中国科学院光电技术研究所固体板条激光器光束净化研究进展

高功率固体板条激光器的光束质量严重受限于增益介质热效应等多种因素。如何同时获得高平均功率和高光束质量是激光发展过程中面临的一个基本物理问题。自适应光学技术能够有效补偿固体板条激光系统输出光束的静态和动态像差,是改善光束质量的有效手段。近年来中国科学院光电技术研究所掌握了低阶像差补偿器、加权优化波前复原方法、通用波前处理机等关键技术,为国内多个固体板条激光系统研制了二十余套自适应光学光束净化系统,显著改善了光束质量,保障了上述激光系统的有效运用。

中国科学院光电技术研究所的变形反射镜研究进展

变形反射镜是自适应光学系统的核心部件,也是开展自适应光学技术研究的首要研究对象。本文首先介绍了中国科学院光电技术研究所从事自适应光学特别是变形反射镜技术研究的历史背景,简述了光电所变形反射镜技术早期的发展脉络。然后介绍了光电所研制的变形反射镜在我国历代惯性约束聚变系统中的应用情况,也介绍了在天文光学观测领域典型的多单元变形镜技术及应用成果,随后还介绍了应用于生物医学等领域的紧凑型变形反射镜的发展情况和研究现状。最后介绍了光电所在变形反射镜技术新方向的研究情况。

中国科学院光电技术研究所的自适应光学研究进展

中国科学院光电技术研究所的自适应光学研究始于1979年。1980年建立自适应光学研究室,在突破了波前校正器(包括变形反射镜和高速倾斜反射镜)、波前传感器、波前处理机和波前控制等关键技术的基础上,研制了一系列自适应光学系统,用于天文望远镜、惯性约束聚变和人眼视觉研究等。

双变形镜自适应光学系统全场补偿实验验证

在双变形镜自适应光学系统中,需要主激光出射时与信标光的振幅分布一致、相位共轭。当主激光到达目标时,光波的分布与目标上发射的信标光光波分布相同,主激光的振幅和相位都得到了校正。根据双变形镜自适应光学技术的概念,设计了一套基于双变形镜的自适应光学系统,对比了双变形镜和传统单变形镜对波前的空间校正能力,在实验上验证了双变形镜全场校正能力。实验结果表明:通过对光束振幅和相位的全场补偿,能使光束的近场场强得到控制,同时远场焦斑更接近衍射极限分布。传统的单变形镜校正后远场的斯特列尔比为0.71,双变形镜自适应系统校正后远场的斯特列尔比提高到0.85。

自适应光学技术提高FSO性能的实验验证

搭建了一套37单元的自适应光学系统和155M/2.5G大气激光通信系统室内实验平台。结果显示:大气湍流对激光通信性能影响很大。使用芯径为62.5μm的多模接收光纤时,自适应开闭环误码率最大改善超过4个数量级;使用芯径为10μm的单模接收光纤时,可以很明显地观测到接收端信号的深度衰落现象,且衰落程度与误码率一一对应。自适应光学闭环后,深度衰落得到了抑制,也极大地降低了系统误码率。

自适应光学在光通信中的仿真与实验分析

从实验和仿真两方面研究了自适应光学(AO)补偿大气湍流的影响,改善2.5Gb/s光通信系统性能的有效性。仿真结果显示,同种湍流条件下,发射端AO校正后的平均接收光功率较接收端AO校正有所提高,且起伏更小。实验结果表明,接收端AO校正后,平均误码率比校正前降低2～3个数量级;发射端AO校正后,平均误码率比校正前降低近7个数量级。

激光自适应光学系统可靠性改进效果评估

随着自适应光学技术在激光领域的发展,工程上以经典自适应光学(AO)系统为基础,增加了多种基于软件监测和硬件保护的改进措施以保证激光AO系统稳定连续出光。面对结构复杂度提升带来的可靠性挑战,如何构建系统失效模型对激光AO系统可靠性进行评估,成为影响激光AO系统发展的重要一环。本文以激光光稳净化AO系统为例,提出使用动态故障树方法对激光AO系统可靠性进行评估,根据设备间动态关系建立动态故障树(DFT),结合厂家信息、疲劳寿命试验与历史数据估计得到底事件失效率,使用二元决策图和马尔可夫模型求解得到DFT的可靠性参数。使用DFT分析增加改进措施的AO系统可靠运行时间,结果相对于基本故障树获得了十倍以上的提高。实际系统调试期间,在预计的可靠运行时间内未发生自因故障,与DFT估计结果一致。验证了应用DFT方法评估增加改进措施后的激光AO系统可靠性更准确。

自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8m望远镜和127单元AO系统,在1 550nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。

太阳自适应光学技术进展

对太阳大气进行大视场高分辨力光学成像观测是开展太阳物理、空间天气等基础与应用研究的重要前提。对于地基太阳望远镜而言,为了消除地球大气湍流对光学系统的影响,自适应光学是高分辨力成像观测必备的技术手段,与此同时,为了突破大气非等晕性对传统自适应光学校正视场的限制,近年来多层共轭自适应光学技术等大视场自适应光学得到极大发展。本文首先梳理国外太阳自适应光学系统研制情况,重点介绍国内太阳自适应光学技术发展及应用情况,并进一步介绍了后续大视场太阳自适应光学技术发展情况以及目前所取得的成果。

自适应光学图像事后重建技术研究进展

为进一步提高自适应光学系统的成像质量,本文针对目前广泛使用的盲解卷积,相位差法和斑点重建技术开展了深入研究;详细分析了以上三种技术的各自特点、应用场景和处理对象,并结合自适应光学系统的特点,有针对性的加以算法改进;实验采用自适应光学人眼视网膜细胞图像和自适应光学太阳黑子图像进行算法验证,结果表明经改进后的图像处理技术可以有效提高自适应光学图像的质量和分辨力,较好的满足了自适应光学系统对图像事后处理的需求。

自适应光学人眼像差调控及其应用

自适应光学技术能够对波前像差进行实时测量及调控。1997年,该技术被首次成功地应用于活体人眼像差的调控,并获得了接近衍射极限的高分辨力视网膜视细胞图像和传统低阶像差矫正无法达到的"超视力"。随后自适应光学技术在眼科学研究中得到迅速发展。就研究内容来看,该领域主要包括视网膜高分辨力成像和人眼像差操控与视功能研究两大方向。美国Rochester大学Williams教授和加利福利亚大学Roorda教授于2011年分别对视网膜高分辨力成像和人眼像差操控与视功能研究方向的研究作了非常全面的综述。1997年,光电所在国内率先开展人眼自适应光学技术及其应用研究,本文在简单介绍人眼自适应光学系统原理的基础上,报道了光电所在该领域近五年的主要研究进展。

“神光-Ⅲ”主机装置的自适应光学波前校正系统

本文介绍了为"神光-Ⅲ"主机装置研制的五十套工程化自适应光学系统,包括系统技术方案,基于可拆卸技术的大口径变形镜和具有自动对准功能的哈特曼波前传感器两主要部件的性能,测量并分析了波前特性,系统校正结果表明:自适应光学系统改善了主机装置的光束质量,满足10倍衍射极限范围内激光能量大于95%的指标要求,确保"神光-Ⅲ"主机装置激光在主放大系统内的传输顺畅。

自适应光学系统SPGD控制算法的FPGA硬件实现

针对随机并行梯度下降(SPGD)算法实时性强,同时具有一定的灵活性的要求,本文提出了一种基于FPGA的SPGD算法硬件实现方法。该方法首先划分了各功能模块,然后对关键模块进行了实时化处理,并使用"流水线"和RAM技术设计了可升级和扩展的变形镜控制模块。最后将该算法实现并应用到61单元自适应光学激光实验中,结果表明本文的设计可使用不同的性能指标实现变形镜的SPGD算法闭环控制,并能同时完成倾斜镜的控制,达到了实时性和灵活性的要求。

自适应光学系统中哈特曼传感器与变形镜对准误差的测量方法

提出了一种可以实现自适应光学系统中哈特曼传感器与变形镜对准的方法。该方法通过给用来做标记的驱动器施加电压来表征变形镜的位置,利用哈特曼探测变形镜镜面面形的斜率分布信息获取驱动器的准确位置,并据此计算哈特曼传感器和变形镜之间位置失配,为二者的自动对准提供依据;阐述了该方法的对准原理,推导了哈特曼和变形镜之间位置失配计算公式;以45单元自适应光学系统为例,展开对该对准方法的模拟仿真。结果表明:当二者的平移失配和旋转失配误差小于2倍子孔径大小和小于10°时,测量误差分别小于子孔径大小的5%和0.15°,能够准确测量自适应光学系统中哈特曼传感器和变形镜之间的位置失配。

基于FPGA和DSP的自适应光学系统在线性能评估的嵌入式处理平台设计

为了实现自适应光学系统性能的在线实时评估,提出并设计了一种基于FPGA和DSP的嵌入式处理平台。该嵌入式处理平台以FPGA作为协处理器,实现前端的高速数据缓存,以DSP作为主处理器,实现后端复杂的信号处理;根据哈特曼波前传感器探测的残余斜率,在线实时计算自适应光学系统的点扩散函数、斯特列尔比、半高全宽和调制传递函数。结果表明,系统点扩散函数计算误差为10-11量级,斯特列尔比的计算误差为10-3量级,半高全宽的计算误差为10-4倍衍射极限,调制传递函数计算误差为10-4量级。该嵌入式处理平台具有运算精度高,结构简单,便于系统集成,通用性强等优点。

基于Zernike模式的自适应光学系统随机并行梯度下降算法

控制算法的收敛速度一定程度上限制了无波前探测自适应光学技术在实时波前畸变校正中的应用。从理论分析角度提出将模式法和区域法结合起来以提高算法收敛速度,并以61单元变形镜为校正器,建立基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统仿真模型。结果表明:达到同样的校正效果时,采用组合优化的算法收敛速度要明显优于基于区域法的收敛速度,从而验证了理论分析的合理性。

基于自适应光学技术控制光束近场场强

在双变形镜自适应光学系统中,需要主激光出射时与信标光的振幅分布一致、相位共轭,当主激光到达目标时光波的分布与目标上发射的信标光光波分布相同,主激光的振幅和相位都得到校正。根据双变形镜自适应光学技术的概念,提出一种基于自适应光学技术控制光束近场场强的方法,从而实验验证双变形镜技术的可行性。该方法利用哈特曼传感器探测到的波前信息,对变形镜进行控制,实现了对光束近场场强的控制。仿真结果表明该系统对光束近场强度能进行较好地校正,使校正前后光束振幅的残余均方差值从0.310 0降为0.052 2,同时实验也验证了这种方法的可行性。

自适应光学系统光轴抖动抑制控制器设计

由于光学平台的结构性谐振以及风吹抖动等因素造成的光轴抖动在很大程度上会降低自适应光学系统的性能,若采用常规积分控制器对这种高频窄带的扰动信号进行抑制,收效甚微,而且有可能将其放大,使得系统无法正常工作。以实际系统观测数据为基础,分析了该扰动的频域特性。针对该扰动的峰值频率以及带宽,借助Smith预测器,提出了一种稳定高效且易于实施的控制器设计方法,讨论了控制器参数与其滤波特性之间的关系,分析了这种控制器对控制对象参数变化的鲁棒性。结果表明,采用新型控制器可以将由光轴抖动引起的单轴倾斜像差的方差降低约60%,弥补了常规控制器的不足。

自适应光学发展综述

自适应光学(AO)是校正动态光学波前误差的技术。本文概述了近50年来AO的发展历程,包括发展初期,"星球大战"期间美国的发展,以及在地基高分辨力成像望远镜,激光系统(特别是惯性约束聚变)以及眼科等方面的应用,此外还给出AO的发展趋势。通过引用每一项技术发展,首创者的首篇文献,给出了比较清晰的发展脉络。

基于FPGA和DSP技术的自适应光学系统在线大气湍流参数测量平台

为了实现大气湍流参数的实时估计,提出并设计了一种基于FPGA和DSP技术的自适应光学系统在线大气参数测量平台。该测量平台采用FPGA作为前端处理器,在自适应光学系统闭环工作时,利用多通道并行技术和流水线技术从闭环数据高速复原开环泽尼克系数,采用DSP作为后端处理器,根据复原的开环泽尼克系数,利用其编程灵活的特点实现大气相干长度r0、外尺度L0、风速v和相干时间t0的复杂统计运算。最后将该测量平台应用在127单元的自适应光学系统上,以实际天文恒星为观测目标,进行了大气湍流参数的测量。