光栅型波前曲率传感器原理与相位恢复研究

对一种新型的基于扭曲衍射光栅的波前曲率传感器原理进行了数值模拟，应用基于Gesrchberg—Saxton（GS）算法的误差减少法对这种波前传感器进行了相位恢复数值模拟。当畸变波前幅度变大时，恢复残差变大；当迭代精度变大时，恢复残差也会变大。

波前曲率传感器的实时波前重构方法

针对波前曲率传感器,研究了基于拉普拉斯算子本征函数的实时波前重构方法。首先以传感器的空间分辨率为依据,分析了探测器空间采样点数和本征函数数量的估计方法。在此基础上建立了分光式波前曲率传感实验装置,将波前重构结果与哈特曼波前传感器的测量结果进行了比较。实验结果表明,采样本征函数法重构待测波前时,可首先根据传感器的空间分辨率估计采样点数,然后根据采样点数和模式相关系数的关系估计模式数量,从而获得维数合适的波前重构矩阵。

光栅型波前曲率传感器原理和应用

对利用散焦光栅进行波前曲率测量的新方法进行了系统研究,在分析散焦光栅基本原理的基础上,提出了一种新的二元相位结构散焦光栅的设计思想,研制了基于散焦光栅的波前曲率传感器,应用于热容激光器和侧面抽运Nd:YAG热透镜效应的测量。同时设计了可应用于激光束M2因子测量的正交散焦光栅,该方法的主要特点是,可同时测量出光束的9个不同截面的光斑尺寸,能够实现对脉冲激光光束质量的测量。

相位光栅型波前曲率传感器

研制了一套相位光栅型波前曲率传感器。实验结果表明,相位型散焦光栅能消除零级衍射光的干扰,正负一级衍射光的衍射效率达到49%。用相差板引进波前畸变,进行了波前测量实验。用格林函数算法进行了波前恢复,并和Veeco检测结果进行了比较。制备的光栅型波前曲率传感器测量结果正确,峰谷值存在10%的误差,均方根值存在2%的误差。

光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明:Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求;Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。

光栅型波前曲率传感器光斑自动定位提取算法

针对光栅型波前曲率传感器,提出一种基于最大类间方差法和质心法相结合的光斑自动定位提取算法,并进行了实验验证。使用最大类间方差法对原始光强分布图像进行二值化;根据质心坐标对二值化图像进行分割,得到两幅含有单个光斑的二值化图像;分别计算两幅图像的质心坐标,作为原始光强图像中的两个光斑中心,并在原始图像中进行光斑提取。搭建了基于离轴菲涅耳波带片的光栅型波前曲率传感器实验装置,采用上述方法自动提取光斑,采用拉普拉斯算子本征模式法进行波前复原,并与哈特曼波前传感器的测量结果进行了比较。研究结果表明该算法能够自动提取光栅型波前曲率传感器的光斑,定位误差小于4pixel。

曲率波前传感器探测高斯光束时的信号误差

曲率波前传感器已被用于天文自适应光学和光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀,但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。利用傅里叶光学理论,给出了光强不均匀情况下曲率波前传感器的曲率信号解析式,并利用光强均匀和不均匀情况下的信号表达式对探测高斯光束时的信号误差进行了数值分析。结果表明:曲率波前传感器探测高斯光束时存在一定误差,相位分布为4阶Zernike多项式时,误差最大,且阶数越高,误差越小;分区平均曲率信号误差较小,一般在10%以下。

光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号分析

曲率波前传感器广泛应用于天文自适应光学、光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀,但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。定性分析了曲率波前传感技术理论的不自洽,利用衍射理论和几何光学近似的方法,推导了光强不均匀情况下曲率波前传感器信号的解析式,分析了信号误差。结果表明,光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号引入了光强对数的梯度和波前梯度的点乘项。在大多数应用中,点乘项可以忽略,因此,光强均匀的假设是合理的。但应用于光强量级发生变化的激光高斯光束时,会有一定的误差。

基于扭曲光栅的曲率波前传感器

介绍了一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器,对其原理进行了介绍并进行了数值模拟。其波前相位恢复已应用于光学度量,但这种传感器相位恢复算法尚未完全成熟,结合前人工作,对适用于这种传感器的相位恢复算法进行了比较分析。

采用曲率传感器测量热透镜焦距

分析了用光栅型波前曲率传感器测量热透镜焦距的基本原理，针对高功率固体激光器的工作特点，结合实验现象推导了在热透镜效应较强时热透镜焦距变化的计算公式。对半导体二极管（LD）侧面泵浦的百W级Nd：YAG激光棒在泵浦电流为15～25A时的热透镜焦距值进行了测量．讨论了可能存在的误差。实验现象和理论分析一致，测量的热透镜焦距值与理论值符合得较好。

自适应光学系统中的波前曲率传感技术

本文阐述了波前曲率传感技术的基本原理,分析了传统实现方案的优缺点;重点介绍了近年发展起来的的基于衍射光栅的波前曲率传感器及其工作原理;对比分析了波前曲率传感器的两种相位恢复算法;介绍了波前曲率传感器的最新应用情况以及国内对波前曲率传感器研究和应用的最新进展。

曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差校正能力

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程,分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果,结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析,结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正,而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。

非均匀光强对曲率型自适应光学系统的影响

在高斯光强和光强存在正态随机起伏情况下,研究了一种37单元的曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差的校正效果,并和均匀光强时的校正效果进行了比较。光强为高斯分布时,光强的不均匀性对Zernike像差的校正带来了一定的影响,对于曲率为零的Zernike像差影响较小,对曲率不为零的Zernike像差影响较大。光强存在正态随机起伏时,对各阶Zernike像差的校正影响较小,曲率为零的Zernike像差的校正效果好于曲率不为零的Zernike像差的校正效果。结果表明在光强起伏不严重的情况下,该37单元曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差可以较好地校正。

光栅型波前曲率传感自适应光学的基本参数分析

针对光栅型波前曲率传感自适应光学中的拉普拉斯算子本征函数实时波前复原方法,分析了光电探测器上的光斑大小和位置偏差,以及本征模式数量对波前复原精度的影响。结果表明:截取的光斑区域大小对波前复原精度有较大的影响,可采用环围能量比进行确定;由于存在其他级次的衍射光,光斑区域位置偏差不仅会引起波前倾斜误差,还会引起其他波前误差;当采用的模式过多时,由有限的分辨率引起的模式耦合会显著影响波前复原精度,可利用模式间的相关系数来估计最佳模式数。

本征函数法求解光强传输方程的相位反演方法

提出了一种采用本征函数法求解光强传输方程的相位反演算法。相位可由拉普拉斯算子本征函数展开,各阶本征函数的系数可以由光强沿光轴的微分和本征函数两者的积分得到,由此实现相位恢复。给出了圆形区域和矩形区域拉普拉斯算子本征函数的解析形式,数值模拟了在这两种区域上采用该算法实现相位恢复的过程,结果表明该算法可以很好地实现相位恢复。

基于本征系数的大口径望远镜装调方法

波前探测是辅助望远镜装调的主要技术手段,针对大口径光学系统内部空间受限的问题,提出一种基于本征模式系数求解失调量的计算机辅助装调方法。相比传统的灵敏度矩阵法,本文方法计算量小,不需要对探测器进行分区处理,简化了波前重构矩阵的构造。通过分析本征模式系数与次镜失调量的关系,建立两者之间的灵敏度矩阵模型,对1m口径同轴三反望远镜进行装调仿真,在次镜偏心为±0.3mm、倾斜为±0.2°的失调范围内,两步迭代实现了像差校正,得到的中心视场波前像差均方根值(RMS)均小于λ/14。该研究对未来大口径光学系统的装调工作有很好的实用价值。