自适应光学中的模式法

自适应光学(adaptiveoptics, AO)能够有效校正无线光通信系统中由大气湍流造成的波前畸变,模式法作为自适应光学控制算法,对提高自适应光学系统的性能有着显著的效果。本文系统阐述了Zernike模式法、变形镜本征模式法、Lukosz模式法及Legendre模式法在自适应光学领域的国内外研究进展,详细介绍了常见的模式法及校正原理,同时简要介绍了自适应光学系统波前畸变校正质量评价方法及模式法在波前畸变校正的应用,给出了模式法的研究重点主要是减小偏差及提升速度精度。这些直接关系到波前畸变校正能力的大小,影响自适应光学系统的性能。

空间光-光纤耦合技术进展与实验研究

总结了国内外空间光-光纤耦合技术在无线光通信中的研究进展,以提高空间光-光纤耦合效率为主线,介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括空间光光纤耦合自动对准技术、自由空间光模式转换技术、空间光光纤耦合自适应光学波前校正技术、马卡天线的收发一体化技术。介绍了大气湍流中透镜阵列和单透镜耦合至单模光纤的耦合性能、大气湍流中马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能方面的研究进展。最后展望了无线光通信中的空间光-光纤耦合技术的发展前景。

微加工薄膜变形镜本征模分析

介绍了变形镜本征模的构造过程及其特点,分析了从荷兰OKO公司购买的37单元微加工薄膜变形镜的本征模,并用前65阶Zernike多项式分析微加工薄膜变形镜的37阶本征模的特性。搭建了以微加工薄膜变形镜作为波前校正器、变形镜本征模为波前复原控制算法以及高分辨率Shack-Hartmann波前传感器为波前探测器的自适应光学实验系统。实验结果表明:变形镜本征模可以实现模式筛选,也可作为自适应光学系统的波前复原算法。

对称平面单轴晶体金属波导的模式场(1)

由于平面各向异性介质金属波导的重要应用 ,本文讨论了光在对称平面单轴晶体金属波导 (波导层是单轴晶体 ,两个波导界面均为金属 )内的传输特性 .对于晶体光轴位于波导界面法方向与传输方向构成的平面内的特殊波导结构 ,利用麦克斯韦方程组并结合单轴晶体的性质 ,精确解出了波导模式场 .结果表明 :1 )此种特殊结构波导内存在横电波 ( TE)和横磁波 ( TM) ;2 ) TM波的坡印廷矢量与波矢方向不在一条直线上 ;3 )波导层为负单轴晶体时波导主模是 TE波主模 ,而波导层为正单轴晶体时波导主模是

全光路像差校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法研究

根据光波在介质中的传播规律,首先详细分析了全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,然后对常规方法标定共模波前传感器后的系统校正残余误差作了分析,并从校正残余误差和操作的简易程度两个方面分析了常规方法标定共模波前传感器存在的缺点,最后针对全光路像差校正自适应光学系统的特点,提出了两种新的共模波前传感器标定方法,详细推导了两种方法标定共模波前传感器后全系统的校正残余误差。结果显示,两种方法标定共模波前传感器后,其校正残余误差只与常规方法标定共模波前传感器后系统的校正残余误差中的一种误差有关。

模态振型拟合薄镜面变形分析

波前重构是主动光学的关键技术之一,分析了薄镜面的自由谐振模态振型的特点,以其为底基函数,拟合了薄镜面主镜的变形。首先,用有限元方法给出了主镜的前10阶模态振型图,把它们的RMS值归一化为1 000 nm,对比分析了主镜模态振型和Zernike多项式在圆域内的径向变特点。利用模态振型在环域内的正交性和完备性,采用最小二乘法拟合主镜变形,并与环域内的Zernike多项式拟合结果做了对比。分析结果表明,自由模式可以拟合波前变形,采用相同项数拟合主镜变形时,模态振型拟合主镜变形可以获得更小的残余误差。

模式偏置波前传感器理论模拟及实验验证

将模式偏置法与全息多重存储法波前传感器原理联系起来,通过研究模式偏置波前传感器的输出响应特性,间接得到全息模式波前传感器的运行规律。对模式偏置波前传感器进行理论分析与总结,并建立简化模型,针对若干阶Zernike像差,通过数值模拟对理论结果进行验证。模拟结果显示:传感器输出信号与各种类型待测像差系数有不同的变化关系,这与理论分析结果吻合。以散焦模式像差为例,利用两个相位型空间光调制器动态加载模式像差,分别在入射光波中引入待测像差和偏置像差,探测焦平面光斑强度变化。实验结果表明:以峰值光强作为焦平面光强分布的信息提取方式,进而得到正负偏置光斑的光强差和归一化光强差,这比在小孔光阑上进行积分更简单有效。

偏置模式波前传感器光强信息提取及输出信号对比分析

在小像差近似下,对偏置模式波前传感器进行了理论分析,明确了该传感器的适用条件,对比分析了3种信息提取方式和3种传感器信号输出方式的优劣。针对Zernike像差模式,数值模拟研究了传感器对单阶和多阶模式的响应特性。结果表明,畸变波前中与偏置模式相同或相关的模式之间有响应,但传感器对各阶Zernike模式的响应灵敏度不同,而且不相关模式的存在对传感器输出信号和灵敏度均有影响。

K-F系统中的波前相位调制与光强调制的转换

研究在由一薄片Ｋｅｒｒ 介质与一块二维反馈镜组成的非线性光学系统中光波前相位与光强的转换过程。根据基尔霍夫衍射定理，导出了单一模式以及小畸变近似条件下多个模式的相位－ 光强转换关系的方程。结果证明：通过衍射，入射波前相位各阶Ｚｅｒｎｉｋｅ 模式成分的大小转换为反馈光光强的非线性调制。

星地链路空间光至单模光纤耦合效率补偿特性研究

在入射光瞳面处针对星地激光链路中空间光至单模光纤耦合效率补偿特性进行了研究,依据星地下行链路特点,对星地下行链路光纤耦合效率模型进行分析。在此基础上,利用基于单模光纤后向传输模场为加权函数的加权孔径正交多项式,建立光纤耦合接收系统波前相位模式补偿理论模型,运用该理论模型,通过数值模拟对波前相位进行模式补偿,给出波前相位模式补偿下平均光纤耦合效率与接收孔径尺寸和相位补偿项数的变化关系,以及典型接收孔径下采取一定项数的波前相位补偿后光纤耦合效率概率分布,为基于光纤耦合接收方式的星地激光通信链路波前补偿系统设计提供一定理论参考。

基于变形镜本征模式的方形孔径激光光束净化

传统基于Zernike或Lukosz模式的无波前传感器自适应光学校正方法仅适用于圆形光瞳,并且校正精度会受模式拟合误差的影响。为避免上述问题,提出了1种基于变形镜本征模式的校正方法并将其用于方形孔径激光光束净化,通过仿真,分析了算法的可行性和校正效果;仿真建立了115单元方形变形镜模型并推导出2类变形镜本征模式,分别采用斯特列尔比和远场光斑均方根半径作为评价函数,对不同大小的像差进行了校正;利用第2类变形镜本征模式对不同强度的大气湍流引起的波前误差进行了仿真校正。仿真结果表明:采用第2类变形镜本征模式校正的动态范围优于第1类变形镜本征模式;在湍流强度D/r0分别为5、10、15时,经过3次迭代,校正后算法均可收敛,校正后系统的斯特列尔比高于0.8.

振幅型复合计算全息模式波前传感理论及验证

全息模式波前传感器是利用复合全息元件对待测波前中像差模式进行直接测量的一种新型波前传感器,其中的复合全息元件可编码设计多阶Zernike像差模式。提出一种有效方案以编码设计振幅型复合计算全息元件,该方案通过将多个编码有某阶Zernike像差模式的透过率调制扭曲光栅叠加产生振幅型计算全息元件。在小像差近似条件下推导了传感器输出信号与Zernike像差模式系数的解析关系。编码设计了振幅型复合全息图,并研究了其对单阶和多阶Zernike像差模式的探测性能。利用液晶光阀加载复合全息图进行了验证实验。所得实验结果与数值模拟结果基本一致。

用于在线检测的紧凑型多测量模式干涉仪

光学干涉仪由于高精度、全口径、非接触特点在光学元件的检测中具有极其广泛的应用。针对光学元件加工在线检测需要,提出了一种紧凑型的多测量模式瞬态干涉仪。该系统可同时实现单波长激光干涉、多波长激光干涉以及LED干涉显微测量等多种工作模式,以分别满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度等显微结构的干涉检测。针对在线检测应用中复杂的环境振动影响,系统采用偏振相机来实现瞬态的偏振移相波前检测。为验证系统方案的可行性,对测量系统的主要误差因素进行了分析,并对不同工作模式下的金刚石车削机床在线检测结果与Zygo激光干涉仪和Zygo光学轮廓仪进行了比对实验,同时也利用多波长技术对自由曲面进行了在线检测。结果表明该系统可实现高精度的多测量模式,并且还可以满足大动态范围波前测量要求。该系统结构紧凑,整体尺寸仅为195 mm×160 mm×65 mm,极其适合车削机床的在线安装及检测。同时系统基于瞬态波前检测,具有对环境扰动不敏感的特点,在机床对中工具在线调整以及加工元件等在线检测中具有广泛的应用前景。

基于变形镜本征模式和远场测量的光束净化

利用波前传感器对光束进行净化的自适应光学系统是目前提高光束质量的常用技术,但在实际应用中,该技术需要波前传感器,系统复杂,体积庞大,同时需要较高性能信标源。为解决上述问题,提出了一种基于变形镜本征模式和远场光斑特征分析的无波前自适应光学系统,用于校正激光器输出的方形光束。将变形镜影响函数进行本征模式分解,并用远场光斑的均方半径作为评价函数,建立了畸变波前的模式系数与评价函数之间的关系,通过测量评价函数获得模式系数用于求解校正电压,实现波前共轭校正。仿真校正和实验验证结果表明,该方法可以有效实现静态像差校正,提高远场光斑的能量集中度。

气动光学效应波前模态的泽尼克-本征正交分解

本征正交分解(POD)方法已经广泛应用于时间变化随机场的分析,但其直接法或快照法存在自身固有缺陷,前者使关联矩阵求解特征值和特征向量较为困难,后者的有限抽样帧数会影响对随机场的统计特性分析。鉴于此,本文建立了基于泽尼克(Zernike)多项式加权系数的Zernike-POD方法,用于气动光学效应的波前模态统计分析。对于圆域问题,Zernike多项式阶数给定后,各阶加权系数与波前分布是一一对应的,并且通常用几百阶多项式就足以复原各种复杂波面形状。Zernike-POD方法由对波前本身改为对Zernike多项式加权系数的分解和模态计算,由于多项式阶数远少于波前的空间离散点数,因此,关联矩阵的维数降低,计算量减少,计算效率显著提高。Zernike-POD方法不损失空间分辨率,同时不需要限制最高采样帧数,因此,时间统计特性不受影响,预估的波前模态具有较高的时空分辨率。为验证该方法的有效性,用大涡模拟方法开展圆柱绕流数值仿真,并计算圆柱尾迹卡门涡街结构产生的时间系列气动光学效应数据,将该数据用于波前模态分析,波前空间分辨率为100×100,采样帧数为2万帧,Zernike多项式阶数取为217阶。一阶模态与稳态波前分布相似,二阶与三阶、四阶与五阶模态近似互为配对关系;前10阶模态能够基本复原波面形状,前49阶模态含能在97%以上,用完整模态重构的波前与原始波前没有本质差异;模态加权系数及其功率谱随阶数增加而呈下降趋势,前五阶模态加权系数的功率谱尖峰频率与光学窗口中心点脉动速度情况较为一致,对应卡门涡街的主频,斯特劳哈尔数St约为0.22。Zernike-POD方法适用于圆域波前模态分析,也适用于环形域和正方形域,并能够推广到流场结构、图像与信号等处理领域。

基于K-L模式的SPGD控制算法波前校正

随机并行梯度下降(SPGD)算法是无波前探测自适应光学(AO)系统最常用的控制算法,这种方法一般以变形镜的驱动电压作为控制参数。但随着变形镜单元数的增加,以变形镜驱动电压作为控制参数的AO系统的收敛速度将会大大降低,常采用模式法来降低控制参数的维度。对比分析了不同单元数的变形镜对K-L模式和Zernike模式各阶像差的拟合能力,并以大气湍流影响下的光波波前像差作为校正对象,分别考察了K-L模式和Zernike模式系数作为控制参数时的AO系统的收敛速度和校正效果。结果表明:以常规SPGD控制算法(以驱动器电压作为控制参数)的收敛情况作为参考指标时,基于K-L模式的SPGD控制算法和基于Zernike模式的SPGD控制算法的收敛速度相较于常规SPGD控制算法分别提升了47.5%和29.4%。当大气湍流强度分别为10、15、20时,以K-L模式系数作为控制参数时的校正效果和收敛速度均优于以Zernike模式系数作为控制参数时的情况。以上研究结果为基于K-L模式的SPGD控制算法的实际应用提供了参考。

基于正交模式扰动梯度下降算法的自适应光学控制技术

针对无波前探测自适应光学提出一种基于正交模式扰动梯度下降(OP_GD)算法的控制技术。通过与串行扰动梯度下降算法和随机并行梯度下降(SPGD)算法对比,分析了该算法的可行性和收敛速度。在此基础上,采用液晶空间光调制器(LC_SLM)作为波前校正器,建立了基于该控制技术的自适应光学实验装置,实验研究了算法的收敛特性。实验结果表明,正交模式扰动梯度下降算法具有很好的全局收敛性,其收敛速度和SPGD算法相当。但是与SPGD算法相比,正交模式扰动梯度下降算法无需设计伪随机序列发生器,因此硬件实现更加容易。

基于复用计算全息元件的多阶模式偏置波前传感器

提出利用复用计算全息元件实现多阶模式同步的偏置模式波前传感器。对基于复用计算全息元件的多阶模式偏置波前传感器进行了理论分析。为了实现复用计算全息元件,分别编码设计了包含4阶,10阶和20阶Zernike像差模式的复用计算全息图,讨论了复用计算全息图设计中几个关键问题。数值模拟研究了复用计算全息图对单阶和多阶像差模式的探测性能。结果表明,在一定探测范围内,传感器能够响应与全息图内预先记录像差模式相同的待测像差模式,且每一个模式的灵敏度都不同。全息图内记录模式数较少时,单阶模式探测的灵敏度较大;记录模式数越多,模式之间擦除效应越严重,单阶和多阶模式灵敏度都受到一定影响。

两种自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差

利用直接波前斜率法和变形镜的电压 -面形响应特性 ,研究了常规自适应光学系统和共光路 /共模块 (CP/CM)自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差。常规自适应光学系统中 ,可以用重新测量变形镜的影响函数以减小对准误差的影响 ,虽并不能消除其影响 ,但系统都会有很大的调整容差 ;共光路 /共模块自适应光学系统中采用不同的双哈特曼数据处理方法 ,哈特曼波前传感器与变形镜的对准精度对系统校正能力影响是不同的 ,采用加修正因子斜率融合法和电压融合法由于在数据融合时考虑了两台哈特曼传感器与变形镜对准的差异 ,所以对准误差的影响与在常规自适应光学中相同 ,系统都会有很大的调整容差 ,而采用直接斜率融合法的共光路 /共模块系统由于是建立在两台哈特曼传感器完全一致的假设基础上 ,所以对对准精度的要求是很高的。分析过程中给出了相应的数值计算结果。

共光路/共模块自适应光学数据融合方法

研究了在CP/CM系统中 ,两个哈特曼夏克波前传感器用于控制一套波前校正器件的几种数据融合方法 ,通过复原矩阵的条件数分析了斜率数据向量的扰动和复原矩阵的扰动对系统控制电压的影响 ,得到了相应的公式。实现了CP/CM自适应光学闭环实验 ,并且利用实际系统比较了几种数据融合方法 ,认为现有工程技术条件下 ,加修正因子斜率融合和电压融合是可行的办法 ,二者在控制电压的得到上是等价的 ,不同之处将表现在波前处理机。