20单元双压电片变形镜对Zernike像差空间拟合能力的实验研究

利用20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼波前传感器所构成的闭环自适应光学系统,实验测试了双压电片变形镜对3～20项静态Zernike像差的空间校正能力,并将实验结果与仿真计算结果进行了对比.最后分析了哈特曼传感器与双压电片变形镜之间的对准误差对实验结果的影响.研究表明,除了少数几项外,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差的拟合误差都小于0.5,各项Zernike仿真和实验结果之差平均小于0.1.计算表明,与严格对准的理想情况相比,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差中大多数项的拟合误差都随着失配程度的增加而增大,对准精度对于高阶像差拟合效果的影响尤其严重.     

双压电片变形反射镜样镜的设计与研制

双压电片变形反射镜作为波前校正器具有结构简单、变形量大、成本低及制造周期短的优点,能代替传统分立式变形镜从而降低自适应光学系统的成本.为验证工艺的可行性和了解双压电片变形反射镜的性能,制造了一块20单元的试验样镜.样镜采用了双层压电陶瓷的结构,其中一层作整体离焦电极以校正大幅值的离焦像差.利用Veeco干涉仪测最了样镜单元电极影响函数,分析了其埘前36项Zernike像差的校正能力.结果表明,样镜对离焦像差能获得高达8μm以上的校正量,对其它高阶像差也能适量校正,但校正能力随空间频率升高而降低,显示出其适合校正低阶像差的特性.此外,讨论了不同有效孔径下样镜对Zernike像差的拟合能力.     

微加工薄膜变形镜特性分析

借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数,分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究,建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力,指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差,而不能拟合高级像差。     

微加工薄膜变形镜特性分析

 借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数,分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究,建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力,指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差,而不能拟合高级像差。     

重力作用下平面反射镜变形研究

应用有限元方法对干涉仪的装配前后的平面反射镜进行了静力学分析, 对其在重力作用下水平和垂直放置时进行了分析, 通过计算镜面变形的PV值和RMS值来评价是否超差及固定反射镜的结构是否合理. 并通过Zernike多项式拟合进行了数据处理, 分解出了引起的像差成分, 并相应地提出了提高像质的措施.     

变形镜像差拟合能力的有限元仿真

为了研究变形镜对于Zernike多项式像差模式的拟合能力,利用有限元仿真方法,建立了两种不同单元排布方式的变形镜有限元模型.通过给促动器施加理论位移,进行了仿真分析.结果指出了不同的促动器排布方式与像差拟合能力之间的关系,同时表明57点促动器密布的排列方式已经能校正像差到λ/20甚至更小,验证了促动器对变形镜"印透效应"等的影响.     

基于主观式测量人眼波前像差的眼模型研究

通过主观式光线追踪波前像差测量方法得到用Zernike系数描述的人眼波前像差;在Gullstrand-Le Grand眼模型的基础上,引入用医用角膜地形图仪测量并用高次非球面函数拟合的实际人眼角膜形状数据,又引入角膜、前房及玻璃体厚度等个体化的眼结构参数;在光学建模软件Zemax中用所测Zernike系数建立评价函数,并对用Zernike矢高面描绘的晶状体表面进行优化.由此建立了个体化眼模型,并由此模型中可以计算得到与实际测量的波前像差值完全相同的各项Zernike系数值,从而可用于描述实际人眼的光学特性.     

变形镜像差拟合能力的有限元仿真

为了研究变形镜对于Zernike多项式像差模式的拟合能力, 利用有限元仿真方法, 建立了两种不同单元排布方式的变形镜有限元模型. 通过给促动器施加理论位移, 进行了仿真分析. 结果指出了不同的促动器排布方式与像差拟合能力之间的关系, 同时表明57点促动器密布的排列方式已经能校正像差到λ/20甚至更小, 验证了促动器对变形镜“印透效应”等的影响.     

径向预紧力对反射镜重力变形的补偿作用

针对精密反射镜的重力变形,提出了一种基于径向预紧力的变形补偿方法。以高数值孔径(NA)投影光刻物镜中的反射镜为研究对象,建立了反射镜的受力模型,定性分析了径向预紧力对反射镜重力变形的影响规律。利用有限元分析方法得到了在不同径向预紧力作用下反射镜的面形变化,通过数据拟合分析了径向预紧力与面形误差及其泽尼克系数之间的关系。分析结果表明:径向预紧力主要影响反射镜面形的球差项和三叶像差项;随着径向预紧力的增大,补偿后的面形误差呈现先减小后增大的趋势,当径向预紧力约为25 N时,由于重力导致的面形误差由2.009 nm减小为0.462 nm,补偿结果最优。通过实验测量了重力和预紧力作用下反射镜的面形误差,当径向预紧力为25 N时重力导致的反射镜面形误差减小了0.988 nm,从而验证了分析过程和补偿方法的正确性。     

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明:有效孔径为16 mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。     

37单元双压电片变形镜板条激光光束净化

为了校正板条激光器输出光束波前像差,改善输出光束质量,提出了基于37单元双压电片变形镜的板条激光光束净化系统。采用柱面反射式单向扩束器使主振荡功率放大结构板条激光器输出光束尺寸与37单元双压电片变形镜有效口径相匹配,利用随机并行梯度下降算法控制双压电片变形镜面形,进行波前像差闭环校正,校正后光束远场归一化桶中功率提高到净化前的2~3倍。     

37单元双压电片变形镜板条激光光束净化

为了校正板条激光器输出光束波前像差,改善输出光束质量,提出了基于37单元双压电片变形镜的板条激光光束净化系统。采用柱面反射式单向扩束器使主振荡功率放大结构板条激光器输出光束尺寸与37单元双压电片变形镜有效口径相匹配,利用随机并行梯度下降算法控制双压电片变形镜面形,进行波前像差闭环校正,校正后光束远场归一化桶中功率提高到净化前的2~3倍。     

20单元双压电片变形镜的性能测试与闭环校正实验研究

测试了20单元双压电片变形镜的影响函数、变形量-电压特性曲线、面形热稳定性和频率响应特性,并搭建基于20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼传感器的自适应光学系统,测试了该变形镜对自身初始面形和静态像差板的闭环校正效果.实验结果表明,各分立电极变形量对加载电压的平均灵敏度为0.57 μm/100 V,离焦电极的灵敏度为1.09 μm/100 V;各电极变形量-电压响应曲线均存在迟滞现象,滞后量在最大变形量的10%以内;在温度引起的双压电片变形镜面形变化中离焦项贡献最大,其变化对温度也最为敏感,在13℃ 关键词： 自适应光学 双压电片变形镜 特性分析 闭环校正     

双压电变形反射镜的优化设计

利用Ｋｏｋｏｒｏｗｓｋｉ导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移－电压所满足的偏微分方程,运用高斯迭代法求解该方程,得出变形镜的静态响应函数矩阵ｆ（ｒ,０）,考虑到由大气湍流造丰的光学波前畸变中各泽尼克基元模式的统计权重分布,以及变形的实际装夹定位方式,对双压电变形反射镜的优化设计进行了分析。结果表明：变形的校正能力随被校正的各项泽尼克模式像差在大气湍流造成的波前畸变中所占统计权重的不同而有很大的     

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明：有效孔径为16 mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。     

腔内双压电变形镜光强分布优化

报道了把20单元双压电变形镜作为闪光氪灯泵浦的Nd:YAG激光器的腔镜,优化激光器输出光束远场强度分布的实验结果。变形镜由随机并行梯度下降算法控制,以相机采集到的激光束远场环围能量作为算法的评价指标,控制双压电变形镜的面形向远场能量分布更加集中的方向变化。结果表明:系统在20 s内将远场光斑中的多个亮斑校正为单个亮斑,峰值光强与优化前相比提高了5倍;在腔镜倾斜较大时,实验系统将激光器的输出功率由0.006~0.051 W提升至0.330 W,验证了实验系统的有效性。     

腔内双压电变形镜光强分布优化

报道了把20单元双压电变形镜作为闪光氪灯泵浦的Nd:YAG激光器的腔镜,优化激光器输出光束远场强度分布的实验结果。变形镜由随机并行梯度下降算法控制,以相机采集到的激光束远场环围能量作为算法的评价指标,控制双压电变形镜的面形向远场能量分布更加集中的方向变化。结果表明：系统在20 s内将远场光斑中的多个亮斑校正为单个亮斑,峰值光强与优化前相比提高了5倍;在腔镜倾斜较大时,实验系统将激光器的输出功率由0.006~0.051 W提升至0.330 W,验证了实验系统的有效性。     

自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法仿真与分析

随机并行梯度下降算法能不依赖波前传感器直接对系统性能进行优化。以32单元变形镜为校正器,采用随机并行梯度下降算法建立了自适应光学系统仿真模型。通过分析该系统对静态波前畸变的校正能力,验证了随机并行梯度下降算法的收敛性;讨论了算法增益系数、随机扰动幅度与收敛速度的关系,并指出通过算法增益系数的自适应调整可以改进算法的收敛速度。