的要求。     

环形光斑的波前传感器与波前校正器优化布局

针对自适应光学系统常遇到的环形光斑，仿真研究了波前传感器子孔径的六种环形布局，得出了环形布局的指导原则，并将环形布局与传统的方形布局进行了比较，认为环形布局更适合于环形光斑．     

高功率固体激光构型验证装置波前畸变及补偿特性

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案,基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示,虽然等效钕玻璃片数大大增加,但由于主放采用了“U”型反转器技术,扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高,主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施,会影响激光在前级滤波器的顺利过孔,造成近场缺光现象。实验中,为保证激光在动态发射时顺利过孔,采用了调节透镜的方式,使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时,利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿,减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法,成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置,伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加,主放大器内的像差也会大幅度增加,采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题,需要在主放大系统内增加主动补偿措施,为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。     

高功率固体激光构型验证装置波前畸变及补偿特性

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案,基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示,虽然等效钕玻璃片数大大增加,但由于主放采用了"U"型反转器技术,扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高,主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施,会影响激光在前级滤波器的顺利过孔,造成近场缺光现象。实验中,为保证激光在动态发射时顺利过孔,采用了调节透镜的方式,使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时,利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿,减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法,成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置,伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加,主放大器内的像差也会大幅度增加,采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题,需要在主放大系统内增加主动补偿措施,为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。     

环形光斑的波前传感器与波产校正器优化布局

针对自适应光学系统常遇到的环形光斑，仿真研究了波前传感器子孔径的六种环形布局，得出了环形布局的指导原则，并将环形布局与倾诉 方法布局进行了比较，认为环形布局更适合于环形光斑。     

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。     

哈特曼波前探测及波前校正的仿真与误差分析

报道了以３７单元自适应光学系统为原型的波前校正计算机仿真模型，讨论了系统波前哈特曼探测误差，拟合误差以及变形镜波前复原误差，提出了自适应光学系统在校正大气湍流引直怕波前位相畸变时存在最佳有效孔径的设想。