全息波前传感方法与动态全息自适应光学研究

发布时间：2020-09-16 19:55

　　 波前传感器是自适应光学系统的重要组成部分,其作为反馈元件,用于实时探测系统波前像差。主要包括哈特曼-夏克传感器,角锥传感器,剪切干涉仪,曲率传感器等,其中哈特曼-夏克传感器由于优异的综合性能,获得了最为广泛的应用。全息波前传感器是一种新型波前传感方法,其将多个模式像差信息加载在复用全息元件中,利用输出信号与像差幅度之间的近似线性关系,直接测量波前畸变幅度。全息波前传感器基于光学方法实现了传统波前传感器的复杂矩阵计算过程,大大降低了运算量。未来有可能将现在需要通过计算机软件驱动的自适应光学系统转变为纯硬件电子电路构成的一种超高带宽自适应光学系统。相比于哈特曼-夏克传感器,全息波前传感器还具有对光强闪烁不敏感的优点,能够工作在强湍流,强闪烁的环境中。未来有可能应用于地基光电望远镜对低仰角目标的探测,自由空间光通信水平传输,高能激光武器系统等。本文通过理论分析,数值模拟以及实验验证对全息波前传感方法进行了深入研究。并将全息波前传感器结合21单元变形镜建立了全息自适应光学系统,对其工程应用前景进行了初步探索。在以上工作的基础上,本文将全息波前传感器与波前校正器复用于同一液晶光调制器,提出了动态全息自适应光学的概念,建立了相关理论模型,并通过数值仿真与实验验证了系统可行性。本文的主要内容包括以下几个方面:1.介绍自适应光学技术的基本概念与系统组成,回顾了自适应光学系统的发展历程,并概述了其主要应用领域;分析了几种目前常用的波前传感器的基本原理,总结了各种波前传感方法的特点与局限;简要介绍了全息摄影术的基本原理,分析了全息波前传感方法的提出背景,回顾了其发展历程;介绍了国内外全息波前传感方法的发展现状。2.基于标量衍射理论推导了全息波前传感方法的理论模型;通过数值方法分析了不同像差偏置,不同探测孔径参数下,传感器响应灵敏度变化情况;采用光学缩印手段制造了振幅型全息图,结合CCD探测器建立了全息波前传感器,实验验证了全息波前传感方法的可行性,采用液晶空间光调制器作为波前校正元件,进行了初步的开环校正实验。3.简要介绍了波前校正器的主要分类与研究现状,基于高斯响应函数模型建立了21单元变形镜的数值模型,分析了其对低16项Zernike像差校正效果,进而分析了全息自适应光学系统对静态像差的闭环校正性能;基于自研的21单元变形镜作为波前校正器,实验分析了全息自适应光学系统闭环校正性能,实现校正频率优于200Hz,系统闭环后波前残差RMS值优于0.1λ;最后我们通过数值分析和实验手段,对全息自适应光学系统在宽带光照明系统中的应用进行了分析。4.分析了紧凑型自适应光学系统国外研究情况,提出了动态全息自适应光学的概念;描述了动态全息自适应光学系统的基本原理,建立了理论模型并数值模拟了静态像差的闭环校正过程;最后,基于液晶空间光调制器建立了实验装置,实验验证了系统可行性。
【学位单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP212;O438.1
【部分图文】：

第 1 章 绪论辨双星的照片。1998 年研制成功的 61 单元自适应光学系统大气传输补偿实验，有效校正了传输通道上的系统静态像差使目标成像的能量集中度大大提高[16-19]。京理工大学、华中理工大学、西北工业大学、国防科技大学精密机械研究所等多家国内的研究机构都对自适应光学究。同时各高校都开展了自适应光学教学，为我国的自适应理论研究基础[20-22]。作为中国光学摇篮的中科院长春光机所也在自适应光学领展。先后独立研发出基于变形镜和液晶校正器的自适应光学应光学望远镜上获得了自然星体和空间目标的清晰图像。具备了独立开发和研制自适应光学系统关键器件的能力[23]。闭环校正式自适应光学系统一般由波前传感器与波前校正器。畸变波前波前校正器

士学位论文：全息波前传感方法与动态全息自适前传感器，金字塔传感器，剪切干涉类与简介光学系统中并在现有硬件条件下能够哈特曼-夏克传感器，金字塔传感器，。感器因其优异的综合性能，目前得到形是一种根据几何光学原理测定光学德国人哈特曼提出[25]，其基本原理如

图 1.3 哈特曼-夏克波前传感器基本原理中的微透镜 F 数已知，则可以通过微透镜焦平置之差，解算各个子孔径入瞳处波前平均斜率具有光能利用率高，动态范围与测量精度适中系统，无波前缠绕问题等优点，综合性能突出感器于 1996 年由 Ragazzoni 提出[27]，其本质以看做一种变形的哈特曼-夏克传感器，基本镜实现对光瞳的分区成像，使用四象限方法算波前像差。如果将探测元件上的每个像元器就可以等价于一种每个子孔径中都采用四克传感器。金字塔波前传感器具有子孔径数，因此它具有能够根据探测目标强弱变化，来目前已经应用于大型天文望远镜系统中。

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本文编号：2820306