基于天文应用的大口径压电变形镜技术研究
发布时间：2020-08-15 15:26
【摘要】：自适应光学技术能够对大气波前畸变进行实时测量和实时校正,使天文望远镜克服诸如大气湍流等动态扰动产生的波前像差对天文观测的影响,获得接近系统衍射极限的分辨率。变形镜是自适应光学系统中最常见的一种波前校正器,其性能直接影响自适应光学系统的校正能力。下一代天文望远镜的主镜口径超过30米,随着主镜口径的增大,对变形镜校正能力的需求也急剧增大。当前10米级望远镜及下一代30米级望远镜要求变形镜拥有数千单元的致动器(随望远镜口径变化)和数百赫兹的工作带宽(随观测波长变化)。基于压电驱动的变形镜具有大变形量、低驱动电压、低成本、轻量化等优点。但是传统压电片变形镜的工作带宽和口径成反比,难以同时具备大口径(高致动器数目)和高带宽性能,限制了它在现代天文观测领域的应用。本论文从天文观测应用中大气湍流波像差实时校正对变形镜的性能需求出发,研究满足天文望远镜自适应校正需求的大口径、高带宽、高空间频率的压电变形镜。本论文具体研究内容如下:(1)大气湍流对望远镜成像的影响分析与大气湍流导致的波像差仿真生成。理论分析了大气湍流波像差对天文光学成像的影响,通过对湍流像差的理论分析得出天文应用对变形镜单元数、冲程和工作带宽的需求,用于指导变形镜设计。研究大气湍流导致的波像差的生成方法,基于甚大望远镜(VLT)的平均大气环境参数,通过仿真的方法成功生成了随机大气湍流波像差。随机生成的大气湍流波像差可以用于验证变形镜对天文观测中大气湍流波像差的校正性能。(2)大口径高带宽组合式压电变形镜研究。从10米级口径望远镜中大气湍流波像差校正对变形镜的需求出发,提出传统大口径压电片变形镜的工作带宽不足的问题。针对该问题,本论文提出了一种新型的组合式压电变形镜,通过采用单压电层和驱动阵列层组合驱动的方式实现了大口径压电变形镜的高带宽性能。研究了制备组合式变形镜的关键工艺和技术,并成功制备了变形镜样机。变形镜样机的有效口径为80mm,一阶谐振频率约为950Hz。其初始面型PV值小于10μm,自矫平后的镜面面型RMS值小于15nm。校正仿真生成的随机大气湍流波像差后的残余像差RMS值约为38.6nm (λ/50,观测波长λ=2.2μm),表明组合式变形镜能够很好地校正10米级口径望远镜中存在的大气湍流波像差。(3)变形镜性能表征方法研究。设计了基于Shack-Hartman波前传感器的大口径变形镜测试系统,通过仿真优化了光路配置以减小系统像差,并完成了测试系统的构建和调试。该测试系统可以测试80mm以下口径变形镜的基本性能,包括变形量、影响函数、交联值、Zernike像差重构能力、闭环校正能力等。(4)激光内腔自适应光学校正研究。针对高功率Nd:YAG固体激光器中由于热透镜效应的影响导致输出功率大幅下降,以及在内腔自适应光学系统中引进了望远镜系统增加光路复杂性、降低激光器输出功率的问题,设计并搭建了一种无扩束单元的激光内腔自适应校正系统。该系统能够实时校正热效应的影响,使Nd:YAG激光器在不同的泵浦功率下都达到最大功率输出。校正前后固体激光器的输出功率最大提升率为43.6%。此外,内腔自适应光学系统还使Nd:YAG激光器的最大输出功率得到约8%的提升。基于以上研究内容,本论文的创新之处在于提出了一种大口径高带宽的组合式压电变形镜,并制备了变形镜样机,完成了样机的的性能表征。该组合式变形镜克服了压电片变形镜的工作带宽随变形镜口径增大而降低的矛盾,同时具有大口径、高带宽和高空间频率的优点。该组合式变形镜具有可扩展性,可以在保持高带宽条件下根据需求扩展变形镜口径(单元数),使压电变形镜能够适应更大口径天文望远镜的应用需求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH751
【图文】：
１．２．１天文与自适应光学逡逑天文望远镜的主镜口径随着望远镜技术和自适应光学技术的发展变得越来逡逑越大，如图１．１所示。随着望远镜口径的增大，引进望远镜系统的动态湍流像差逡逑也随之增加，对自适应光学系统的校正能力提出了越来越高的要求。逡逑零息逡逑~枺族义希保蓿у危牵澹恚椋睿殄澹危铮颍簦桢澹樱酰猓幔颍蹂危麇义希停幔酰睿徨澹耍澹幔澹裕澹欤澹螅悖铮穑邋危裕瑁椋颍簦澹停澹簦澹蝈澹裕澹欤澹螅悖铮穑邋义希ィ澹В垮危龋铮猓猓牛猓澹颍欤澹樱铮酰簦瑁澹颍铄澹粒妫颍椋悖幔铄澹龋幔鳎幔椋殄澹ǎ保梗梗梗╁澹停蓿睿徨澹椋妫邋澹停幔酰睿徨澹耍澹徨澹龋幔鳎幔椋殄澹ǎ穑欤幔睿睿澹溴澹玻埃玻玻╁义希停酰簦椋停欤樱铮蝈澹裕澹蓿铮穑邋澹掊澹模幔蓿跺危蹋蓿簦瑁澹颍樱掊义希蓿酰睿簦龋铮穑耄椋睿螅蓿粒睿铮睿徨危蓿
本文编号：2794300
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH751
【图文】：
１．２．１天文与自适应光学逡逑天文望远镜的主镜口径随着望远镜技术和自适应光学技术的发展变得越来逡逑越大，如图１．１所示。随着望远镜口径的增大，引进望远镜系统的动态湍流像差逡逑也随之增加，对自适应光学系统的校正能力提出了越来越高的要求。逡逑零息逡逑~枺族义希保蓿у危牵澹恚椋睿殄澹危铮颍簦桢澹樱酰猓幔颍蹂危麇义希停幔酰睿徨澹耍澹幔澹裕澹欤澹螅悖铮穑邋危裕瑁椋颍簦澹停澹簦澹蝈澹裕澹欤澹螅悖铮穑邋义希ィ澹В垮危龋铮猓猓牛猓澹颍欤澹樱铮酰簦瑁澹颍铄澹粒妫颍椋悖幔铄澹龋幔鳎幔椋殄澹ǎ保梗梗梗╁澹停蓿睿徨澹椋妫邋澹停幔酰睿徨澹耍澹徨澹龋幔鳎幔椋殄澹ǎ穑欤幔睿睿澹溴澹玻埃玻玻╁义希停酰簦椋停欤樱铮蝈澹裕澹蓿铮穑邋澹掊澹模幔蓿跺危蹋蓿簦瑁澹颍樱掊义希蓿酰睿簦龋铮穑耄椋睿螅蓿粒睿铮睿徨危蓿
本文编号：2794300
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