用于提高自适应光学系统空间校正能力的组合变形镜波前校正技术研究

论文摘要

自适应光学技术通过实时校正大气湍流等引起的波前动态误差,使光学系统可以适应外界环境的变化,始终保持最佳工作状态。波前校正器是自适应光学系统中的核心部件,如何提高波前校正器的空间校正能力是自适应光学理论和实验研究的重要内容之一。本文提出了利用光学共轭关系构造成组合变形镜实现波前校正的技术,可以在现有变形镜器件的基础上,使多个少驱动单元变形镜组合成一个等效的多驱动单元变形镜,从而有效的提高自适应光学系统的空间校正能力。论文围绕变形镜的空间特性,以连续表面分立压电驱动变形镜为对象,对组合变形镜波前校正技术的原理、特点和空间校正能力等进行了系统的理论和实验研究。首先,系统的研究了连续表面分立压电驱动变形镜的空间特性。分析了变形镜面形的求解方法,指出利用高斯型影响函数独立加权叠加方法描述面形存在一定的近似性。研究了变形镜结构参数和空间拟合能力的关系,结果表明:增加驱动器密度、选择适当的高斯指数和交连值,有利于提高变形镜的空间校正能力。进一步,应用空间滤波器模型研究了变形镜对畸变波前的校正过程,从空间频域验证了变形镜特性和波前校正能力的关系。此外,论文尝试使用随机并行梯度下降(SPGD)优化算法求解针对特定像差的变形镜驱动器的优化排布方式,获得了有规律的图形,结果说明:适当增加有效孔径边缘的驱动器数量有利于变形镜空间校正能力的提高。其次,提出了组合变形镜的系统结构,利用光学共轭关系可以将两个正方形排列或三个三角形排列的变形镜构成一个组合变形镜进行波前校正,甚至可以实现将不同种类的变形镜进行组合。分析了组合变形镜波前校正的原理,给出了以连续表面分立压电驱动变形镜构成的组合变形镜的整体面形表达式。仿真计算证明组合变形镜可以等效为一个单一变形镜,由于有效的增加了驱动单元数和交连值,因此可以明显的提高系统的空间校正能力。进一步,分析了应用组合变形镜进行波前校正时引入的轴向和横向匹配误差对空间校正能力的影响。一方面,通过几何光学和物理光学计算,说明理想4F系统可以实现波前再现,同时也看到小像差畸变波前在大菲涅尔数情况下自由传播的变化很小,因此实验室条件下使用组合变形镜时可以省去4F系统连接。另一方面,通过仿真计算表明:闭环情况下组合变形镜校正能力对各镜之间横向空间匹配误差并不敏感,这将有利于系统的实现。此外,分析和总结了各类多变形镜自适应光学系统中波前校正器的控制解耦方式,指出组合变形镜可以直接应用单变形镜的方法来控制,并具体分析了配合哈特曼波前传感器使用直接斜率法的控制方法。最后讨论了组合变形镜的应用前景。在实验验证方面,首先使用平面干涉仪验证了组合变形镜波前校正的原理,生成了指定的像差面形,然后搭建了应用组合变形镜的完整的自适应光学系统,实现了系统的闭环校正。对静态像差的良好校正结果从实验上证明了组合变形镜波前校正技术在提高系统空间校正能力方面的可行性和优越性。通过简单的方法,组合变形镜可以在现有器件上实现变形镜驱动单元密度的增加和排布方式的改变,从而提高自适应光学系统的校正能力。本文的研究结果将为变形镜的设计和组合变形镜系统的实际应用提供一定的理论参考和工程应用经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一部分 综述及自适应光学基本理论
• 第一章 综述
• 1.1 自适应光学的基本概念
• 1.2 自适应光学研究和应用的发展状况
• 1.2.1 自适应光学理论和技术的发展
• 1.2.2 自适应光学技术的应用
• 1.2.3 我国自适应光学技术的发展
• 1.3 课题的背景和意义
• 1.3.1 课题的提出和意义
• 1.3.2 多变形镜自适应光学系统的研究状况
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 自适应光学基本理论知识
• 2.1 引言
• 2.2 自适应光学中的波前传感技术
• 2.2.1 波前传感器
• 2.2.2 波前复原算法
• 2.3 自适应光学中的波前校正器
• 2.3.1 变形镜的基本功能和主要特性
• 2.3.2 连续表面分立驱动变形镜
• 2.3.3 其他种类的波前校正技术
• 2.4 自适应光学中的波前控制器
• 2.4.1 波前处理机
• 2.4.2 波前控制模型
• 2.5 波像差和像质评价
• 2.5.1 几何像差和波像差
• 2.5.2 像差的Zernike多项式描述方法
• 2.5.3 光束质量评价
• 第二部分 连续表面分立压电驱动变形镜空间特性分析
• 第三章 连续表面分立压电驱动变形镜的面形描述
• 3.1 变形镜面形的解析求解方法
• 3.2 变形镜的影响函数
• 3.2.1 影响函数的定义和高斯模型
• 3.2.2 影响函数的修正高斯模型
• 3.2.3 变形镜影响函数的有限元求解途径
• 3.3 变形镜面形和独立线性叠加原则
• 3.4 影响实际变形镜面形的其他因素
• 3.5 本章小结
• 第四章 变形镜对给定波前拟合能力的研究
• 4.1 变形镜对畸变波前的校正过程和仿真方法
• 4.2 高斯指数和交连值对拟合能力的影响
• 4.2.1 高斯指数对拟合能力的影响
• 4.2.2 交连值对拟合能力的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 变形镜拟合波前的空间滤波器模型
• 5.1 变形镜空间滤波器模型
• 5.2 一维模型下变形镜参数对滤波器函数的影响
• 5.2.1 驱动器密度的影响
• 5.2.2 高斯指数和交连值的影响
• 5.2.3 变形镜和像差空间相对位置的影响
• 5.3 二维模型和对称性的简单讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 变形镜驱动器排布的优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 随机并行梯度下降法（SPGD）介绍
• 6.3 利用SPGD方法针对特定像差优化驱动器排布
• 6.3.1 优化算法描述
• 6.3.2 优化排布结果和讨论
• 6.4 本章小结
• 第三部分 组合变形镜波前校正技术研究
• 第七章 组合变形镜波前校正原理
• 7.1 组合变形镜系统空间结构
• 7.1.1 4F光学系统
• 7.1.2 多变形镜的空间位置匹配
• 7.2 组合变形镜面形的数学描述
• 7.3 组合变形镜波前拟合能力仿真
• 7.3.1 正方形排列组合变形镜仿真结果
• 7.3.2 仿真结果的讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 组合变形镜空间匹配误差分析
• 8.1 畸变波前的空间传播和组合变形镜轴向位置误差
• 8.1.1 畸变波前空间传播的几何光学仿真
• 8.1.2 畸变波前空间传播的物理光学仿真
• 8.1.3 关于4F系统的使用和组合变形镜共轭位置的讨论
• 8.2 组合变形镜横向空间匹配误差的仿真分析
• 8.3 本章小结
• 第九章 组合变形镜的控制方法
• 9.1 通常单变形镜的控制方法
• 9.2 配合哈特曼传感器的直接斜率法讨论
• 9.3 基于组合变形镜的控制方法
• 9.4 组合变形镜的应用前景
• 9.5 本章小结
• 第四部分 基于组合变形镜的自适应光学系统实验研究
• 第十章 组合52 单元变形镜开环原理性验证实验
• 10.1 开环实验方案
• 10.1.1 实验目的
• 10.1.2 实验系统结构
• 10.1.3 实验方法和步骤
• 10.2 实验结果和分析
• 10.2.1 影响函数的测量结果
• 10.2.2 对单阶像差拟合精度的仿真结果
• 10.2.3 产生各阶Zernike面形的测量结果和分析
• 10.3 本章小结
• 第十一章 组合52 单元变形镜闭环校正验证实验
• 11.1 闭环实验方案
• 11.1.1 实验目的
• 11.1.2 实验系统结构
• 11.1.3 实验方法和步骤
• 11.2 实验结果和分析
• 11.2.1 仿真计算和实验结果的对比
• 11.2.2 实验误差和存在的问题
• 11.3 本章小结
• 结束语
• 第十二章 总结与展望
• 12.1 本文主要研究内容和结论
• 12.2 本文的主要创新点
• 12.3 本文的研究意义
• 12.4 后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文目录
• 攻读学位期间申请的国家发明专利