全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和雙變形鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究.pdf

1、本文主要對(duì)全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和雙變形鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)兩方面作了全面而系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 自適應(yīng)光學(xué)對(duì)光束大氣傳輸波前畸變校正時(shí)，要求系統(tǒng)必須能同時(shí)校正激光束自身像差和大氣湍流擾動(dòng)造成的像差，并且能夠同時(shí)有效地克服出射系統(tǒng)的制造誤差、重力變形、光學(xué)元件工作過程的受熱變形以及光路內(nèi)部氣體擾動(dòng)的影響，得到接近衍射極限的輸出激光光束。常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)僅能有針對(duì)性地校正其中一部分，而全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可

2、以實(shí)現(xiàn)全光路像差的探測(cè)與校正。全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)與常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)相比，不僅具有全光路像差校正的特點(diǎn)，而且可以提高系統(tǒng)的集成性和可靠性。
　　 論文首先闡述了光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，然后在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)推導(dǎo)了全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的工作過程，明確了出射信標(biāo)經(jīng)全系統(tǒng)校正后，到達(dá)目標(biāo)的是角錐棱鏡陣列本身像差的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，這個(gè)像差是系統(tǒng)的原理性誤差。隨后，提出了一套波前校正器全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和兩套波前校正器

3、全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的兩種工作方式，它們分別是：“使用兩束標(biāo)準(zhǔn)平行光分別標(biāo)定共模哈特曼傳感器”和“使用兩種信標(biāo)光之一的標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)定共模哈特曼傳感器”。在“使用兩束標(biāo)準(zhǔn)平行光分別標(biāo)定共模哈特曼傳感器”工作方式中，全系統(tǒng)校正后到達(dá)目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑與標(biāo)定光的光束質(zhì)量相關(guān)，在“使用兩種信標(biāo)光之一的標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)定共模哈特曼傳感器”工作方式中，全系統(tǒng)校正后到達(dá)目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑與角錐棱鏡陣列本身的像差相關(guān)。然后根據(jù)兩種工作方式標(biāo)定哈特曼傳感器的繁簡(jiǎn)程度

4、，認(rèn)為“使用兩束標(biāo)準(zhǔn)平行光分別標(biāo)定共模哈特曼傳感器”是一種耗時(shí)且耗力的工作方式，“使用兩種信標(biāo)光之一的標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)定共模哈特曼傳感器”可以在系統(tǒng)光路中隨時(shí)對(duì)其標(biāo)定，是一種節(jié)省時(shí)間的優(yōu)選工作方式。因?yàn)槿到y(tǒng)校正后的殘差與角錐棱鏡陣列的像差有關(guān)，所以論文對(duì)角錐棱鏡陣列的像差進(jìn)行了相應(yīng)分析，認(rèn)為影響角錐棱鏡陣列像差的主要因素是綜合角誤差，這種綜合角誤差將導(dǎo)致角錐棱鏡陣列像差的高階化，因此控制單個(gè)角錐棱鏡的綜合角誤差是減少角錐棱鏡陣列像差的關(guān)鍵因素

5、。論文從仿真和實(shí)驗(yàn)的角度，驗(yàn)證了對(duì)于0.6328μm波長(zhǎng)的系統(tǒng)，單個(gè)角錐棱鏡的綜合角誤差在1″左右時(shí)，角錐棱鏡陣列的像差可以忽略不計(jì)。論文還分析了角錐棱鏡陣列與哈特曼傳感器的誤差匹配問題，認(rèn)為角錐棱鏡陣列與哈特曼傳感器必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，才能保證哈特曼傳感器探測(cè)的準(zhǔn)確性，從而保證系統(tǒng)校正的有效性。
　　 除此之外，論文還從工程應(yīng)用的角度，分析了一套波前校正器全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和兩套波前校正器全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)采用的

6、數(shù)據(jù)融合方法，前者可以采用直接斜率數(shù)據(jù)差分融合方法，后者可以采用把兩套波前校正器探測(cè)的像差各自交給兩套波前校正器校正的方法，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)差分融合。最后成功實(shí)現(xiàn)了全光路像差校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的室內(nèi)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。
　　 論文研究的另一方面是雙變形鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。目前，在功率不斷提高的激光器、天文觀測(cè)、人眼像差校正、慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion)等領(lǐng)域，自適應(yīng)光學(xué)要校正的像差可能同時(shí)包含大尺度低

7、階像差和小尺度高階像差。這些像差對(duì)變形反射鏡提出了較高要求，要求變形反射鏡需要同時(shí)具有大行程和高空間頻率兩個(gè)特征。但是由于變形鏡加工工藝等原因造成的物理限制，要求同一個(gè)變形鏡同時(shí)具有較大行程和高空間頻率是非?？量痰囊?。因此論文采用了雙變形鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，即在一套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，采用兩個(gè)變形鏡對(duì)待校正像差進(jìn)行校正，其中的一個(gè)變形鏡是大行程低空間頻率變形反射鏡，另一個(gè)是高空間頻率變形反射鏡。
　　 但是由于系統(tǒng)中存在的兩個(gè)變形

8、反射鏡均具有校正像差的功能，如果兩個(gè)變形鏡的解耦不好，可能造成校正過頭或校正紊亂。因此論文提出了兩種雙變形鏡的解耦算法，分別是分離模式系數(shù)校正算法和限定校正算法，論文對(duì)這兩種校正算法均作了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真；兩種校正算法中，通過對(duì)離焦限定和像散限定的仿真，證明兩個(gè)變形鏡可以各司其職，大行程變形鏡可以只校正大行程的低階像差，高空間頻率變形鏡可以只校正除低階像差以外的其他像差。最后，根據(jù)實(shí)際變形反射鏡的驅(qū)動(dòng)器由于材料和加工等原因造成的