基于变形镜本征模式和远场测量的自适应光学系统实验研究
发布时间：2021-09-03 08:28
目前,基于波前传感器的自适应光学系统可以高效、稳定的对光束进行净化,是高能激光系统光束质量提升的主要手段,但是该方法需要波前测量,系统体积庞大,难以满足小型化的需求,而且对信标源也有较高的要求,闭环带宽提升困难。为了解决上述问题,本文提出了一种利用变形镜本征模式和远场光斑的特征进行处理分析的无波前自适应光学系统,对激光器输出的方形激光光束进行校正。该方法舍弃了波前传感器环节,成本较低,体积较小,具有广阔的应用前景。本论文以激光器输出的波长为1064nm的方形光束作为光束净化对象,从变形镜影响函数的数学表达式和测量得到的远场光斑光强信息的特征出发,完成对激光器输出的光束进行光束净化的理论研究和仿真验证,并对该方法的校正效果进行实验验证,同时对部分影响因素进行分析。介绍了自适应光学系统的组成部分,带有波前传感器和无波前传感器的自适应光学校正系统常用的校正像差方法,说明无波前传感校正系统的优势,阐明本课题的研究目的及意义。详细阐述了基于变形镜本征模式和远场光斑测量的无波前传感器自适应光学系统校正方法的基本原理,对校正系统的评价函数、变形镜本征模式、模式系数和校正电压的计算过程进行推导。针对实...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１自适应光学系统结构图??在２０世纪７０年代，美国对自适应光学系统进行／研究，他们成功研发出多种样机??Ｉ??
水平传输激光中的大气湍流等效应进行校正，??大大提高了激光光束的能量集中度，达到了接近衍射极限的效果［７］。１９８２年，美国研制??出第一台带有自适应光学系统的口径为１．６米的望远镜，该望远镜用来观察空间目标，??加入Ａ０系统后，提高了成像的分辨率１９８９年，普罗旺斯天文台上的大型天文望远??镜中使用了?Ａ０系统，该望远镜口径为１．５２ｍ，成功地校正了波长处于红外波段的波前??像差ｍ。１９９１年，美国逐渐的对军方所掌握的Ａ０技术解密，这一举动促进了?Ａ０系统??在民用领域的快速发展。图１．２为自适应光学系统概念图以及Ｋｅｃｋ望远镜采集到的校??正前后天王星图像。??Ｑ??ＡｉｍｏｅｐｒｗＫ?Ｕ＾ｕｔｅｎｃｅ??ｗａｖｅｆｒｏｎｔ??■?—＊—??！……—??ｉ?＊?？??＼?Ｂｅａｍｐｉｍｅｆ??；?＊、＼?ｎ??Ｒｅｔｆ－ｉｈｎｅ??ｊ／ｆ??／％?／ｌＪ??／Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ?ｒｗａｕｔｏｒ?ｎ？＾??園ｉ……：脚＾?ＨＨＨ｜！??图１．２自适应光学系统概念图以及Ｋｅｃｋ望远镜采集到的校正前后天王星图像ｌｌ）ｌ??１９７８年，我国开始对自适应光学进行研究。中国科学院光电技术研究所在１９７９年??深入开展了该技术的学习。１９８５年，该团队研制了?１９单元激光波前校正系统，该系统??被应用在“神光Ｉ?”激光核聚变装置上，校正后的静态光斑能量集中度大大提高［ＩＱ］。校?丨??正前后的光斑能量分布如图丨．３。１９９０年，云南天文台将一个２１单元的校正系统与１．２ｍ??望远镜组合起来，该校正系统可以对动态的波前误差进行校正，成功校正了用望远镜观??察自然星体时引入的大气湍流。２０００
?基于变形镜本征模式和远场测量的自适应光学系统实验研究???的周仁忠等人，在《自适应光学理论》和《自适应光学》两本书中，对自适应光学的基??本知识以及发展情况等进行了详细的介绍１Ｕ２－１３１。??图１．３自适应光学校正前后的“神光Ｉ”?ＬＦ１２装置的焦斑能量分布??近年来随着各个相关学科的迅速发展，丨＇丨迠应光学技术也取得／屯大的突破，逐渐??的被应用到了各个领域和各行各业。大型地基天文望远镜方面，３０米口径天文望远镜计??划中变形镜的致动器数量将超过５０００个。在高能激光系统中，自适应光学技术分为腔??内校正和腔外校正。腔内校正是在激光腔内加入ＡＯ系统，用来补偿增益介质分布＋均??匀以及在组装光学系统时引入的误差；腔外校正是指激光器输出光朿后，山于人气湍流??等效应造成／光束质坫变差等问题，对此畸变光束进行校正｜１４１。２０１３年，中国工程物理??研究院应用电子学研宄所设计研制了主动光束质量闭环控制ＡＯ系统，将ＭＯＰＡ系统??输出光束的远场光束质量３因子从幵环７．４降低到４．０６１１５１。２０１５年，该团队利用ＡＯ系??统补偿非稳腔内像差，从输出镜耦合输出的环形光束光束质量日因子从１１．６降低到??２．６１１６１。２０１８年，该团队实现了?Ｙｂ：ＹＡＧ板条固体激光器２２．３ｋＷ的功率输出，应用ＡＯ??技术使光束质量３因子达到３．３倍衍射极限【１７１。ＡＯ系统也可以用在空间遥感成像系统??以及侦察卫星的大气湍流效应校正、屮｜｜８１；作惯忡约束聚变装置，多光路激光合成过程??中，每一路激光都会带有像差，复杂的装置导致该系统的波前像差非常大，严重影响输??出的光束质量，在这种情况下，ｎ适应光学系统能够有效地校正这种像差
【参考文献】：
期刊论文
[1]自适应光学发展综述[J]. 姜文汉. 光电工程. 2018(03)
[2]模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析[J]. 杨慧珍,王斌,刘瑞明,马良. 红外与激光工程. 2017(08)
[3]基于变形镜本征模式的方形孔径激光光束净化[J]. 王瑞,董冰. 中国科技论文. 2017(05)
[4]点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统[J]. 王瑞,董冰. 中国激光. 2016(02)
[5]无源非稳腔内非共轭像差补偿研究[J]. 蔡海动,尚建力,苏华,吴晶,于益,安向超,王小军,万敏. 中国激光. 2015(11)
[6]基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究[J]. 喻际,董冰. 光学学报. 2014(12)
[7]固体板条MOPA激光光束质量主动控制[J]. 向汝建,何忠武,徐宏来,雒仲祥,杜应磊,卢飞,胡浩,周文超. 强激光与粒子束. 2013(02)
[8]基于随机并行梯度下降算法的湍流像差校正仿真[J]. 马慧敏,张京会,张鹏飞,范承玉. 红外与激光工程. 2011(09)
[9]中国科学院光电技术研究所的自适应光学研究进展[J]. 姜文汉,张雨东,饶长辉,凌宁,官春林,李梅,杨泽平,史国华. 光学学报. 2011(09)
[10]高分辨率空间光学系统位置误差的无波前传感综合校正[J]. 韩杏子,胡新奇,俞信. 光学学报. 2011(06)
博士论文
[1]激光大气传输中无波前探测校正技术的数值仿真研究[D]. 王志强.中国科学技术大学 2018
[2]高能固体板条激光器光束质量主动控制技术研究[D]. 向汝建.中国工程物理研究院 2015
[3]压电厚膜驱动的变形镜技术研究[D]. 马剑强.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]自适应光学快速迭代控制算法研究与实现[D]. 段倩.电子科技大学 2018
[2]无波前传感自适应光学原理系统设计与实现[D]. 王晓斌.西安电子科技大学 2017
[3]基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学校正方法研究[D]. 喻际.北京理工大学 2015
[4]空间光通信高速倾斜反射镜带宽提高方法研究[D]. 刘胜长.长春理工大学 2009
本文编号：3380775
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１自适应光学系统结构图??在２０世纪７０年代，美国对自适应光学系统进行／研究，他们成功研发出多种样机??Ｉ??
水平传输激光中的大气湍流等效应进行校正，??大大提高了激光光束的能量集中度，达到了接近衍射极限的效果［７］。１９８２年，美国研制??出第一台带有自适应光学系统的口径为１．６米的望远镜，该望远镜用来观察空间目标，??加入Ａ０系统后，提高了成像的分辨率１９８９年，普罗旺斯天文台上的大型天文望远??镜中使用了?Ａ０系统，该望远镜口径为１．５２ｍ，成功地校正了波长处于红外波段的波前??像差ｍ。１９９１年，美国逐渐的对军方所掌握的Ａ０技术解密，这一举动促进了?Ａ０系统??在民用领域的快速发展。图１．２为自适应光学系统概念图以及Ｋｅｃｋ望远镜采集到的校??正前后天王星图像。??Ｑ??ＡｉｍｏｅｐｒｗＫ?Ｕ＾ｕｔｅｎｃｅ??ｗａｖｅｆｒｏｎｔ??■?—＊—??！……—??ｉ?＊?？??＼?Ｂｅａｍｐｉｍｅｆ??；?＊、＼?ｎ??Ｒｅｔｆ－ｉｈｎｅ??ｊ／ｆ??／％?／ｌＪ??／Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ?ｒｗａｕｔｏｒ?ｎ？＾??園ｉ……：脚＾?ＨＨＨ｜！??图１．２自适应光学系统概念图以及Ｋｅｃｋ望远镜采集到的校正前后天王星图像ｌｌ）ｌ??１９７８年，我国开始对自适应光学进行研究。中国科学院光电技术研究所在１９７９年??深入开展了该技术的学习。１９８５年，该团队研制了?１９单元激光波前校正系统，该系统??被应用在“神光Ｉ?”激光核聚变装置上，校正后的静态光斑能量集中度大大提高［ＩＱ］。校?丨??正前后的光斑能量分布如图丨．３。１９９０年，云南天文台将一个２１单元的校正系统与１．２ｍ??望远镜组合起来，该校正系统可以对动态的波前误差进行校正，成功校正了用望远镜观??察自然星体时引入的大气湍流。２０００
?基于变形镜本征模式和远场测量的自适应光学系统实验研究???的周仁忠等人，在《自适应光学理论》和《自适应光学》两本书中，对自适应光学的基??本知识以及发展情况等进行了详细的介绍１Ｕ２－１３１。??图１．３自适应光学校正前后的“神光Ｉ”?ＬＦ１２装置的焦斑能量分布??近年来随着各个相关学科的迅速发展，丨＇丨迠应光学技术也取得／屯大的突破，逐渐??的被应用到了各个领域和各行各业。大型地基天文望远镜方面，３０米口径天文望远镜计??划中变形镜的致动器数量将超过５０００个。在高能激光系统中，自适应光学技术分为腔??内校正和腔外校正。腔内校正是在激光腔内加入ＡＯ系统，用来补偿增益介质分布＋均??匀以及在组装光学系统时引入的误差；腔外校正是指激光器输出光朿后，山于人气湍流??等效应造成／光束质坫变差等问题，对此畸变光束进行校正｜１４１。２０１３年，中国工程物理??研究院应用电子学研宄所设计研制了主动光束质量闭环控制ＡＯ系统，将ＭＯＰＡ系统??输出光束的远场光束质量３因子从幵环７．４降低到４．０６１１５１。２０１５年，该团队利用ＡＯ系??统补偿非稳腔内像差，从输出镜耦合输出的环形光束光束质量日因子从１１．６降低到??２．６１１６１。２０１８年，该团队实现了?Ｙｂ：ＹＡＧ板条固体激光器２２．３ｋＷ的功率输出，应用ＡＯ??技术使光束质量３因子达到３．３倍衍射极限【１７１。ＡＯ系统也可以用在空间遥感成像系统??以及侦察卫星的大气湍流效应校正、屮｜｜８１；作惯忡约束聚变装置，多光路激光合成过程??中，每一路激光都会带有像差，复杂的装置导致该系统的波前像差非常大，严重影响输??出的光束质量，在这种情况下，ｎ适应光学系统能够有效地校正这种像差
【参考文献】：
期刊论文
[1]自适应光学发展综述[J]. 姜文汉. 光电工程. 2018(03)
[2]模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析[J]. 杨慧珍,王斌,刘瑞明,马良. 红外与激光工程. 2017(08)
[3]基于变形镜本征模式的方形孔径激光光束净化[J]. 王瑞,董冰. 中国科技论文. 2017(05)
[4]点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统[J]. 王瑞,董冰. 中国激光. 2016(02)
[5]无源非稳腔内非共轭像差补偿研究[J]. 蔡海动,尚建力,苏华,吴晶,于益,安向超,王小军,万敏. 中国激光. 2015(11)
[6]基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究[J]. 喻际,董冰. 光学学报. 2014(12)
[7]固体板条MOPA激光光束质量主动控制[J]. 向汝建,何忠武,徐宏来,雒仲祥,杜应磊,卢飞,胡浩,周文超. 强激光与粒子束. 2013(02)
[8]基于随机并行梯度下降算法的湍流像差校正仿真[J]. 马慧敏,张京会,张鹏飞,范承玉. 红外与激光工程. 2011(09)
[9]中国科学院光电技术研究所的自适应光学研究进展[J]. 姜文汉,张雨东,饶长辉,凌宁,官春林,李梅,杨泽平,史国华. 光学学报. 2011(09)
[10]高分辨率空间光学系统位置误差的无波前传感综合校正[J]. 韩杏子,胡新奇,俞信. 光学学报. 2011(06)
博士论文
[1]激光大气传输中无波前探测校正技术的数值仿真研究[D]. 王志强.中国科学技术大学 2018
[2]高能固体板条激光器光束质量主动控制技术研究[D]. 向汝建.中国工程物理研究院 2015
[3]压电厚膜驱动的变形镜技术研究[D]. 马剑强.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]自适应光学快速迭代控制算法研究与实现[D]. 段倩.电子科技大学 2018
[2]无波前传感自适应光学原理系统设计与实现[D]. 王晓斌.西安电子科技大学 2017
[3]基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学校正方法研究[D]. 喻际.北京理工大学 2015
[4]空间光通信高速倾斜反射镜带宽提高方法研究[D]. 刘胜长.长春理工大学 2009
本文编号：3380775
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